Реферати українською » Физика » Епітаксиальний зростання простих напівпровідників Si і Ge на поверхні Si (111)


Реферат Епітаксиальний зростання простих напівпровідників Si і Ge на поверхні Si (111)

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Запровадження

З фізикою тонких плівок пов'язані досягнення і її подальшого розвитку мікроелектроніки, оптики, приладобудування та інших галузей нової техніки. Успіхи мікромініатюризації електронної апаратури відбуваються завдяки використанню керованогоепитаксиального вирощування тонких верств напівпровідників, металів і діелектриків в вакуумі із різних середовищ. Попри численні скарги й різнобічні дослідження, процесиепитаксиальной кристалізації не отримали повного пояснення. Ускладнення зумовлені, насамперед, складністю проблем що з процесами кристалізації у різних системах і середовищах.

Останніми роками спостерігається зростання інтересу до твердого тіла. Експериментальні досягнення у цій галузі пов'язані з недостатнім розвитком техніки понад високого вакууму, діагностичної апаратури, а самесканирующаятуннельная мікроскопія й розробкою новихспектроскопических методів дослідження поверхні. Ці дослідження забезпечили глибше насичення структуру й властивості поверхневих верств твердого тіла. Проте уявлення про структуру поверхні і є вплив вепитаксиальний зростання не досить розвинені.

У цьому роботі досліджуєтьсяепитаксиальний зростання простих напівпровідників Si іGe лежить на поверхніSi(111) методом аналізуосцилляцийзеркально-отраженного пучка при дифракції швидких електронів.


Огляд літератури

>Молекулярно-лучеваяепитаксия Si іGe 7

На початку 60-х з великим оптимізмом розпочато роботи у сфері обробки поверхонь пластин кремнію в вакуумі, та за кілька днів дослідники цього напряму втратили провідні позиції, й у час інтегральні схеми виготовляють на кремнієвих пластинах методами хімічної обробки. Разом про те необхідність створення інтегральних схем дуже великі ступеня інтеграції стало основним двигуном для зниження температур обробки, та поступово технологічні прийоми, пов'язані з обмеженими фізичними методами, пробираються у технологічні лінії виготовлення кремнієвих інтегральних схем. У цьому плані вирощування кремнієвих епітаксійних плівок приладового якості за умов надвисокої вакууму (>СВВ) стало важливим поступом вперед. Факт відбито про можливе різке зростанні відтоді числа публікацій з молекулярно променевоїепитаксии (>МЛЭ) кремнію.

Високоякісний процеспослойного зростання є засадничо важливим для матеріалів для електроніки з допомогоюМЛЭ. Він привертає до собі увагу завдяки ряду властивих йому переваг, як-от: його гнучкість, забезпечення високої чистоти, можливість ведення всього процесу виробництва, у вакуумі, придатність масок, допустимість істотного варіювання швидкості розвитку і зниження температури кристалізації, швидкість переходу від осадження одного напівпровідника до іншого.

Використанняепитаксиальной технології в мікроелектроніці вимагає усунення чи відомості до мінімуму протяжності перехідних верств між плівками в напівпровідникових структурах. Метод осадження з газової фази шляхом хімічних реакцій дляSi/Si іGe/Si має температурну область кристалізації800-1200°С[1]. Під час такої температурі істотні процеси об'ємної дифузії між матеріалом підкладки іосаждаемим речовиною, що веде доразмитию кордони між ними. Характерні температури осадженняSi/Si іGe/Si щоб одержати епітаксійних плівок методомМЛЭ лежать у діапазоні 300-800 °З. Низька температураМЛЭ кремнію і германію досягається тим, що це метод не вимагає ні плавлення, ні хімічної реакції осадження. У умовах вплив дифузії іавтолегирования незначно, а деформація під час зростання мінімальна. Завдяки цьому можна було отримання дельтаслоев[2], різких меж, посеред гетероструктури і чітких профілів легування.

ПоверхняSi(111)

Дослідження процесів зростання є важливим проблемоюМЛЭ, оскільки б точне уявлення про механізми подій і процесів дозволить управлятимуть і створювати верстви звоспроизводимими характеристиками.

Завдяки велику кількість сучасних методик аналізу поверхні таких, наприклад, як дифракція повільних електронів (>ДМЭ)[3], фотоелектронна спектроскопія з кутовим дозволом [4], просвітчаста електронна мікроскопія ісканирующаятуннельная мікроскопія (>СТМ)[5-7], дали багато корисною інформації про будову поверхні і є процесах зростання.

