Исследование процессов роста гетерокомпозиций Si1-x Ge x /Si(100) из сублимирующего источника Si и молекулярного потока GeH4 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Р О С/С И Й С К А Я АКАДЕМИЯ 11 А У К ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУР

МИНИСТЕРСТВО ПО ОБЩЕМУ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОМУ

ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НИЖЕГОРОДСКИЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ НИЖЕГОРОДСКОГО ГОСУД АРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМ. Н. И. ЛОБАЧЕВСКОГО

На правах рукописи

Потапов Александр Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РОСТА ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ БЬ.хОе^СЮО) ИЗ СУБЛИМИРУЮЩЕГО ИСТОЧНИКА И МОЛЕКУЛЯРНОГО ПОТОКА веНд

01.04.07 - Физика твердого тела Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д. ф.-м. н. Л. К. Орлов

Нижний Новгород - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................................................................................................................4

Глава 1. Проблема гетероэпитаксии релаксированных Si-Ge слоев

на Si и Ge (современное состояние)............................................................................................................................13

§ 1.1. Введение....................................................................................................................................................................................................13

§ 1.2. Рост слоев Si, Ge и твердых растворов Sii_xGex из газовой фазы............15

§1.3. Поверхностные процессы в гидридной эпитаксии

германия и кремния..................................................................................................................................................................................22

§ 1.4. Моделирование кинетики роста слоев Si¡.xGex

в гидридной технологии....................................................................................................................................................................26

§ 1.5. Режимы роста Ge и Si пленок при гомо- и гетероэпитаксии..........................31

§ 1.6; Упругие напряжения и дефектообразование в гетеросистемах

на основе Ge и Si............................................................................................................................................................................................36

Глава 2. Стационарная кинетика роста слоев Si].xGex из атомарного

потока Si и молекулярного потока GeH4................................................................................................................43

§ 2.1. Введение....................................................................................................................................................................................................43

§ 2.2. Общая характеристика зависимостей состава и скорости роста

слоев от основных технологических параметров..................................................................................46

§ 2.3. Модель кинетики роста Si-Ge слоев в методе Si-GeKU-Mro........................53

§ 2.4. Определение параметров модели..................................................................................................................56

§ 2.5. Стационарная кинетика роста............................................................................................................................61

§ 2.6. Основные результаты..........................................................................................................................................................68

Глава 3. Нестационарные процессы роста Si-Ge гетерокомпозиций,

растущих из атомарного потока Si и молекулярного потока GetU......................70

§3.1. Введение.........................................................................................................................................................................70

§ 3.2. Переходные процессы на поверхности роста и распределение С1е на гетеропереходе 8н.хС1сх/8и растущего из сублимирующего источника

Si и молекулярного потока GeH4................................................................. 72

§ 3.3. Островковый рост и самоорганизация при зарождении пленки Ge, растущей из GeH4............................................................................................ ВО

§ 3.4. Основные результаты.......................................................:..................... 91

Глава 4. Структурные свойства релаксированных Si-Ge слоев, выращенных из атомарного потока Si и молекулярного потока GeH4 на подложках Si(100)........................................................................................ 94

§4.1. Введение.................................................................................................. 94

§ 4.2. Реальная структура слоев Sii-xGex и сверхрешеток [Sii.xGex/Ge], выращенных на Si(100), и распределение Ge в них..................................... 96

§ 4.3. Остаточные упругие деформации в слоях Sij.xGex и

сверхрешетках [Sii_xGex/Ge], выращенных на Si(100).................................. 102

§ 4.4. Закономерности и механизмы дефектообразования в гетероструктурах Sii-xGex/Si(100)................................................................ 106

§ 4.5. Основные результаты..................................................................................................114

Заключение................................................................................................................................................................................................................115

Литература..................................................................................................................................................................................................................117

Приложения........................................................................................................133

Приложение 1. Определение плотности потока атомов кремния, получаемого путем сублимации..................................................................... 133

