Формирование пленок и эпитаксиальных слоев кремния на сапфировых подложках при осаждении из ионно-молекулярных потоков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ол? ИЙ&'ИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ имени У. А. АРИФОВА

\ '".V

На правах рукописи

АЫУРОВ ХАТАМ БАХРОНОВИЧ

УДК 537.534. +539.216 +621.382

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНОК И ЗПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРОВЫХ ПОДЛОЖКАХ ПРИ ОСАЖДЕНЖ ИЗ ИОННО-МОЛЕШЯРНЫХ ПОТОКОВ

Специальность 01.04.04. - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Ташкент - 1994 г.

Работа выполнена в Институте электроники им. У. А. Арифова Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор

ЛЮТОВИЧ А. С.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ : - доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премиии им.Беруни БАХАДЫРХАНОВ М.С.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник 'К03ЕНК0В О.Д.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Физико-технический институт им.

Стародубцева НиО "Физика-Солнце" им. С. А. Азимова Академии Наук Республик! Узбекистан

Зашита диссертации состоится 17 торТ<д_ 1994 г.

в 45 часов на заседании Специализированного Совета

Д 015.23.01 в Институте электроники им. У. А. Арифова АН РУз по

адресу :

700143 .Ташкент,ГСП .Академгородок.ул. Ф.Ходжаева 33

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электроники им. У. А; Арифс-за АН РУз.

Автореферат разослан "1ь " среЛршй 1994 г.

Ученый секретарь-

Специализированно [¿/С.

.•" V«.! О »г • //'■/; " - '.О,'", ',

д. ф. -и. н.

ИЛЬЯСОВ А. 3.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуальность работы. Интенсивное развитие микроэлектроники требует создания новейших технологий, позволявших получать различные функциональные системы, обладающие сложной топологией, высокой :тепеньп интеграции и надежности." Основным технологическим этапом, эпределяюага большинство характеристик, будущего прибора, является создание рабочего слоя, . обладающего заданными структурными свойствами. Создание такого слоя - одна из наиболее сложных и ответственных задач технологии микроэлектроники, тем более, что в большинстве случаев требуется высокая чистота, кристаллографическое совершенство, малая плотность структурных дефектов. Наиболее естественным фактором упорядочения структуры материала является процесс эпитаксия.

Одним из наиболее развитых способов получения эпитаксиалъных пленок является молекулярно-лучевгя эпитаксия СМЛЭЭ, заключавшаяся в физической конденсации атомарного потока на разогретой ориентирующей подложке. Однако, несмотря на крупные достижения МЛЭ как в научном, так и в технологическом аспектах, проблема управления этим процессом стоит чрезвычайно остро, поскольку процесс МЛЭ обладает ограниченным числом степеней свободы - температура подложки и температура источника. Частичная ионизация молекулярного потока с последующим ускорением образующихся ионов - простейший и эффективный способ управления процессом МЛЭ.-

Совокупность физических и физико-химических явлений, протекающих на растущей поверхности при осаждении веществ из ионно-молекулярных 'пучков, представляет собой интересное поле для исследований атомно-молекулярных механизмов формирования тонких пленок.

К настоящему времени накоплено значительное количество экспериментальных и технологических данных по

ионно-молекулярно-лучевой эпитаксии СИМЛЭ). Тем не менее, современный уровень понимания элементарных механизмов ионно-стимулированного эпитаксиального роста не позволяет адекватно отразить наблюдавшиеся закономерности эксперимента и технологии. Ионно-стимулированная эпитаксия уже зарекомендовала себя как эффективный процесс в гомоэпитаксии и позволяет рассчитывать на достижение новых положительных эффектов в гетероэпитаксии, например кремния на сапфире.

Интерес к эпитаксиальным структурам кремния на сапфире СККС) вызван тем, что а этих структурах обеспечивается электрическая изоляция элементов интегральных схем, уменьшается энергопотребление.

- А -

за счет низких паразитных емкостей достигается выс быстродействие приборов, увеличивается устойчивость к воздейст радиации и температуры. Совершенствование качества эпитаксиал слоев КНС перспективно для разработки трехмерных уровне* интегральных схемах.

Иэ-за применения высокотемпературных процессов при осажд структур КНС в отп-аксиалыюы слое появляются большие механиче напряжения за счет разности коэффициентов термического расшире происходит также автолегирование слоев кремния атомами алюминия, затрудняет получение КНС структур, пригодных для применен« электронной технике, осложняет изучение процессов, связанны эпитаксиальньш ростом КНС.

Решить эти проблемы возможно при использовании метода осажд кремния из ионно-ыолекулярных потоков,который позволяет они температуру процесса кристаллизации и создать благоприятные уел для гетероэпитакски.

Целью работы является:

Проведение экспериментального исследования влияния ионн составляющей пучка на свойства формируемых пленок и эпитакспальн слоев кремния на сапфировых подложках.

Для реализации цели в работе были поставлены следующие зада

- разработка электронно-лучевого испарителя, системы иониз потока и карусельного подложко-дерхателя для осаждения плене зпитаксиапьных слоев кремния на сапфировые подложки;

- исследование процессов формирования пленок и эпитаксиал слоев кремния при различных температурах подложки, при раз ли энергиях ионов и плотностях ионного потока на массивных и утоненных сапфировых подложках;

- исследование заряжения подложки А1г0з при осаждении плено иэ частично ионизованных потоков в широком температурном диапазо

- исследование микрорельефа поверхности пленок Б^/А^О осаждении из частично ионизованных потоков;

- исследование зависимости плотности пленок кремния от эне ионкой составляющей;

- исследование начальных стадий формирования и переходных с зпктакснальних пленок 81/А120з;

- исследование - автолегирования эпитаксиальных слоев кре атецамк алюминия; '

- исследование зависимостей холловской подвижности носит заряда 6 пленках КНС от температуры осаждения, от энергии ионов

степени ионизации осаждаемого потока.

Научная новизна работы: 1.Обнаружено усиленное зародышеобразование при заряжении подложки .

2.Установлена зависимость микрорельефа поверхности пленок от температуры и кристаллографических свойств подложки а также энергии ионов .

3. Установлена немонотонная зависимость плотности пленок от энергии ионной составляющей потока и дано объяснение этого эффекта по механизму ударного вытеснения вакансий .

4.Определены критические толщины сплошности пленок для различных условий роста; установлено раннее образование сплошности под действием ионой бомбардировки .

5. Установлено уменьшение уровня автолегирования пленок Si атомами Al и толщины переходных слоев при росте из частично ионизованных потоков по сравнении с пленками, осажденными из нейтральных потоков и стандартным газотранспортным методом ; результат объяснен более ранним формированием сплошного слоя Si и блокированием процесса автолегирования алюминием из подложки А1а0з

6.Установлены зависимости холловской подвижности носителей заряда от температуры,от энергии ионов и от степени ионизации потока кремния

7. Показано, что ионизация до 3-5% осаждаемого потока и ускорение ионной составляющей до 200эВ приводит к снижению эпитаксиальной температуры на 200 градусов .

Практическая ценность работы.

Разработана и создана экспериментальная сверхвысоковакуумная •установка для исследования процессов осаждения пленок Si/Alг0э из частично ионизованных потоков; разработан и реализован способ получения гетероэпитоксиальных слоев кремния на сапфире. Установленные закономерности роста могут применяться при разработке технологии получения эгоггаксиальных структур кремния на сапфире, а также других гетеросистем из ионно-молекулярных потоков. Созданная экспериментальная установка может служить основой разработки опытно-промышленного оборудования для получения эпитаксиальных слоев КНС и других гетероструктур методом ИМЛЭ.

Основные положения выносиг'це на защиту .

1.Экспериментально установленный эффект снижения тв*ш«ратуры эпитаксии SiC 100) /Al^C 1QÍ2) при осаждении из иояво-молекуляряого потока СИМГО кремния .

2.Эффекиы увеличения плотности (концентрации) зародышей и ускорения их коалесценции при осаждении пленок кремния на сапфире из ИМП , вследствии чего ускоряется формирование сплошного слоя КНС .

3. Экспериментально установленная при осакдении из закономерность уменьшения толщины переходных слоев Si/Al„C снижение автолегирования пленок Si алюминием по сравнени условиями осаждения из нейтральных потоков и газовой фазы.

4. Установленный характер изменений микрорельефа поверх* пленок: для неориентированных подложек А1г0з - рост размера s поликристалличэских пленок кремния с увеличением энергии ионов; монокрксталякческих подложек сглаживание рельефа поверх^ элитакеиальных слоев КНС под действием конного облучения.

5. Модель стимулированного ударного вытеснения ваканск! поверхность, описывающая экспериментально установленную зависш. плотности пленок КНС от энергии ионной составляющей осаждае потока.

Апробации работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались семинаре "Применение электронно-ионной технологии в промшлэннс (Киев, 1988), на Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модифик материалов" (Черноголовка, 1987), на конференции молодых учен] специалистов АН УэССР "Актуальные вопросы развития науки и техни Узбекистане" (Ташкент, 1387), на II отраслевом семинаре "Технол и оборудование термоионного осаждения тонких пленок и покрк (Киев, 1988), на отраслевом научно-техническом семинаре "Состояв перспективы развития МЛЭ и МОС-гидридной технологии" (Рязань, 1S на Всесоюзной конференции "Ионно-лучэвая модификация ызтерна (Каунас, 1983), на X Международном Менделеевском съезде (Ташн 193Э), на I Международной конференции по эпитаксиальному у кристаллов (Венгрия, Будапешт, 1990), на симпозиуме взаимодействию атомных частиц с поверхностью твердого i посвященном памяти академика АН УзССР У.А. Арифова (Ташкент, 1S на 7-ой Международной конференции по ионно-лучевой модифик материалов (Ноксвилл, Текнеси, США, 1930), на конференции МК синтезу и обработке материалов (Бостон, США, 1993).

Публикации:

По результатам проведенных исследований опубликовано печатных работ н получено 1 авторское свидетельство на изобретен

CNgbgik и структура диссертации:

Диссертация состоит га введения, четырех глав, заключат списка литература. Обаяй объем диссертации составляет стран;: том числе 31 рисунок и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая ценность, основные защищаемые положения.

Первая глава представляет собой обзор литературы по теме диссертации. Раздел 1.1. посвящен систематизированному анализу основных экспериментальных данных по эффектам ионно-активированного роста пленок. В разделе 1.1. кратко характеризуется основные стадии роста пленок (адсорбция, поверхностная диффузия адатомов, зародьшеобразование, ксалесценция и образование сплошных слоев), которые характерны для гетероэпитаксиальных систем, а также основные факторы ионного воздействия СИВ) на твердое тело. Имеющиеся экспериментальные данные рассматривается с точки зрения элементарных ростовых актов и макроэффектов ионно-активированного роста пленок. Выделены следующие эффекты на уровне элементарных ростовых актов: изменение энергетики взаимодействия адатома с поверхность», связанное с взаимодействием адатомов с дефектами, генерированными ИВ; увеличение коэффициента поверхностной диффузии пропорционально квадрату плотности ионного тока; увеличение плотности образующихся зародышей; увеличение скорости роста зародышей; активация миграции зародышей; ускоренная коалесценция и раннее образование сплошных слоев. Из макроэффектов выделены: эффект снижения температуры эпитаксии; немонотонная зависимость дефектности выращиваемых пленок от энергии ионов; эффекты повышения уровня легирования растущих .пленок и управления стехиометрией многокомпонентных пленок; зависимость электрофизических свойств пленок от параметров ионного потока. Отмечается, что при анализе закономерностей макроэффектов необходимо учитывать проявление факторов ИВ на основных стадиях роста пленки. В разделе 1.2. кратко рассмотрены модели и механизмы ионномолекулярнолучевой эпитаксии ШШ). Раздел 1.3. посвящен гетероэпитаксиалъным пленкам кремния на сапфире СКНС). Приведены основные физико-химические свойства кремния и сапфира. Рассмотрены экспериментальные данные по исследованиям влияния условий роста на различные .свойства эпитаксиальных слоев КНС. Проанализированы различные методы получения эпитаксиальных слоев КНС. Сделан вывод о том, что , с одной стороны, метод ИМЛЭ позволяет решить проблемы, препятствующие получению высокосовершенных слоев КНС, с другой стороны, КНС, являясь хорошей модельной системой, позволяет выявлять новые а исследовать ранее обнаруженные в других материалах эффекта

ионно-активированного роста пленок.

На основе приведенного обзора очерчен круг задач, требую! своего решения при исследовании процессов роста зпитаксиалы пленок КНС из частично ионизованных потоков.

Вторая глава диссертации посвящена описанию оригинальн! экспериментальной установки и методам проведения эксперименте; Подробно рассмотрены требования, предъявляемые к эксперименталь» установке и пути их выполнения, реализованные в представлены! работе. Особое внимание уделено вопросу создания молекулярно: потока кремния для получения совершенных зпитаксиальных слоев К] без посторонних примесей.

В разделе 2.1. приведено описание экспериментальной установк:

Она представляла собой сверхвысоковакуумную ростовую камеру

безмаслянными средствами откачки. В ростовой камере установле:

электронно-лучевой;» испаритель (ЭЛЮ, ионизатор потока кремния

поперечным электронным пучком и подложкодержатель с систем.

нагрева подложек (рис.1.). ЭЛИ с электростатическим заворот

электронов на 270° обеспечивает стабильный поток кремнха за в&

период осаждения. За работой ЭЛИ - размером расплавленной зо:

слитка кремния наблюдали через смотровое окно с помощью систе

зеркал. Зеркалами служили ' отполированные пластины кремни

Использование бестигельного способа испарения обеспечивало чисто

испаряемого вещества. ЭЛИ обеспечивает скорость роста КНС

растоянии 130 ми от источника 0.1-0.5 дам/час, в зависимости

размера расплавленной зоны слитка. В ионизаторе использовали

электроны с энергией 50-150эВ, чем обеспечивалась до 8У. иониэац

молекулярного потока кремния. Карусельный подложкодержате

рассчитывался на 4 подложки диаметром 20мм. В сост

подложкодержателя входит также один электронно-лучевой наГревател

Нагрев подложек производился поочередно нагревается только

подложка, которая находится в рабочем положении. Система нагре

обеспечивала нагрев подложек до 1700°С, что контролировалось

помощью термопар и оптического пирометра. Все конструкционн

элементы, установленные в ростовой камере, изготовлены

вакуумноплавленных тугоплавких материалов (молибден, вольфра

тантал, изоляторы из пиролитического нитрида бора и кварца

В разделе 2.2. описаны методы измерения параметров ионного пучк

Измерение плотности -лонного тока проводилось с помощью цилинд

4арадея. Для определения энергии ионов использовался мет

залерхкзаггего потенциала. Определен разброс энергии ионов, котор

зависел от напряжения ускорения электронов в ионизаторе. Наприме

если при V = 1003 и У - 200Ь разброс энергии ионов составлял 14э г в 1

Рис.1. Схема экспериментальной установки. 1 - Электронно-лучевой испаритель СЭЛЮ ; 2 - ионизатор ; 3 -заслонка ; 4 - цилиндр Фарадея СЦФ) ; 5 - подложка ; 6,7,12- стабилизатор напряжения постоянного тока П4105 ; 9 - высоковольтный источник питания ЭЛИ ; 8,11,14 - источники накала катодов ; 13 - электрометр В7-30 ; 10,15- источники питания УШ-1; 16. -источник питания Б5-32

хО -

тс при Ке = 150В и 200В разброс составил 20эВ, где V и V напряжения ускорения электронов и ионе

соответственно. Раздел- 2.3. посвящен подготовке сапфир« подложек для осаждения зпитаксиальных слоев кремния. Рассмотри различные пути обработки поверхности подложек А1 0 . Осос внимание уделено подготовке утоненных сапфировых подложек, кото{ использовались для исследования начальных стадий роста КНС метод просвечивающей электронной микроскопии. Техника эксперимента методы исследования параметров пленок КНС освещены в разделе 2.4. работе использовались следующие методы исследования:

-фотометрический метод для определения толщины пленок; -метод измерения интенсивности диффузно рассеянного УФ светг определения микрорельефа поверхности;

-метод просвечивающей электронной микроскопии для исследов; начальных стадий роста пленок и морфологии поверхности спло1 слоев;

-метод дифракции быстрых электронов;

-метод рентгеноспектрального флюоресцентного анализа;

-вторичная ионная масс-спектрометрия;

-четырехзондовый метод для определения удельного сопротивле: -метод Ван-дер-Пау для определения подвижности носителей за] с помощью эффекта Холла.

В разделе 2.4. рассмотрены также меры для уменыш погрешностей измерений параметров пленок КНС.

В третьей главе диссертации представлены резуль' исследований заряжения сапфировых подложек в начальных ста; роста, а также микрорельефа поверхности и удельной плотности гаи КНС в зависимости от условий осаждения из частично иониэова] потоков. В разделе 3.1. определены условия снятия ■заряда поверхности сапфировых подложек при осаждении кремния из част: ионизованных потоков. Установлено, что для энергии ионов 500 г плотности ионного тока 10"е А/см* при температурах выше 600°С з с поверхности сапфировой подложки успевает стекать. Заряж< подложки определялось по изменению траектории электронного пу который вблизи подложки направлен параллельно ее поверхности. ' обнаружено, что при температурах < 600°С -происходит усиле: зародкиеобразование. Например, при ' температуре 500°С плотн зародышей в 2,5-3 раьа больше, чем при температуре подложки 70 Этот эффект может быть обусловлен зарядовыми состояли нкдуцирзвакккми ионным воздействием в процессе конденсации плеко н<1 диэлектрической под.: же. В разделе 3.2. приведены резуль иезтедоваяия кнкрорельефа певерхноегд пленок КНС от темпепг

йодлоззш при ' различных энергиях Срис.2). На рис.2а приведена зависимость микрорельефа поверхности кремниевых пленок на нэориектируш,их подложках сапфира от температуры роста. Исследования структуры .пленок - кремния на неориентирующих подложках Al^O^ электроннографическим и электронно-микроскопическим методам показали, что в интервале температур 600-1000°С кристаллическая структура пленок соответствует поликристаллическому кремнию. Развитие поверхностного рельефа этих пленок с ростом температуры подложки соответствует росту размера зерна псяикристаллических пленок кремния СППК). Это обус.тсвленно тем, что при высоких температурах адсорбированные атомы, обладая повышенной энергией, могут перемещаться в более выгодные энергетические состояния, создавая" условия для роста укрупненных кристаллов. Наблюдалось увеличение разброса размеров кристаллитов при увеличении температуры подложки, . что объяснено анизотропией скорости роста зерен с различной кристаллографической ориентацией.. Более сильное увеличение размера зерна при активации ионным воздействием происходит за счет частичной рекристаллизации непосредственно в процессе роста. ••.-При этом рекристаллизация имеет собирательный характер, т.е. происходит рост наиболее благоприятно ориентированных кристаллов за счет соседних зерен. Полученная зависимость обсухдена в рамках современных моделей рекристаллизации тонких пленок.

В' интервале температур 700-1000°С для частично ионизованных потоков и 800-1100°С для нейтральных потоков сформированные

кремниевые пленки на сапфировых подложках с ориентацией СГС12), были эпитаксиальккми с ориентацией С100), что определялось дифракцией быстрых электронов. В отличие от ОГК микроаерохсБатссть рельефа поверхности эпитаксиальных пленок КНС в зависимости от температур подложки имеет другой характер. Наличие минимума в зависимости /ЛоСГе) С рис. 26) объясняется действием дву® конкурирующих механизмов: 1) стимулирование миграции адатомов, вследствие чего атомы могут перемещаться в энергетически более выгодные состояния, т.е. происходит упорядочение структуры растущей пленки; 2) стимулирование квазихимических реакций на поверхности с образованием силиката алюминия. Островковые • образования этой новой химической фазы обладают ориентацией, отличной от основной, при дальнейшем росте пленок происходит выход этих несовершенств на поверхность пленки и развитие ее рельефа. В разделе 3.3. приведены результаты исследования удельной плотности пленок КНС в зависимости от энергии ионной составляющей частично ионизованного потока. На рис.3. приведена зависимость Др/р СЕ/Е.), где р - плотность пленок г.~и

ОС 3 -

Рис.2. Зависимость микрорелъфа поверхности пленок от температуры роста

а) поликристаллические пленки на неориентирующ - подложках А120з,

б) эпитакскальнке слои БШООД/А^СКШг:).

Рис.3. Зависимость удельной плотности пленок от энергии ионов.

осаждении из нейтрального потока, Е^ - энергия дефектообразова! Для описания полученной закономерности роста пленок предлоз кинетическая модель, описывающая эволюцию рождения и уничтоке дефектов, с учетом стимулированного отлета вакансий на поверхнос Было полечено уравнение, определяющее зависимость удельной плотнс

от с = -г-.

Было .показано, что характер зависимости плотности пленок энергии ионов при конденсации ионно-молекулярного пот определяется двумя конкурирующими механизмами: дефектообразование стимулированным отжигом вакансий на поверхности, вследствие 1 зависимость Др/ро(Е/Е^> имеет немонотонный характер с максимумом 200эВ.

В четвертой главе диссертации представлены результг исследований начальных стадий роста переходных слоев "кремний сапфир", автолегирования и электрофизических свойств эпитаксиалы пленок КНС при осаждении из ионно - молекулярных потоков.

В разделе 4.1. представлены результаты исследования начали стадий роста и образования переходного слоя "кремний - сапфир". I исследования начальных стадий кремний осаждали на предваритель утоненные подложки сапфира за определенные промежутки времени г различных параметрах ионно - молекулярного потока. Времена осаждения были выбраны 50, 100, 250, 500, 750 и 1000 с при скорос роста пленок 0.35 мкмк/час. Полученные образцы были исследова ыетодох; просвечивающей электронной микроскопии. Качественный количественный анализ результатов наблюдений в электронн микроскопе показал, что процесс зародышеобразования и коалесцени сильно зависят от условий осаждения кремния. Так, если плотное зародьыа при осаждении из молекулярного нейтрального потока 10*см"г, то при осаждении из частично ионизованного потока э величина значительно ыже и составляет 1.5-10°сц"г. При осажден ¿:з ио.чнэ-ызлекуллрных потоков наблюдается ускоренная коалесценция раннее образование сплошной пленки. Причем, чем больше эиерг ионов, тем раньше достигается сплошность слоев КНС. Эти фак объясняются усилением зародышеобразования на дефектных центра создающихся за счет ионного воздействия на ростовую поверхность, усилением поверхностной диффузии адатомов & . ч' с сообщения энерг к '.'.«пульса налетающих* -ионов на адсорбируй^/.: ятомы. Были определе критические тслаины"- сплошности эпитакс слоев КНС д

различных энергий ионной составляв осаждаемого потока, э тхп^икы составляли 500 им, Т5С 1м у. 12р0 нм для энергий ионов 5 эБ, 200 эВ и для нейтрального потока, соответственно. На осно

полученных экспериментальных данных построена кинетика образования сплошного слоя Срис.4) для различных условий осаждения. Для этих условий с помо!цью классической теории эародышеобразования были построена расчетные кривые Срис.4). Теоретическая оценка качественно . хорошо согласуется с экспериментальными данными. Заметные отклонения от расчетных кривых в области времен 250-500с объясняется тем, что в расчетах и в самой теории не учтены процессы коалесцекции. Однако, нужно отметить, что коалесценция островков при осаждении из частично ионизованных потоков и из нейтральных потоков начинается приблизительно в одинаковой временной границе, тем не менее при осаждении из нейтрального потока данный процесс более продолжителен. В разделе 4.2. рассматриваются вопросы, связанные с автолегированием слоев КНС атомами алюминия. С помощью метода ВШС были исследованы профили распределения А1 в эпитаксиалькых слоях КНС, полученных из ионно-молекулярных потоков и из нейтральных потоков, а также в контрольных слоях, полученных стандартным газотранспортным методом.

Температура процессов осаждения - 950°С выбрана с целью провоцирования выхода А1 с подложки при взаимодействии осаждаемого потока с поверхностью А1г0з. Было обнаружено, что при ионизации осаждаемого потока до 5% и ускорения ионов до 200эВ, уменьшается интенсивность пика А1 в масс-спектрах на порядок, и уменьшается■в 2.5-3 раза толщина переходных слоев "кремний-сапфир" Срис.5). Уменьшение толщины переходных слоев связано с уменьшением критической толщины сплошности пленох при этих условиях. Это подтверждает уменьшение выхода алюминия после полного покрытия поверхности слоем кремния, т, е. чем раньше достигается сплошность слоев, тем меньше уровень алюминия в эпитаксиальных слоях КНС.

В разделе '4.3. представлены результаты электрофизических исследований эпитаксиальных слоев КНС в зависимости от температуры роста, энергии ионов и степени ионизации осаждаемого потока. Как известно, низкие значения подвижности носителей . заряда в эпитаксиальных слоях КНС по сравнению с обшным кремнием обусловлено прежде всего большими механическими напряжениями, возникающими в слоях, вследствие различия коэффициентов термического расширения кремния и сапфира, автолегированием слоев кремния атомами алюминия и структурным несовершенством слоев КНС. Было проведено исследование холловской подвижности носителей заряда в эпитаксиальных слоях КНС, легированных фосфором, удельное сопротивление которых лежит в пределах от 0.075 до 0.3 Ом-см. Толшша пленок составляла 0.5 мкм.Показано, что относительно холловской подвизяссти носителей в пленках КНС можно выявить

1.9 -

0.0

•

о ^ — " ---

— '

' > / в - Е,=кТ

■ - Еа=200эВ

' 1 ' // ' о - Е3=500оВ

-- — теор. расчет

* /

" /

Ч>

«! •

Ч •

к ч

250

500 750 1000

время осаждения

1250

Рис.4. Кинетика образования сплошных слоев.

Рис. 5. ■ Профили распределения атомов А1 в эпитаксиальяых пленках КНС 1 - ГФЭ, 2 - НПЭ, 3 - ИНЛЭ

основные макроэффекты кошго-мояекулярной эпитаксии. На рис. ¡ приведена зависимость хол.човской подвижности от температуры роста Характер зтих кривых объясняется тем, что увеличение температуры улучшая структурные совершенства, одновременно приводит увеличений механических напряжений и уровня автолегирования в слоя: кремния. Воспользовавшись критерием определения температур] эпитаксии по максимуму совершенства эпктаксиалъных слоев,показа» уменьшение температуры злитакски на 200° при ионизации 5Í осаждаемого потока и ускорении иоиоз до 200 оВ Срис.6). Зависимсстз холловской подвижности носителей от энергии ионов имеет так» немонотонный характер и ги.:еет максимум при энергиях ионов 200 з! С рис. 7а) При увеличении степени ионизации до 5!'. этот максиму! становится отчетливее, однако, дальнейшее увеличение степеш ионизации до 8% не приводит к заметному увеличению холлобско: подвижности в плеенках ККС (ркс. 76). Эти закономерности объясняйте! в райках модели "радиационного сита", которая предполагает наличие на поверхности роста центров двух типов - когерентные i некогерентные. При осаждении пленок с участием энергетичных ионог происходит процесс стимулированного перераспределения адатомо* когерентными и некогерентными центрами, являющимися результате;, "радиационной тряски" поверхностного роста. Согласно представления* этой модели ионное воздействие генерирует неустойчивые, короткокквущие - дефекты, при рекомбинации которых выделяется энергия, уносимая цугами термоупругих волн. Если сила взаимодействия упругой волны с неопределенностью среды (дефектом, примесью) больше, чем размер барьера,- то происходит атармическа.ч активация атошзй перестройки. Ka основе подученных экспериментальных данных был оценен радиус области, в которой осуществляются элементарные атомные перестройки.

б заключении сообщаются основные результаты работы и еыводы.

0CH03KHS РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана и создана экспериментальная установка для осаздения эпитаксиальных пленок КНС из частично ионизованных потоков, позволявшая варьировать параметры роста в широких пределах. Получены зпитаксиальние слои кремния на сапфире с югашой 0.5 мкм при температуре 700° из частично ионизованных

погоко-.

2. Показано, что при температурах подложки выше 600°С заряд, ириноеймал на диэлектрическую подложку ионами из осаждаемого поток-», успевает стекать, и эаояжение подложки при температурах -Wíibd'v tí0ü-C ускоряет зародугэсбразовзние. Предполагается, что

Рис. 6. Зависимость холловской подвижности носителей заряда в пленках КНС от температуры роста.

Параметра роста V - 0.36 ыкм/час, а = 0.05, й = 0.5 мкм.

и^/и-о

Рис.7. Зависимость холловской подвижности носителей заряда в пленках КНС : . с а! - от энергии ионов при различной степени ионизации ; Сб) - от степени ионизации осаждаемого потока при энергии ионов 200зВ.

зарядовые • центры служат дополнительными центрами зародътшеобразования.

3. Получены зависимости мккрошероховатости поверхности от температуры подложки при различных энергиях ионов для поликристаллических и эпитаксиальных пленок КНС. Установлен реет размера зерен поликристаллических пленок кремния с увеличением энергии ионов, для эпитаксиальных пленок - сглаживание рельефа поверхности при ионном воздействии; Увеличение размера зерна ППК при активации ионным воздействием происходит за счет частичной рекристаллизации непосредственно в процессе роста. Сглаживание микрорельефа поверхности эпитаксиальных слоев происходит благодаря стимулированию миграции адатомов, вследствии чего атомы могут перемещаться в энергетически более выгодные состояния, т.е. происходит упорядочение структуры растущей пленки.

4. Обнаружено изменение плотности пленок КНС под воздействием ионного потока. Получена зависимость плотности пленок от энергии ионов осаждаемого потока, который имеет немонотонный характер с максимумом при энергии равной 200 эВ. Предложена модель, описывающая изменение удельной плотности пленок при ионном воздействии, основанная на предположении ударного вытеснения вакансий на поверхность пленки. Построенная по этой модели расчетная кривая хорошо согласуется с экспериментальными данными..

5. Определено распределение зародышей по размерам при различных условиях роста КНС из частично ионизованных потоков. На основе экспериментальных * данных выявлена кинетика образования сплошного слоя КНС. Установлено раннее достижение сплошности при осаждении из частично ионизованных потоков. При осаждении из частично ионизованных потоков происходит усиление зародкшеобразования на дефектных центрах, создающихся за счет конного воздействия на ростовой поверхности, и усиление поверхностной диффузии адатомов за счет сообщения им энергии и импульсов вылетающих ионов.

6. Установлено, что при ионизации осажденного потока до 5'/. и ускорении ионов до энергии 200 эВ уменьшается на порядок уровень автолегирования слоев' КНС атомами алюминия. При этом уменьшается в 2,5-3 раза толщина переходных слоев. Уменьшение толщины переходных слоев связано с уменьшением критической толщины сплошности пленок при этих условиях, что также уменьшает выход алюминия после полного покрытия поверхности сапфира слоем кремния. -

7. Измерена холловская подвижность носителей заряда в пленках ■ КНС, полученных при различных условиях осаждения. Построета зависимости г.олловской подвижности от температуры осаждениями V

энергии ионов. Показано уменьшение температуры эпитаксии на 200е при ионизации потока до 5% и ускорении ионов до 200 эЗ. Показа* корреляция между электрофизическим! свойствами, плотностью микрошероховатостью'поверхности пленок КНС.

Основные результаты диссертации опубликованы в следуюд

работах:

1. Лютович А. С., Хкккатуллаев М. X. , Ашуров X. Б., Кулагина Л. Осаждение пленок кремния на кремнии и сапфире ионно-молекулярных . потоков. // Материалы Всесоюзнс

" конференции "Ионно-лучевая модификация материалов'" Черноголовка. -1987. -С.227. v

2. Ашуров X. Б. Осаждение пленок кремния на сапфире иокно-молекулярных потоков. //Мат. Республиканец конференции молодых ученых и специалистов "Актуальные вопрос! развития науки и техники в Узбекистане", -1987.-С. 9.

3. Ашуров X. Б., Будревич А. Г., Лютович А. С., Чумак В. Л- . Малю] Б. Е. , Суровиков М. В. Зависимость плотности пленок кремния сапфире от условий роста при конденсации ионно-молекулярнс потока. // Мат* симпозиума, посвященного памяти У. А. Арифова "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердоз тела", Ташкент.-1Э8Э.-С. 205-203.

4. Лютович А. С., Будревич А. Г., Ашуров X. Б., Оксенгендлер Б.. Кулагина ' Л. В. Ионно-молекуляркая лучевая эпитака элементарные акты и макроэффекты. // Мат. Всесоюзш конференции "Ионно-лучевая модификация материалов", Каун; -1989.-С.183.

5. Лютович А. С., Будревич А. Г., Ашуров X. Б., Оксенгендлер Б. Конно-индуцированные фазовые переходы. // Материалы ] Международного .Менделеевского съезда, Москва.-Hayi -1989.-С. 103.

6. Ashurov Н.В., Budrevich A.G., Ljutovlch А. С. Dependence silicon film density deposited on a sapphire substrate growth conditions during partially ionized evaporation. Nuci.Instr. and Methods in Phys. Res. -1990. -V.B51. -P. 476-478.

7. Ljutovich A. C. , Ashurov Н.Э., Kulagina L.V., Budrevich A. ( Oksengendler B.L. Ion-molecular bsam epitaxy of silicon sapphire. 1 International Conf. on Epitaxial Crystal Grow< Budapest,Hungary. -1590. -P.79-80.

3. Ljutovich A. C., Ashurov H. B. , Kulagina L.V., Budrevich A. SK1003/A1 _0,C10123 epitaxy from lo-w ion energy С < 300 < icn-molecuiar beam. // В кн.: Abstracts <

/-thlnternational Conference on Ion Beam Modification of Mater ials,Knoxvi1le,Tennessee,USA. -199Q.p. 18. Ljutovich A.C. , Ashurov H. B., Kulagina L.V., Ahmedov U. A. Nucleat.ion, initial growth and formation of transition layers by Si deposition from ion-molecular flows on sapphire substrate //В кн.: Abstracts of Conf. MRS, Suraposium A, Material

Synthesis and Processing Using Ion Beam, Boston,USA. -1993. p. 19 i. A.c. N 1588457 от 15.04.90 г. Способ получения гетероэпитаксиальных структур кремния на сапфире// Лютович 4. С., Ашуров X. Б. , Хикматуллаев М. X., Кулагина Л. В. "Открытия, изобретения" N30, 1990 .. Лютович А. С., Ашуров X. Б., Кулагина Л. В. Формирование переходных слоев при осаждении кремния из ионно молекулярных'-потоков на подложке сапфира. // Поверхность, 1994, N2, с."19,

The Forming of Films and Epitaxial Layers of Silicon on Sapphi Substrates During Condensation from Ion - Molecular Flows

Ashurov H. B.

SUMMARY

The experimental results of comparative investigation processes of formation of films and epitaxial layers of silicon sapphire (SOS) during condensation .from neutral and partial ionized flows has been established in this work to allow to obta very important information about role of ion action on the grov processes.

Hall mobility of charge carriers was measured in SOS filn formed in different conditions of condensation. Hall mobility v determined to dependence on condensation temperature, ion energy i ionization degree of condensed flow The decrease of epit£ temperature by 200°C providing the ionization of flow to 5 perci and acceleration of ions to 200 eV was shown.

Size distribution of nuclei in different growth conditions \ defined. On the basis the experimental data the kinetic of format] of unbroken layer was revealed. The earlier achievement of unbrol layer during condensation from partially ionized flows has b< estimated.

The transient layers "silicon - sapphire" was researched SIMS and electron microscopy methods. The transient layer thicjcru has been found to decrease by 2-3 times and autodopmg level redu< on the order .during condensation from partially ionized flows comparison with epitaxial layers formed from neutral flows or < phase, that can be explained by earlier covering of sapph: substrate surface and blocking of aluminum exit.

The change of SOS films density under action of ion flow I been found. The film density dependence on ion energy of conden: flow has been obtained, this dependence has nonmonotonous charac-with maximum at 200 eV. The model has been proposed to describe 1 exchange film density under ion action, based on the assumption 1 substitution of vacancies on the film surface by impact.

Цисман ионлаштирилган о^имлардан сапфир тагликларида устирилаёган кремний пардалари ва эпитаксиал ^атламларкни шакллантирши

Ашуров Х.Б. • Кис^ача -маэмуни

Ишда цисман конлаштирилган ва нейтрал иршлардан устирилаетган сапфирдаги кремний пардалари ва эпитаксиал цатламларининг шаклланиш хараёнларини тандослаб урганиш натижалари келтирилган.

Турли устириш шароитларида олинган сапфирдаги кремний эпитаксиал цатламларидаги заряд ташувчиларнинг Холл харакатчанлиги улчанган. Холл харакатчанлигининг усиш"- .з^арорати, ионлар энергияси ва о^имнинг ионлашиш даражасига богли^лик графиклари ^урилган. О^имнинг 5 фоизини ионлаштириб, >$осил булган ионларни 200эВ энергиягача тезлатиш натижасида эпитаксил ^ароратининг 200 градусга пасайиши курсатилган.

Турли шароитларда оролчаларнинг улчамлари буйича та^симоти ани^ланган. Тажриба натижалари асосида тулиг^ крпланиш кинетикаси тузилган. Кисман ионлаштирияган о^имлардан устиришда тули^; ^опланиш аввал юз бериши топилган.

"Кремний-сапфир" утиш ^атламлари электрон микроскопия ва иккиламчи ион масс-спектрометрияси методлари ердамида урганилган. ^исман конлаштирилган о^имлардан устирилганда утиш ^атламларини ва автолегирланиш даражасини нейтрал 01рщ ва газ ^олатидан устирилган ^атламларга нисбатан мое равишда 2,5-3 ва 10 марта камайиши аникяанган. Бу х,ол сапфир тагликлари сиртинияг аввал ^опланиши ва алюминий атомларининг чициши тусилиши билан тушунтирилган.

Ионлаштилирган о^им таъсирида сапфирдаги кремний пардалари зичликларининг узгариши топилган. Пардалар зичлигининг ионлар энергиясига богланиши графита тикланган. Бу богланиш номонотон характерга эга ва ионлар энергияси 200 эВ булганда максимумга эришади. Пардалар ' зичлигининг узгаришини еритиб берувчи, вакансияларнинг пардалар сиртига уриб чикариш тахшгаига асосланган мбдел таклиф к^линган.