Через взаємодії обірваних зв'язків, атоми вприповерхностной області прагнуть перебудуватися на більшенергетически-вигодние становища, створюючи лежить на поверхнідвумерную періодичну структуру. Природа і стабільність реконструйованих поверхонь дуже вразлива щодо умовам приготування зразка. Так, поверхню відколуSi(111) реконструюється вметастабильную структуру (>2х1), яка заотжиге380°С необоротно трансформується на структуру (>7х7)[8]. При температурі вище830°С поверхнюSi(111) маєсверхструктуру (>1x1) (немаєсверхструктури) [9], ця температура є точкою фазового переходу для поверхневою реконструкціїSi(111).

Найбільш повну інформацію про структуру і морфології поверхні даєсканирующаятуннельная мікроскопія. Зображення поверхні, отримані цим методом, свідчать, що, залежно від способу приготування зразка, атомарне чиста поверхнюSi(111) може містити суміш кількох надструктур. ТакY.-N.YangE.D.Williams [10] спостерігали, що з зразка нагрітого до900°С і загартованого зі швидкістю100К/сек., лежить на поверхніSi(111) утворюються крім (>7x7)сверхструктури і інших метастабільних надструктур як (>11x11),(9x9), (>2x2),(3x 3).

Ведучи мову про поверхневих реконструкціях, мають на увазі двовимірна періодичність на атомарне гладких частинах поверхні. Реальна поверхню кремнію далекою від досконалим і містить різні дефекти, такі як виходять на поверхню кристала дислокації, дефекти пакування й забруднення що залишилися післяпредепитаксиальной обробки.

Через неідеальності зрізу, поверхню реального кристала, минулого відповідні стадії обробки, складається з які чергуються терас, розділених сходами атомної висоти. Автори [12] отримали зображення щаблів слабкоразориентированной поверхніSi(111). Чому очевидно, що ця поверхню є послідовність майже паралельних в межах порядку які один від друга по ширині терас, розділених сходамимонослойной висоти.


>Эпитаксия Si наSi(111)

>Эпитаксия Si наSi(111) методомМЛЭ вивчена широтою діапазону температур, від кімнатної [13], до1000°С. Температураепитаксии вибирається залежно від необхідної структури плівки (наприклад аморфна чи монокристалічна) необхідним рівнем легування (>т.к. коефіцієнт убудовування атомівлегирующей домішки залежить від температури).

Залежно від розмірів терас, температури поверхні і єпересищения, припослойном зростанні розрізняють два механізму:ступенчато-слоевой ідвумерно-островковий.

Що стосується зростання поступенчато-слоевому механізм все розбиті на поверхню атоми, не створюючи острівців, вбудовуються в щаблі абодесорбируют. Якщо ж концентраціяадатомов лежить на поверхні сягає деякого критичної позначки залежить від температури і ширини терас, то розпочнеться освіту двовимірні острівців (>двумерно-островковий механізм). Щільністьадатомов, навколо існуючих острівців зменшується з допомогою дифузії і вбудовуванняадатомов в острівець чи щабель. І на деякою зоні навколо вже які утворилися острівців наступні критичні зародки утворюватися що неспроможні.

Зростання іде у основному з допомогою розростання двовимірні зародків.

При підвищенні температури зростання відбувається підвищення розміру критичних зародків, середніх відстаней з-поміж них і зон виснаження довкола їхнього і в щаблів [7,14].Пропуская по пластиніSi(111) електричний струм можна домогтися значного збільшення ширини терас (за кілька мікрон) через ешелонуванняповерхности[15], унаслідок чого температура переходу віддвумерно-островкового доступенчато-слоевому механізму зсувається на більшвисокотемпературную область.

 Дослідження процесів зародження двовимірні острівців лежить на поверхніSi(111)-(7х7) показало, що зародження острівців відбувається переважно межахсверхструктурних доменів [5-7]. У процесі зростання,сверхструктурамонослойного острівця, що утворюється лежить на поверхні, може відповідатисверхструктуре підкладки.U.Kohler[13], вивчаючи процеси зародження і зростання Si наSi(111) методомСТМ виявив, що у ідеальної поверхніSi(111)-(7x7) зчинениймонослойний острівець може мати крім (>7x7)сверхструктури, ще (>5x5) і (>9x9). У [16] використовуючиДМЭ, показано, що зSi(111) зразориентацией буде не гірший 0.05 градусів у процесі росту, після покриття десятьмамонослоями на зростання поверхні в температурному діапазоні 650-870 До (>380-600°C)присутствует суміш двох надструктур (>5x5) і (>7x7), а при високих температурах зростання вище 870 До (>600°C) спостерігається лишесверхструктура (>7x7). Причому інтегральна інтенсивністьсверхструктурних рефлексів залежить від температури суворо належним чином.