Приложение 2. Программа численного моделирования кинетики роста слоев Sii_xGex из атомарных потоков Si и Ge

из молекулярных потоков SÍH4, GeH4, SÍ2H6 и ОегНб................................ 137

Введение

Актуальность. Использование твердых растворов Sii.xGex позволяет существенно расширить функциональные возможности и области применения традиционной кремниевой электроники. Псевдоморфные гетероструктуры на основе кремния, германия и их твердых растворов уже нашли широкое применение в самых разнообразных устройствах микро-, опто- и СВЧ-электроники. Дальнейшее продвижение кремний-германиевых гетероструктур в массовое производство полупроводниковых приборов зависит, помимо развития физических принципов работы приборов на гетеропереходах, также от успешной разработки технологии роста и поиска условий получения сложных, в том числе релаксированных, Si-Ge гетерокомпозиций на кремниевых подложках.

Первые основополагающие работы по выращиванию напряженных Si-Ge гетероструктур были выполнены с использованием техники молекуляр-но-пучковой эпитаксии (МПЭ) еще в 1977 году [1]. Отдавая должное этому методу, нельзя не отметить возникающие при его использовании трудности получения стабильного и интенсивного потока атомарного Ge, связанные с низкими температурой плавления и давлением насыщенных паров этого элемента. Сложность, дороговизна и низкая производительность оборудования для МПЭ делают этот метод малопривлекательным для промышленного производства. Эти обстоятельства подвигнули большое число исследователей на поиск альтернативных путей развития Si-Ge технологии.

В последнее десятилетие интенсивно развиваются газофазные методы эпитаксии, использующие гидриды Ge и Si при пониженных давлениях в реакторе [2]. Использование низких давлений в гидридной технологии позволяет улучшить однородность пленок по площади и дает возможность формирования более резких гетеропереходов, что особенно важно при создании структур на-нометрового масштаба. Сравнительно небольшие скорости роста (менее 2

нм/мин), характерные для этой технологии, облегчают контроль толщины выращиваемых слоев, но вместе с тем создают определенные неудобства при эпи-таксии структур с микронными размерами. Особенно остро этот недостаток проявляется при низкотемпературной эпитаксии. Для увеличения скорости роста применяются различные способы ускорения химических процессов на поверхности роста и в объеме реактора, что, в свою очередь, приводит к усложнению технологического оборудования и эпитаксиального процесса.

Наличие значительного рассогласования постоянных решеток германия и кремния приводит к возникновению напряжений несоответствия в гетеро-структурах, выращенных на основе этих материалов. Долгое время эта проблема казалась неразрешимой и лишь в середине 70-х годов была высказана идея получения псевдоморфных Si-Ge слоев с толщинами, не превышающими некоторое критическое значение [3,4]. Такие слои впоследствии нашли применение в быстродействующих гетеробиполярных транзисторах и других устройствах твердотельной электроники. Однако для ряда приложений требуются структуры с гораздо большими толщинами, чем критические. В этой связи активно ведутся работы по изучению дефектообразования в релаксированных гетероси-стемах [5]. Как показали проведенные за последние годы исследования, закономерности формирования дислокационной структуры зависят не только от состава, толщины и температуры роста слоев, но во многом определяются технологией выращивания гетерокомпозиций [6].

В свете вышесказанного в настоящее время актуальна задача поиска и разработки технологии выращивания Si-Ge слоев на Si, которая позволила бы обойти отмеченные недостатки МПЭ и гидридной эпитаксии при пониженном давлении. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы может стать сочетание техники молекулярно-пучковой эпитаксии кремния и гидридной эпитаксии германия при пониженном давлении (Si-GeH4-Mn3). Впервые такой способ получения Si-Ge гетерокомпозиций был использован японскими _

