КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2013, том 58, № 3, с. 501-504
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 621.315.592
ЗАВИСИМОСТЬ ТОПОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ И СПЕКТРОВ РАМАНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ПЛЕНОК Ge,Si1 _ x/Si ОТ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ПО ТОЛЩИНЕ СЛОЯ
© 2013 г. Л. С. Лунин, И. А. Сысоев, М. Д. Бавижев*, В. А. Лапин*, Д. С. Кулешов**,
Ф. Ф. Малявин**
Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону *Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь E-mail: viacheslavlapin@yandex.ru **Южно-Российский государственный технический университет, Новочеркасск Поступила в редакцию 16.07.2012 г.
Исследована топология поверхности и спектры рамановского рассеяния пленок GexSii -x/Si (100) в зависимости от профиля изменения состава пленки по толщине. Показано, что характер изменения содержания Ge в сплаве GexSii -x при равной интегральной доле Ge (хинт = 0.5) в пленке в целом влияет на морфологию поверхности выращенного слоя GexSii -x/Si. Гетероструктуры были получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
DOI: 10.7868/S0023476113030120
ВВЕДЕНИЕ
Гетероструктуры 81Ое/81 вызывают повышенный интерес благодаря своим электрическим и оптоэлектрическим свойствам и их совместимостью с существующей кремниевой технологией [1]. Особое внимание уделяют получению бездислокационных эпитаксиальных пленок германия на кремнии, которые также называют искусственными подложками германия. Существующие 81Ое-подложки, выращенные на основе буферного слоя, имеют ряд таких недостатков, как большие толщины буферных слоев и высокие значения среднеквадратичной шероховатости слоев. Так, при толщине слоя 3—10 мкм типичная амплитуда рельефа может принимать значения 10—15 нм. За последние два десятилетия были предприняты многочисленные попытки уменьшить толщину буферного слоя Ое^^ х, сохранив на приемлемом уровне или даже уменьшив плотность пронизывающих дислокаций [2].
Технология получения и свойства гетерострук-тур Оех811-х/81 широко исследованы [3—5]. В настоящее время существует необходимость в контроле приборных структур на основе таких материалов неразрушающим бесконтактным методом. Этим условиям удовлетворяет метод рамановской спектроскопии.
Критическими параметрами эпитаксиальных пленок сплавов Ое^^ _ х при их применении в ге-теропереходных устройствах являются напряженность, плотность дефектов, подвижность носителей, ширина запрещенной зоны. Существует зависимость этих параметров от состава сплава
Оех811- х, толщины слоя и степени релаксации [6]. Эти величины можно измерить количественно с помощью рамановской спектроскопии, быстрым и неразрушающим бесконтактным методом, не требующим предварительной подготовки образца и обеспечивающим высокое пространственное разрешение.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы структур Оех811- х/81 (100) получены на установке молекулярно-лучевой эпитаксии "ЦНА".
Предельное значение остаточных газов при росте составляло 3 х 10-6 Па. Подготовка пластин кремния перед эпитаксией состояла из двух этапов: удаление оксидного слоя 8Ю2 плавиковой кислотой ИБ с последующей промывкой в де-ионизированной воде; отжиг в условиях сверхвысокого вакуума при температуре 850°С.
Напыление слоя Оех811- х происходило при суммарном потоке Ое и 81, соответствующем эффективной скорости роста V =6 нм/мин. При этом V каждого компонента сплава рассчитывались таким образом: уОе = ух для германия и = = у(1 — х) для кремния. Таким образом, эффективная толщина гетерослоя составила 600 нм для каждого образца. Температура подложки в процессе роста Т = 570°С. Кривые зависимостей изменения доли германия х в сплаве Оех811- х от времени, прошедшего с начала процесса напыления пленки, приведены на рис. 1. При этом во всех полученных образцах интегральная доля гер-
502
ЛУНИН и др.
xGe, отн. ед 1.0
80 100 t, мин
Рис. 1. График зависимостей изменения доли германия x в сплаве GexSij _ x от времени t процесса.
мания x по всей толщине пленки остается постоянной (хинт = 0.5). Образец 1 отличается тем, что по всей толщине пленки доля германия в сплаве GexSij_х остается постоянной, х = 0.5. Во всех остальных образцах x постоянно изменяется в течение роста пленки (соответственно и по толщине слоя) от x = 0 в начале до x = 1 в конце процесса.
Полученные образцы исследовались с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) NT-MDT Ntegra, а также метода рамановской спектроскопии. Обработка полученных с помощью АСМ изображений проведена в программной среде Nova 1000.
мкм 10-
нм П-250
■125
0 5 10
мкм
Рис. 2. АСМ-изображение поверхности образца 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2, 3 приведены АСМ-изображения поверхности полученных пленок Оех811_ х/81. На всех изображениях присутствуют 3D-островки, что является характерным для гетероосаждения данных материалов. Образец 1 отличается от остальных образцов значительно меньшими размерами 3D-островков и большей плотностью их распределения. Результаты анализа данных
мкм 10
Образец 2
5
0 10
* ш ■ • 2
Образец 5
нм 500
мкм 10
Образец 3
250 5
нм 600 10
300 5
Образец 6
00 10 0
»Ш I«
нм 500
5
мкм
мкм 10
Образец 4
250 5
нм 600 10
300 5
Образец 7
00 10 0
нм 500
250
Ъ Í *
Л)
L*
нм 600
300
Рис. 3. АСМ-изображения поверхности образцов 2—7.