Дослідження зародження Si на майже ідеальної поверхніSi(111)-(7х7) показало, що зародження острівців відбувається переважно на метастабільних реконструкціях і дефектах поверхні вже які утворилися острівців, на ідеальної поверхні (>7х7) другиймонослой починає утворюватися набагато раніше завершення першого. Потім острівцідвумонослойной висоти зростаються, після чого йде звичайнийпослойний зростання.

Аналізуючи розміри і щільність острівців протягом чи помирають після зростання можна накреслити певні параметри поверхні, наприклад, такі як енергію активації поверхневою дифузії. Проте значення цієї енергії у різних роботах коштує від 0.5 до 2еВ, та більшість авторів під час моделювання і розрахунках інших енергетичних параметрів поверхні використовують значення1еВ.

Діяльність помічено що освіта острівців лежить на поверхніSi(111) залежить від напрямку щаблі, де зароджуються острівці. Для щаблів з напрямком зароджувані лежить на поверхні острівці розташовуються приблизно за рівному відстані один від одного й від краю щаблі. Для щаблів з наступним спрямуванням верхній терасі щаблі, що зародилися на краю щаблі острівці, немає зони збідніння з цим щаблем (див. Мал.1). Відмінність цих щаблів у тому, що з щаблі атоми перебувають у щаблі мають одну обірвану зв'язок, а щаблі дві обірвані зв'язку.

Острівці, зароджувані на терасах, мають напрями сторін таку ж, як щаблів, тобто. атоми які стоять край острівців мають по дві обірвані зв'язку.

Малюнок 1 Зародження острівців на терасах з різними напрямами щаблів


>ЭпитаксияGe наSi(111)

Зацікавленняепитаксии германію кремній обумовлений і з технологічної, і науково-дослідної точок зору. Наприклад, виготовленняGaAs фотоприймачів на дешевих кремнієвихподложках, через невідповідність їх постійних решіток вимагає перехідного шару. Одержання бездефектнихGe верств може розв'язати проблему,т.к.GaAs іGe мають близькі значення постійних решіток (>0.569нм і0.566нм відповідно).

Нині сильно зріс інтерес до прямому отриманнюнизкоразмернихGeSiструктур[19,20]. Так освіту тривимірних острівців, наприклад германію кремній, відповідно до механізмом зростанняСтранского-Крастанова [21], можна використовувати щоб одержати шару квантових точок. Під час створення таких структур важливо знати процеси що відбуваються лежить на поверхні у процесі росту.

Початкова стадія зростання при кімнатної температурі лежить на поверхніSi(111)-(7х7) характеризуєтьсявстраиванием атомівGe в щаблі поверхні і є зародженням двовимірні острівців переважно межахсверхструктурних доменів. ЗростанняGe йде пошарово до товщини плівки тримонослоя, наступний низькотемпературний зростання веде до утворення аморфною плівки [22]. При температурі поверхні більше350°C після третьогомонослоя починається освіту тривимірних острівців [7]. Зупинка зростання на трьохмонослоях і відпал за нормальної температури більше300°C веде до того що, що атоми германію з третьогомонослоя переходить досрелаксированниеостровки[5].

Вивчаючигетероепитаксиальний зростанняGe наSi(111) автори [5] визначили енергію активації поверхневою дифузії (1.2еВ) й виявили, що вона залежить від швидкості зростання інтервалі швидкостей 0.03-0.14монослоя/сек.

>Дифракция швидких електронів

>Дифракция швидких електронів на відбиток (>ДБЭ) є поширеним методом аналізу структури поверхні плівок у процесіМЛЭ. Велике поширення цього пов'язані з простотою використання методи і наявність великого вільного простору перед зразком. Ще однією з перевагДБЭ і те, що через великі відмінності по енергії між пружно розсіяними електронами і тлом непружного розсіювання і достатність енергії первинних електронів для порушення світіннялюминесцирующего екрана, вДБЭ (на відміну дифракції повільних електронів) відсутня необхідність ретельної енергетичної фільтрації і повторному прискоренні.

З іншого боку,ДБЭ дозволяє безупинно ознайомитися з зростанням епітаксійних плівок лежить на поверхні, через те, що фронтальна частина зразка стає досяжною дляиспаряющихся джерел. Велике зацікавлення доМЛЭ, як до способу вирощування матеріалів для напівпровідникових приладів, надав стимулюючий вплив застосуванняДБЭ.