исследователями в 1991 году (см. работу [7] и ссылки в ней). Одновременно независимо от авторов работы [7] в НИФТИ МИГУ начал развиваться вариант метода Si-GeH4-Mn3, в котором, в отличие от [7], был использован сублимирующий источник паров Si [8]. Ожидалось, что использование атомарного потока Si позволит ослабить температурную зависимость скорости роста Si-Ge пленок, а применение газообразного источника Ge устранит проблему получения стабильного атомарного потока этого вещества из жидкой фазы. Более того, применение сублимирующего источника паров Si позволяло просто решить проблему легирования Si-Ge слоев, для чего достаточно выбрать источник с требуемыми типом и концентрацией примеси. Дополнительным преимуществом метода [8] является возможность использования более высоких дав-

i

лений гидрида (до 10" тор), недостижимых в варианте [7].

Цель данной работы состояла в разработке физико-химических основ комбинированного метода Si-GeH4-Mri3 и выращивании данным методом ре-лаксированных Si-Ge гетерокомпозиций на подложках Si(100). Достижение указанной цели потребовало:

1. детального экспериментального изучения закономерностей роста слоев Sii.xGex в зависимости от основных технологических параметров эпитаксиального процесса;

2. проведения теоретического анализа элементарных физико-химических процессов, протекающих на поверхности роста и в объеме реактора и установления их взаимосвязи с наблюдаемыми зависимостями состава и скорости роста Si-Ge слоев от условий их получения;

3. исследования структурных характеристик выращенных гетерокомпозиций и поиска условий для получения релаксированных Si-Ge/Si(100) гетероструктур с низкой концентрацией дислокаций несоответствия в них.

Научная новизна. Физико-химические основы кинетики роста Si-Ge слоев из сублимирующего источника паров Si и молекулярного потока GeH4 разработаны нами впервые. Проведенный анализ позволил с новых позиций объяснить наблюдаемые экспериментальные зависимости состава и скорости роста слоев Sit.xGex от условий их получения и выявить ряд ранее неизвестных особенностей изучаемого метода роста.

1. Впервые в методе Si-GeH4-]Vffl3 с сублимирующим источником Si обнаружена немонотонная зависимость скорости роста Si-Ge слоев от давления GeH4 при постоянных температуре подложки и плотности атомарного потока Si.

2. Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена важная роль в ростовом процессе атомарного потока Ge, образующегося за счет распада молекул GeH4 на нагретом источнике паров Si.

3. Впервые определена эффективная кинетическая константа скорости реакции полного распада молекул GeH3 на поверхности роста в методе Si-GeH4-Mn3.

4. Впервые установлена связь между скоростью распада адсорбированных гидридов Ge и резкостью гетерограниц Sii-xGex/Si, формируемых методом Si-GeH4-Mn3.

5. Теоретически найдены условия, при которых пространственно однородное распределение адсорбированных атомов Ge и молекул GeH3 распадается вследствие кинетической неустойчивости процесса пиролиза, приводя на начальных стадиях роста к образованию объемных зародышей.

6. Проведен комплексный анализ свойств реальной структуры релакси-рованных Si-Ge/Si( 100) гетерокомпозиций, выращенных методом Si-CieH4-Mn3. '

Практическая ценность.

1. Разработанная для метода Si-GeH4-Mn3 модель кинетики роста позволяет определить значения технологических параметров для получения слоев Sii-xGex с наперед заданными составом и толщиной.

2. Для метода Si-GeH4-Mn3 развита методика экспресс-оценки минимальной толщины переходной области на гетерогранице Sii_xGex/Sii-yGey.

3. Релаксированные слои твердого раствора Sii.xGex с х = 0,15 0,2 могут быть использованы в качестве буферного слоя для выращивания на подложках Si(100) разнообразных напряженных Si-Ge гетероком-позиций с толщинами, превышающими критические значения.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Зависимость скорости роста Si-Ge слоев от давления GeH4 в методе Si-GeH4-Mn3 имеет минимум. Причина появления минимума - наличие в данном методе роста двух механизмов массопереноса Ge.

2. Эффективная частота полного распада молекул GeH3 на поверхности слоя Si].xGex, растущего из сублимирующего источника паров Si и молекулярного потока GeH4, при температурах роста 600 -ь 850 °С определяется выражением v = 2хехр(-0,47(эВ)/£7) с"1.

3. При росте гетероструктуры Si].xGex/Si методом Si-GeH4-Mn3, когда вклад атомарного потока Ge в массоперенос этого вещества незначителен, даже при быстрой (мгновенной) откачке GeH4 в окрестности границы вследствие конечной скорости распада поверхностных гидридов Ge образуется переходная область, толщина котор®й уменьшается с увеличением давления GeH4, уменьшением потока атомарного Si и температуры подложки.

4. Плотность наклонных дислокаций в релаксированных слоях Si|_xGex, выращенных из атомарного потока Si и молекулярного потока GeH4 при постоянной температуре подложки Si(100), не превы-

S 2

шает 3x10" см" при Jt < 0,2, а в области составов х = 0,15 0;2 -3x104 см"2. Указанные слои могут быть использованы в качестве эффективного буфера для выращивания более сложных гетерокомпози-ций, в том числе сверхрешеток.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Объем диссертации составляет 155 страниц машинописного текста, включая приложения, 52 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 236 наименований.

Содержание работы. В первой главе сделан литературный обзор современного состояния проблемы роста кремний-германиевых гетерокомпозиций на кремниевых подложках. Рассмотрены различные варианты гидридной эпи-таксии, которые широко используются в мировой практике для выращивания Si-Ge структур. Основное внимание уделено методам роста при пониженных давлениях исходных реагентов. Обсуждены основные закономерности роста, элементарные физико-химические процессы распада гидридов Ge и Si в объеме реактора и на поверхности растущей пленки, проблемы низкотемпературной эпитаксии, а также легирование слоев донорными и акцепторными примесями. Затронуты вопросы дефектообразования и релаксации упругих напряжений в гетерокомпозициях, обсуждены предлагаемые в литературе способы уменьшения влияния кремниевой подложки на эпитаксиальные слои, рассмотрены режимы роста пленок и самоорганизация островков на начальных стадиях роста.

Во второй главе впервые изложена оригинальная интерпретация экспериментальных зависимостей состава и скорости роста слоев твердого раствора SÍ!-xGex от основных технологических параметров: парциального давления GeH4, плотности потока атомарного кремния и температуры подложки. Анализ

этих зависимостей привел к выводу о том, что в рассматриваемом методе роста существуют два механизма массопереноса Се. Первый механизм связан доставкой атомов Ое на поверхность растущего слоя в виде молекул ОеЬЦ. Появление второго механизма массопереноса связано с пиролизом моногермана на поверхности сублимирующего кремниевого бруска (источника паров 81). Образующиеся атомы Ое также сублимируют и попадают на подложку.

Для обсуждаемого метода роста разработана физико-химическая модель кинетики роста слоев 81ьхОех. При этом было использовано приближение эффективной частоты полного распада поверхностных молекул ОеНз, что позволило свести число неизвестных кинетических констант до одной. Сопоставление теории и эксперимента впервые позволило оценить эффективную частоту распада молекул ОеНз на поверхности роста. Численное моделирование стационарной кинетики ростового процесса подтвердило наличие двух механизмов массопереноса германия и позволило объяснить наблюдаемые закономерности.

Проведенное в третьей главе теоретическое исследование нестационарной кинетики роста выявило существенную роль скорости распада молекул ОеНз на концентрационные профили гетеропереходов 8м.хОех/81. Конечная скорость распада этих молекул приводит к тому, что атомы ве продолжают встраиваться в растущий слой даже после полного удаления веЩ из камеры роста (источником являются адсорбированные молекулы ОеНз). Моделирование показало, что в ряде случаев концентрационные "хвосты" германия могут распространяться на расстояние до 10 нм. Проведенный анализ нестационарных процессов позволил выявить связь толщины переходной области на границе 8и.хОех/81 от условий роста и дать рекомендации по ее мин