5
0
0
0
0
0
0
5
0
ЗАВИСИМОСТЬ ТОПОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ И СПЕКТРОВ
503
Статистика 3D-octpobkob для полученных образцов
Образец h, нм l, нм d, нм а, нм
1 120.5 520 470 26.9
2 249.6 1520 1200 55.1
3 280.5 1700 1300 59.8
4 315.2 1920 1342 65.3
5 303.5 1600 1500 56.7
6 342.8 2360 1400 65.9
7 354.8 2385 1670 71.6
АСМ-изображений приведены в таблице. В ней отображены средние высота к, длина I, ширина ё, а также шероховатость а. Из таблицы видно, что наименьший рельеф поверхности (к = 120.5 нм, а = 26.9 нм) имеет образец 1. Это связано с отсутствием поверхностного слоя пленки с долей германия х, стремящейся к единице. За счет накопленных в пленках образцов 2—7 значительных напряжений, связанных с различием параметров решеток подложки (81) и поверхностного слоя (Ое), происходит рост 3D-островков и образуется развитый рельеф поверхности. Образец 2 с графиком зависимости х(0, наиболее близким к графику образца 1 (т.е. на протяжении большей части времени проведения процесса х ~ 0.5), имеет наименьшие значения высоты к = 249.6 нм и шероховатости а = 55.1 нм. Образец 7 имеет наибольшие среди всех остальных параметры (к = 354.8 нм, а = 71.6 нм). Это связано с тем, что распределение х по времени ? близко к 0 в первой половине процесса и стремится к единице во второй. Предельный случай — это эпитаксиальный слой гер-
мания с эффективной толщиной 300 нм на эпи-слое Si/Si (100) толщиной 300 нм. Остальные образцы имеют промежуточные, возрастающие с порядковым номером образца, значения приведенных параметров. Исключение составляет образец 5, где х изменяется по закону х = 0.01?. Отметим, что при таком характере изменения состава сплава тормозится выделение кристаллитов Ge в виде отдельной фазы.
На рис. 4 приведены спектры комбинационного рассеяния света для полученных образцов. Пик на частотах 295—300 см-1 соответствует связи Ge-Ge. Он присутствует на спектрах всех образцов, указывая на наличие кристаллитов германия в объеме пленки. Пик, соответствующий связи Si-Si, отчетливо не выражен, проявляется для образцов 1, 2 и лежит в диапазоне 455-480 см-1. Также на всех спектрах присутствует пик в диапазоне частот 385-410 см-1. Это свидетельствует о наличии связи Si-Ge, при этом на спектрах образцов 4-7 пик имеет малую интенсивность, так как толщина поверхностного слоя, имеющего высокое значение х, увеличивается. Как следствие, захороненные связи Si-Ge дают меньший отклик.
При увеличении х в сплавах GexSi1 - х пик Ge-Ge на спектре проявляется при большей частоте, т.е. стремится к значению, соответствующему монокристаллическому германию (301 см-1) [2]. Спектры образцов 2-7 имеют пик Ge-Ge на частоте 298-300 см-1, что указывает на увеличение степени релаксации напряжений в германиевых кристаллитах. В образце 1 он проявляется при 295 см-1, что говорит о малой степени релаксации, а следовательно, и малом размере кристаллитов.
Интенсивность, отн. ед. 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
100 200 300 400 500 600 700 800
Рамановский сдвиг, см-1
Рис. 4. Спектры Рамановского рассеяния света (514.5 нм) для образцов 1-7 пленок Оех811 _ х/81.
504
ЛУНИН и др.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные данные показывают, что шероховатость пленки и размеры растущих островков зависят от характера изменения состава сплава Ое^^ х по толщине при постоянной интегральной доле Ое хинт = 0.5. Лучшие результаты достигнуты на образце 2 вследствие постепенного изменения концентрации Ое в растущей пленке в диапазоне времени процесса 10—90 мин. Шероховатость на данном образце минимальна, и островки имеют небольшие размеры, что свидетельствует о снижении количества дислокаций несоответствия в объеме выращенного слоя. Образец 2 по ряду параметров превосходит образец 5, изменение доли Ое в сплаве Оех811_ х с течением времени представляет собой монохроматическую возрастающую функцию в виде прямой. Этот факт подтверждает целесообразность использования и проведения экспериментов с применением неравномерных схем изменения концентрации Ое в буферных слоях вплоть до выхода на значение доли Ое х = 1.
Установлена взаимосвязь спектров комбинационного рассеяния света образцов с характером изменения состава пленок. Показано, что для бесконтактного неразрушающего контроля эпи-таксиальных структур на основе Оех811_х пер-
спективно использование метода спектроскопии комбинированного рассеяния, позволяющего наблюдать гомо- и гетеросвязи, изучать релаксацию, физические характеристики и химический состав гетероструктур. Особенности этого метода позволяют контролировать состав сплава и напряженность поверхностного слоя пленки, что очень важно при выращивании гетероструктур типа GeSi/Si.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. IsmailK, Nelson S.F., Chu J.O., Meyerson B.S. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 63. P. 660.
2. Chen H., Guo L.W, Cui Q. et al. // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. P. 1167.
3. Alonso M.I., Winer K. // Phys. Rev. B. 1989. V. 39. P. 10056.
4. Lockwood D.J., Bar
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.