Крім поліпшеного доступу до, забезпечуваного геометрієюДБЭ, протиДМЭ, його має та інші перевагами щодоепитаксиального розвитку і процесів на багатошарових поверхнях. Зокрема, використання зниження економіки з малими кутами ковзання робить його чутливим домикрорельефу поверхні. ЯкщоДМЭ (зазвичай нормального падінні) виділяє добре впорядковані області поверхні орієнтації, близька до середньої орієнтації поверхні, то електрони при змінний падінні будуть проникати у шорсткості лежить на поверхні, якщо вона є мікроскопічно гладкою. Вочевидь, що це підвищує вимоги до більш ретельному готування зразків на дослідження методомДБЭ, але водночас означає, що це метод може виявити зміни у морфології поверхні. Наприклад, якщоепитаксиальний зростання призводить до зростання острівців лежить на поверхні, то картина ковзаючого відображення від пласкою поверхні, що за відсутності острівців, зміниться картиною що містить дифракційні рефлекси від тривимірних об'єктів. Це можна використовувати, наприклад, визначення критичної товщинипсевдоморфной плівки, та засобами визначення орієнтацій гранейостровков[19].

З іншого боку,ДБЭ має певні недоліки щододвумерно симетричних структур для випадкумикроскопически-гладкой поверхні. Наприклад, виявлення повноїдвумерной періодичності, зразок необхідно крутити навколо нормальний до. Зміна періодичності у площині падіння не призводять до змін періодичностідифракционной картини.

Крім аналізу структури поверхні плівок, реєстраціяосцилляцийзеркально-отраженного пучка швидких електронів від поверхні зростання плівки дає можливість вимірювати швидкість зростання плівок і контролюватиме їх склад парламенту й товщину. Аналізуючи характеросцилляций можна вивчати реалізовані механізми зростання, визначати параметри поверхневою дифузії і вбудовуванняадатомов [23].

>Осцилляции інтенсивності мають місце при реалізаціїдвумерно-слоевого зростання. за рахунок періодичного зміни шорсткості, інтенсивність дзеркального рефлексуосциллирует відстежуючи гладкість поверхні. Проте якщо з збільшенням товщини плівки вихідна поверхню затомно-гладкими терасами трансформується на поверхню зі стаціонарної ступенем шорсткості. Це своє чергу веде до загасанню амплітудиосцилляций. Перша причина такий трансформації у тому, що в міру зростання плівки подвумерно-слоевому механізму, тобто. з допомогою освіти і розростання двовимірні зародків, дворівнева поверхню, характерна ідеальногодвумерно-слоевого зростання, стає багаторівневої. Друга причина вдесинхронизации зародження двовимірні зародків різними терасах. Використовуючи реєстраціюосцилляций, автори [24] запропонували ідею синхронізації освіти двомірних зародків, розширивши цим можливості методуМЛЭ.

Амплітудаосцилляций та його форма залежить від азимута і кута падіння електронного пучка, тобто. від про дифракційних умов. У разі резонансудифрагированная хвиля зазнає багаторазове відбиток від атомних площин паралельних поверхні і є має максимальну чутливість до морфології поверхні, у умовах поверхового резонансу осциляції мають максимальну амплітуду.

Автори показали, що згомоепитаксии Si наSi(100) осциляції інтенсивності залежить від азимута падіння електронного пучка. Для напрями одна осциляція дзеркального рефлексу відповідає покриттю до одногомонослой, а [110] одна осциляція відповідає товщині плівки удвічімонослоя. Причину цього бачать у відмінностідифрагирования на по черзі мінливих реконструкціях поверхні (>2x1) і (>1x2), через присутність виділеного напрями у геометрії острівців цих поверхнях.

Чимало авторів вважають, що здвумерно-слоевом зростанні один період осциляції дзеркально відображеного пучка електронів так точно відповідає одному (чи двом для відповідного азимутаSi(100))монослою плівки зрослою цей час.

Автори експериментально і комп'ютерним моделюванням показали, що у поверхніSi(001) за незмінної потоці атомів на підкладку періодосцилляций збільшується зі збільшенням температури зростання. Пояснення цього явища полягала у цьому, що за підвищення температури більшість атомів починає вбудовуватися в щаблі,вибивая цим з процесів періодичного зміни шорсткості поверхні, тож моменту зрощення острівців, тобто. за період осциляції, виростає плівка завтовшки більшмонослоя.

Інші дослідники стверджували протилежне. У

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація