Исследование встраивания и десорбции сурьмы в процессе легирования при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

' Од

2 4 ОЦ]- ,Г1 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

на правах рукописи УДК 539.234:621.315.592.2:546.28

Никифоров Александр Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВСТРАИВАНИЯ И ДЕСОРБЦИИ СУРЬМЫ В ПРОЦЕССЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ КРЕМНИЯ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 19?4

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук

Научные руководители: кандидат технических наук

Б.З.Кантер.

кандидат физико-математических наук 0.П.Пчеляков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В. Н. Шумский,

кандидат физико-математических наук А. А. Величко

Ведущая организация: Институт проблем технологии микроэлектроники

и особочистых материалов РАН, Черноголовка

Защита диссертации состоится "_^__ _1994 г- в 15 часов на заседании специализированного Совета К 003.05.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте физики . полупроводников Сибирского отделения РАН (630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФП СО РАН (проспект академика Лаврентьева, 13)

Автореферат разослан "1994 г-

Ученый секретарь специализированного Совета доктор физ.-мат. наук профессор

А.В.Двуреченскнй

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния представляет научный и практический интерес благодаря возможности получения тонких многослойных структур со строго контролируемым составом и высоким градиентом изменения концентрации примеси. Подобные объекты являются основой для создания и исследования структур с пониженной размерностью, а также изготовления приборных элементов современных микро-и оптоэлектроных устройств.

Одной из важнейших проблем МЛЭ считается получение легированных слоев Исследования, направленные на изучение закономерностей встраивания легирующей примеси в растущий кристалл, важны не только с прикладной точки зрения, но и позволяют получить новые данные о природе взаимодействия примесных атомов с поверхностью кремния, лучше понять механизм роста кристалла и влияние структуры поверхности на протекающие на ней процессы. Концентрация примеси в объеме растущей пленки определяется плотностью атомов на поверхности кристалла, температурой и высотой активационных барьеров на границе раздела объем-вакуум. Поэтому скорость встраивания примеси в эпитаксиальную пленку, как правило, недостаточна для ее полного вхождения в объем и зависит от температуры роста. Зачастую, встраивание примеси сопровождается десорбцией ее с поверхности, в связи с этим представляется важным изучение закономерностей десорбции примеси с поверхности из различных состояний. Их анализ позволит определить параметры, характеризующие взаимодействие примесных атомов на поверхности кристалла.

В качестве легирующей примеси была выбрана сурьма. В ее поведении на поверхности кремния во время роста полностью проявляются все упомянутые выше особенности: высокая скорость десорбции и низкая скорость встраивания. В результате на поверхности роста формируется поверхностное покрытие БЪ, которое приводит к сильному искажению требуемого профиля легирования. Для описания процесса легирования во всем диапазоне температур, применяемом при МЛЭ-ЗЬ необходимо учитывать оба эти явления. Однако в настоящее время недостаточно данных по процессу встраивания и отсутствуют характеристики десорбии» $Ь с растущей поверхности 31.

Особенно сильно накопление БЬ на поверхности сказывается в

процессе формирования сильнолегированных областей с б-образным профилем распределения примеси. Устранить влияние сегрегации позволяет введение этапа низкотемпературного осаждения слоя кремния, толщиной в несколько нанометров. Его использование предопределило проявление новых явлений, влияющих на распределение примеси в б-слое и их свойства.

Цель настоящей диссертационной работы заключалась в экспериментальном исследовании встраивания сурьмы и ее десорбции с поверхности кремния из различных состояний при легировании в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии кремния.

.Основные задачи работа включают в себя:

1. Исследование структуры поверхности кремния методом ДБЭ при различных покрытиях сурьмы и влияния на нее потока кремния.

2. Экспериментальное определение коэффициентов встраивания и десорбции сурьмы при легировании в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии кремния для построения кинетической модели, описывающей легирование сурьмой в широком диапазоне температур роста.

3. Исследование формирования сильнолегированных б-слоев Sb с резкими концентрационными переходами.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Установлена область существования примесных двумерных фаз сурьмы на поверхности Si(111) в стационарных условиях при непрерывном потоке Sb на поверхность подложки, который необходим для поддержания постоянной поверхностной концентрации сурьмы и компенсации десорбции примеси с поверхности кремния.

2. Экспериментально измерены температурные зависимости коэффициента десорбции Sb с поверхности Si С ill) для различных двумерных примесных фаз. Установлено, что двумерная фаза, существующая при большем поверхностном покрытии, имеет меньшую энергию активации десорбции и, следовательно, слабее связана с поверхностью кремния.

3. Оценена энергия латерального взаимодействия адсорбированных атомов Sb на поверхности Sl(lll) для различных двумерных фаз. Латеральное взаимодействие уменьшает энергию активации десорбции из-за взаимного отталкивания молекул сурьмы и приводит к формиро-

ванию двумерных упорядоченных фаз.

4. Определен коэффициент десорбции БЬ в процессе роста легированных слоев и получена его температурная зависимость. Установлено. что десорбция сурьмы не зависит от ориентации поверхности кремния в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии.

5. Экспериментально определена, непосредственно из профиля легирования, температурная зависимость коэффициента встраивания сурьмы при низкотемпературной МЛЭ-Б1 (300*600°С). Это позволило получить температурную зависимость сегрегационного отношения и определить энтальпию сегрегации.

6. Предложена кинетическая модель встраивания БЬ при МЛЭ-Б1. Для определения поверхностной и объемной концентрации БЬ, а также ширины переходной концентрационной области введен коэффициент, определяющий скорость изменения поверхностной концентрации и имеющий немонотонную температурную зависимость. Такая немонотонность обусловлена конкуренцией двух процессов: встраивания . БЬ в растущую пленку и десорбции ее с поверхности.

7. Показано существование конечной толщины эпитаксиального слоя кремния на поверхности Б1(100) при низких температурах осаждения, выше которой происходит срыв эпитаксии.

8. Показано, что основная часть примеси при б-легировании занимает область толщиной, сравнимой с постоянной решетки, а ширина переходной концентрационной области определяется повышенной скоростью диффузии сурьмы в кремнии, обусловленной близостью поверхности к сильнолегированному 6-слою.

Практическая ценность.

Разработан комплекс аппаратуры и методика проведения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии кремния с контролем параметров, структуры поверхности и характеристик эпитаксиальных структур.

Определены закономерности легирования сурьмой в процессе МЛЭ-Б1. Они учитывают особенности встраивания и десорбции примеси и могут быть применены в широком диапазоне температур роста. Полученные данные могут быть использованы при создании эпитаксиальных структур с различным уровнем легирования. Найдены условия полного встраивания БЬ в эпитаксиальную пленку кремния.

Разработана технология получения структур кремния, содержащих сильнолегированный 5-слой сурьмы, и сверхрешетки на их основе. Оп-

ределенв толщина б-слоя и условия дефектообразования. Подобные структуры могут служить основой для создания приборов микро- и оп-тоэлектроники с уникальными характеристиками, таких как полевой транзистор с 5-легированным каналом, транзистор с проницаемой базой. n-1-p-i сверхрешетоки, фотоприемник инфракрасного излучения.

Получены данные о десорбции атомов Sb с поверхности кремния из различных состояний: в условиях существования различных двумерных фаз и в условиях падающего потока S1, т.е. непосредственно в процессе синтеза полупроводниковых структур.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований областей существования примесных двумерных фаз сурьмы на поверхности Si(111).

2. Результаты экспериментальных исследований закономерностей десорбции Sb с поверхности Sl(lll) для различных двумерных примесных фаз и в процессе роста легированных слоев кремния методом МЛЭ.

3. Экспериментальные результаты по определению коэффициентов встраивания сурьмы при низкотемпературной МЛЭ-Si (300600° С).

4. Кинетическая модель легирования Sb в процессе МЛЭ-Si, в которой используются экспериментально полученные коэффициенты встраивания и десорбции.

'5. Результаты экспериментальных исследований распределения примеси в сложных эпитаксиальных структурах, содержащих б-слои Sb, полученных методом МЛЭ-Si.

Апробация работы:

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: 5 Международной летней школе по росту кристаллов (Болгария, Варна, 1985), 7 конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1986). Симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (ГДР, фракфурт/одер. 1937), 5 Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1988), 7 Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), 6 Международной летней школе по росту кристаллов (Болгария. Варна, 1988), Всесоюзной конференции "Поверхность-89" (Черноголовка, 1989). 3 Международном симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (Болгария, Велико Тырново. 1989), Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград. 1989),

Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (ГДР, Берлин, 1990), 1 Международной конференции по эпитаксиальному росту (Будапешт. Венгрия, 1990), 6 Европейской конференции по молеку-лярно-лучевой эпитаксии и соответсвующим методам роста (Тампере, Финляндия, 1991), Конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992).

Публикации: Основные материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Она содержит 129 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 3 таблицы и список литературы, состоящий из 83 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приведены основные положения,- выносимые на защиту, излагается научная новизна и практическая ценность работы, дано краткое содержание выполненного исследования.

В первой главе представлен обзор литературы по исследуемым вопросам. Приведены существующие экспериментальные данные, касаю-, щиеся десорбции БЬ с поверхности кремния в различных состояниях и ее встраиванию в растущую эпитаксиальную пленку Б!. Сделан анализ различных моделей встраивания и сегрегации в процессе легирования при МЛЭ-Б!. Рассмотрен процесс формирования сильнолегированных б-слоев БЬ со сверхрезкими концентрационными переходами.

Сурьма является наиболее распространенной донорной примесью для получения пленок кремния п-типа методом МЛЭ, хотя концентрация ее в эпитаксиальной пленке во многом определяется и сильно зависит от температуры роста. Несмотря на положительные результаты по увеличению эффективности встраивания сурьмы различными методами, метод легирования путем соиспарения примеси широко используется в МЛЭ-31, и поэтому исследования в данной области остаются актуальными .

Из анализа имеющихся результатов по взаимодействию атомов Б: с поверхностью следует, что диаграмма состояний двумерных упо-

рядоченных фаз требует уточнения, так как она получена для постоянно изменяющихся покрытий. Имеется предположение, что десорбция сурьмы из двумерной упорядоченной фазы на поверхности кремния имеет свои особенности. Однако, на настоящий момент отсутствуют данные о закономерностях десорбции сурьмы из поверхностной двумерной фазы и с поверхности растущего эпитаксиального слоя кремния. Последнее особенно важно при учете десорбции в процессе легировании при МЛЭ-Si.

В литературе представлено несколько моделей для описания легирования с учетом встраивания и десорбции примеси'. Часть их предполагает только описание кинетики процесса, другие включают в рассмотрение и термодинамические параметры системы. Сделаны попытки рассмотрения процесса встраивания на атомарном уровне. Но все они, как правило, не применимы в широком интервале температур роста. Особенно это касается низкотемпературного режима МЛЭ-Si (300*600°С), который в последнее время интенсивно исследуется. Это вызвано отсутствием данных о закономерностях встраивания в этой области, а также применением для описания встраивания характеристик, полученных косвенным образом в стационарных условиях высокотемпературного легирования.

Сурьма широко применяется при создании сильнолегированных б-слоев в кремнии. Из-за склонности сурьмы к сегрегации в процессе формирования 5-слоя используется этап низкотемпературного осаждения кремния с его последующей кристаллизацией . Однако, существующие литературные данные не дают полной информации о распределении Sb как непосредственно в б-слое, так и в последующих слоях кремния. Показано существование приповерхностной ускоренной диффузии Sb, когда сильнолегированный слой находится на глубине в несколько нанометров от поверхности, но нет конкретных данных о ее влиянии на параметры б-слоя. Особенно это касается ориентации (Ш). Отсутствуют данные о кристаллической структуре тонких слоев кремния при низкотемпературном осаждении, используемых в процессе формирования б-слоев.

На основе проделанного обзора производится постановка основных задач диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки МЛЭ-SI и методики проведения процесса молекулярно-лучевой зпи-таксии кремния с контролем параметров осаждения, структуры поверх-

ности и характеристик эпитаксиальных слоев. Основное внимание уделено важнейшим ее узлам: электронно-лучевому испарителю (ЭЛИ) и электронной пушке с оксидным катодом косвенного накала, применяемой в системе ДБЭ. Применяемый ЭЛИ имеет магнитную фокусировку с поворотом электронного луча на 270°. Емкость тигля - 125 см3, диаметр мишени 60 мм. Максимальная скорость роста составляет около 10 мкм/час, а неравномерность пленки по толщине менее 5% при расстоянии до подложки 300мм. В качестве малогабаритной электронной пушки была использована унифицированная электронная пушка с плоским оксидным катодом косвенного накала. Габариты пушки позволяют вводить ее в любом положении в ростовую камеру через отверстие 50 мм вместе с высоковольтным вводом и устройством регулировки положения и углов наклона.

Описаны основные процедуры получения атомарно-чистой поверхности, особенности роста легированных и нелегированных слоев кремния. В качестве подложек использовались промышленные пластины кремния диаметром 60 мм ориентации (111) и (100). Тип проводимости. уровень легирования подложки и разориентация от базовой плоскости выбирались в зависимости от целей и задач в каждом конкретном случае. Очистка поверхности подложки перед ростом эпитаксиаль-ной пленки проводилась при 800°С в течение 2 мин в потоке кремния для ускорения процесса десорбции защитного тонкого окисла, созданного в результате химической обработки. Потоки легирующей примеси и кремния контролировались с помощью кварцевого измерителя толщины и масс-спектрометра.

Третья глава посвящена изучению структуры поверхности S1 при напылении сурьмы и исследованию процесса десорбции для двумерных примесных фаз на поверхности Si(111).

Методом ДБЭ показано, что при субмонослойных покрытиях Sb образует примесные двумерные фазы SI(111)-5/3x5/3:Sb и SI (111)-1/3x1/3: Sb. далее обозначаемые 5/3: Sb и /3:Sb. Концентрация Sb на поверхности S1. необходимая для формирования двумерных упорядоченных фаз, может поддерживаться либо неограниченное время постоянным потоком примеси на поверхность, компенсирующим десорби-рующийся поток, либо в течение ограниченного времени - при десорбции предварительно нанесенного адсорбата. В соответствии с этим примесные двумерные фазы на поверхности кремния наблюдаются е двух режимах получения необходимой концентрации сурьмы.

В первом случае на поверхность Si(lll) направлялся поток Sb интенсивностью от 1011 до Ю13 см"гс~! при температуре подложки в диапазоне от 600°С до 800°С . Через некоторое время можно было наблюдать переход сверхструктуры Sl(ill)-7x7 в упорядоченную фазу 5(/3:Sb, либо, при больших потоках, в фазу (/3:Sb. В результате была установлена область существования двумерных фаз в условиях динамического равновесия между потоком Sb, падающим на поверхность и потоком, десорбирующимся с нее. Анализ состава поверхности образцов, на которых была сформирована примесная двумерная фаза t/3:Sb и 5/3:Sb, с помощью Оже-спектрометра, показал, что содержание Sb для них составляет 0.12 и 0,02 монослоя соответственно.

Двумерные упорядоченные фазы на поверхности Si(111) наблюдаются также в процессе изотермического отжига пленки Sb, напыленной на поверхность подложки при низкой температуре. Начальное покрытие составляло 0.5+2 монослоя Sb. После быстрого повышения температуры кристалла до температуры отжига на поверхности формируется фаза /3:Sb, которая через определенное время переходит в фазу 5[/3:Sb, а последняя - в 7x7. В предположении, что изменение структуры поверхности происходит из-за уменьшения поверхностного покрытия вследствие десорбции, были определены закономерности десорбции Sb с поверхности Si (Ш) в условиях существования двумерных примесных фаз. Температурная зависимость коэффициента десорбции описывается уравнением ка=к,10ехр(-Еа/кТ) с энергией активации 1.8+0.15 эВ и предэкпоненциальным множителем равным (11±2)х106 с"1 для фазы /3: Sb. Для фазы 5^/3: Sb Ed=2. l±0.15 эВ, а k<j0 = (3±2)хЮ8 с"1. Вычисленные с помощью полученных зависимостей равновесные покрытия хорошо согласуются с величинами, измеренными методом Оже-электронной спектроскопии для соответствующей двумерной фазы.

Была сделана оценка энергии латерального взаимодействия адсорбированных атомов Sb на поверхности Si(ill) из сравнения полученных энергий активации десорбции из двумерных фаз со значением Ed для неупорядоченного покрытия, взятого из литературы. Энергия латерального взаимодействия приводит к отталкиванию адатомов примеси с образованием двумерной фазы и составляет 0. 75 зВ для фазы /3:Sb и 0,45 зВ для фазы 5/3:Sb.

В четвертой главе рассмотрен процесс легирования сурьмой при МЛЭ-Si на основе кинетической модели, учитывающей встраивание и десорбцию примеси. Отличительной особенностью предлагаемой модели

является использование коэффициента всраивания примеси в растущий кристалл, определенного как отношение объемной концентрации примеси к поверхностной и имеющего размерность см"1. Кроме того, для описания скорости изменения поверхностной концентрации использован коэффициент, учитывающий как десорбцию примеси с поверхности в вакуум, так и встраивание ее в объем. В связи с этим он имеет немонотонную температурную зависимость и наглядно отражает изменение ширины переходной коцентрационной области при резком изменении потока легирующей примеси. Для сурьмы в кремнии они имеют максимальное значение в районе 600+700°С и уменьшаются с увеличением или уменьшением температуры роста.

Для адекватного применения кинетической модели легирования необходимо знание коэффициентов десорбции и встраивания примеси. Коэффициент встраивания сурьмы был определен из профиля распределения концентрации примеси по глубине как толщина, на которой концентрация уменьшается в е раз при прерывании потока Sb. Этот подход справедлив в соответствии с предложенной моделью. Эпитаксиаль-ные структуры для этого выращивались в низкотемпературном режиме (300-600°С), когда десорбцию Sb с поверхности S1 можно не учитывать. Температурная зависимость коэффициента встраивания описывается выражением к^к^ехр^/кТ) с энергией активации 0.65±0.15 эВ и предэкспоненциальным множителем равным 11±2 см"1 для Si(111) и (10±2)х10"1 см'1 для Sl(lOO).

Для определения кд были проведены опыты по легированию при высоких температурах роста (700-900°С), когда количество встроенной примеси во многом определяется десорбцией. В этих условиях стационарный уровень легирования определяется потоком примеси на поверхность роста и отношением коэффициентов встраивания и десорбции. Стационарный уровень легирования был определен из профиля распределения носителей заряда, полученного C-V методом, а коэффициент встраивания - экстраполяцией его температурной зависимости в высокотемпературную область. Полученный таким способом коэффициент десорбции характеризует десорбцию сурьмы с поверхности кремния именно в процессе роста легированной эпитаксиальной пленки. Его температурная зависимость описывается уравнением kd=kdoexp(Ed/kT) с ;-нергией активации 2.3±0.2 эВ и предэкспоненциальным множителем ра-ным (8±2)•1010 с*1 для S1(111) и Si(100).

После определения закономерностей десорбции и встраивания бы-

ли рассчитаны характеристики процесса легирования сурьмой при МЛЭ-Si и, в том числе, профили легирования в эпитаксиальных структурах.

Для описания процесса встраивания примеси час.то используется понятие сегрегационного отношения, равного отношению концентраций примеси на поверхности и в объеме кристалла. Исходя из определения понятия коэффициента встраивания была получена температурная зависимость сегрегационного отношения для сурьмы на поверхности Si(111) и SI(100) и энтальпия сегрегации, которая численно равна энергии активации встраивания.

В пятой главе рассмотрен процесс формирования б-легированных слоев сурьмы с высокой концентрацией примеси методом МЛЭ-Si. Расчеты. выполненные в соответствии с моделью легирования, применяемой в работе, показали . что для создания сверхрезкого профиля легирования необходимо проводить эпитаксиальный рост кремния при температурах подложки на уровне 150*200°С. Поэтому, возникает необходимость включить в процесс роста б-слоя этап низкотемпературного осаждения тонкого слоя кремния (2 нм) с его последующей кристаллизацией - этап твердо-фазной эпитаксии (ТФЭ). После него проводился эпитаксиальный рост Si требуемой толщины при обычных температурах. Таким способом были получены эпитаксиальные структуры с 5-слоями, легированными сурьмой, и сверхрешетки на их основе методом МЛЭ на поверхностях Si(lll) и Si(100). Слоевая концентрация сурьмы NSb изменялась от 1012 до 1015 см"2, период в сверхрешетках варьировался от 5 до 50 нм.

Анализ кристалической структуры образцов с б-слоями Sb проводился с помощью ЛБЭ in situ, методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) поперечного среза и Резерфордовского обратного рассеяния (POP). Все они свидетельствуют о высоком кристаллическом совершенстве эпитаксиальных структур. Электронно-микроскопический анализ сверхрешеток при различных' дифракционных условиях позволяет утверждать, что контраст от б-слоев связан как с различием структурных факторов Sb и Si, так и с упругими искажениями кристаллической решетки в области б-слоя. Изображения дельта-слоев имеют одинаковый контраст, параллельны между собой и сохраняют заданный период, что.свидетельствует об отсутствии влияния роста предыдущего б-схоя на формирование последующего. Примесь распределена равномерно по всему б-слою. образование кластеров Sb не наблюдается.

Было обнаружено, что напыление кремния на поверхность Si(100) при низкой температуре сопровождается ростом кристаллического слоя толщиной примерно 20 нм с последующим срывом эпитаксии. В этом эпитаксиальном слое, по данным ПЗМ. отсутствую кристаллические дефекты, а граница раздела между кристаллической и аморфной фазами имеет шероховатость, обусловленную трехмерным механизмом ростом. В случае ориентации (111) подобной кристаллической области не наблюдается. Использование данный по определению конечной толщины эпи-таксиального роста при низкой температуре подложки представляет большой интерес для получения высоколегированных слоев кремния.

При анализе распределения сурьмы в эпитаксиальных структурах, содержащих б-слои, основное внимание уделено определению толщины б-слоя и распределению примеси вблизи него. Минимальное значение ширины профиля распределения носителей на полувысоте, полученное C-V методом, составляет 0.5 нм и указывает на то. что носители заряда локализованы в слое шириной не более 0.5 нм. следовательно, основная часть атомов примеси расположена в пределах одной атомной плоскости. Концентрация примеси в эпитаксиальном кремнии, выращенном непосредственно над б-слоем, составляет примерно 1015 см"3, и спадает от максимального значения до указанного уровня с градиентом концентрации примеси около одного порядка величины на 1 нм толщины слоя.

Перераспределение сурьмы в процессе формирования б-слоя исследовалось методом POP. Существенное влияние на параметры б-слоев оказывает ускоренная приповерхностная диффузия сурьмы с коэффициентом диффузии, превышающим на несколько порядков коэффициент диффузии в объемном кремнии. Она служит причиной перераспределения примеси из сильнолегированной области на поверхность подложки в процессе ТФЭ тонкого слоя кремния. Зависимость толщины б-слоя от температуры роста нелегированной области Si также обусловлена ускоренной диффузией, которая имеет место, когда поверхность роста находится на расстоянии менее 10 нм от сильнолегированной области. Влияние глубины залегания б-слоя от поверхности на ускоренную приповерхностную диффузию было подтверждено методом вторично-ионной масс-спектрометрии. Увеличение глубины залегания от 1 нм до 10 км привело к увеличению концентрации Sb в 5-слое примерно в 5 раз.

ВЫВОДЫ

1. Разработан комплекс аппаратуры и методика проведения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии кремния с контролем параметров, структуры поверхности и характеристик эпитаксиальных структур.

2. Методом ДБЭ показано формирование примесных' двумерных фаз

(111)-5/3x5^3:БЬ и Б1(111)-/Зх1/3:БЬ и установлена область их существования в условиях динамического равновесия между падающим на поверхность и десорбирующим с нее потоками БЬ.

3. Определена закономерность десорбции БЬ с поверхности 31(111) в условиях Существования двумерных примесных фаз. Она описывается уравнением кй=кйоехр(-Еа/кТ) с энергией активации 1.8+0.15 эВ и предэкспоненциальным множителем равным (11±2)х106 с"1 для фазы 1/3: БЬ. Для фазы 51/3: БЬ Еа=2.1±0.15 эВ. а као = (3±2)х108 с"1.

4 Проведена оценка энергии латерального взаимодействия адсорбированных атомов БЬ на поверхности Б1(111), приводящей к формированию двумерных упорядоченных фаз: 0,75 эВ для фазы (/3:БЬ и 0,45 эВ для фазы 5(/3: БЬ.

5. Процесс легирования сурьмой при МЛЭ-Б1 описан на основе кинетической модели, построенной на балансе потока примеси, падающего на поверхность, и потоков, покидающих поверхность: потока десорбции в вакуум и потока встраивания в объем. Получена температурная зависимость сегрегационного отношения и определена энтальпия сегрегации БЬ. Определены условия полного встраивания БЬ в. эпитаксиальную пленку Б1 . когда достигается сегрегационное отношение равное единице.

6. Для определения поверхностной и объемной концентрации БЬ, а также ширины переходной концентрационной области введен коэффициент, определяющий скорость изменения поверхностной концентрации и имеющий немонотонную температурную зависимость. Такая немонотонность обусловлена конкуренцией двух процессов: встраиванием БЬ в растущую пленку и десорбцией ее с поверхности.

7. Определены параметры встраивания БЬ из профиля легирования в условиях низкотемпературной МЛЭ-Б1 (300+600°С). Температурная зависимость коэффициента встраивания описывается уравнением к1=к1оехр(Е1/кТ) с энергией активации 0.65+0.15 эВ и предэкспоненциальным множителем равным 11 см"1 для БНШ) и 1 см"1 для БКЮО).

8. Определены параметры коэффициента десорбции Sb с поверхности роста в процессе легирования при МЛЭ-Si. Его температурная зависимость описывается уравнением к^к^ехр^/кТ) с энергией активации 2.3±0.2 эВ и предэкспоненциальным множителем равным 8-Ю10 с-1 для Si(lll) и Si(lOO).

9. Показано существование критической толщины эпитаксиального слоя кремния, при которой происходит срыв эпитаксии на поверхности S1(100) при низких температурах напыления.

10. Проведено исследование условий формирования л характеристик эпитаксиальных слоев, в которых примесь встроена в виде 5-слоя. Показано, что основная часть Sb 5-слоя расположена в одной атомной плоскости и спадает от максимального значения до уровня 1015 см"3 с градиентом около 1 нм на порядок изменения концентрации примеси.

И. Обнаружено влияние ускоренной приповерхностной диффузии сурьмы в кремнии на толщину 5-слоя в процессе его формирования. Увеличение скорости диффузии обусловлено близостью поверхности к сильнолегированному б-слою.

12. На основе разработанной методики эпитаксии и легирования кремния созданы многослойные структуры и изготовлены экспериментальные лавинно-пролетные диоды, транзисторы .со скрытым 6-легированным каналом, ИК фотоприемники с блокированной проводимостью.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Кантер Б.З., Никифоров А.И., Стенин С.И., Федина Л.И., Журкин Б.Г.. Октябрьский С.Р. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния: оборудование и характеристики пленок. // Abst. of Symp. on МВЕ, Frankfurt/Oder. GDR, 1987, р.17a.

2. Кантер Б.3., Мошегов H. Т.. Никифоров А.И., Стенин С.И., Тийс С. А. Сверхвысоковакуумная установка для молекулярно-лучевой эпитаксии кремния. // ПТЭ, 1988, No.2, с.171-173.

3. Никифоров А.И.. Кантер Б.3., Стенин С. И. Легирование бором из Вг03 при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния. // Тезисы 7 Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Москва, 1988, с. 61-62.

Кантер Б.3., Никифоров А.И., Стенин С.И. Формирование двумерных упорядоченных фаз на поверхности Si (111) при напылении сурьмы

в процессе изотермического отжига. // Письма в КТФ, 1988, т.14. вып. 21, с. 1963-1968.

5. Французов А.А., Сапожникова Н.В.. Кантер Б.З., Никифоров А.И., Стенин С.И. Кремниевый полевой транзистор со скрытым 5-легиро-ванным слоем. // Тезисы докладов 1-ой Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники, Ленинград, сентябрь 1989, с.298-299.

6. Никифоров А.И., Кантер Б.3., Стенин С.И. Получение многослойных кремниевых структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. // Электронная промышленность, 1989, вып.6, с.3-5.

7. Lenkelt К.. Plrrwltz А., Nlklforov А. I., KanterB.Z., Stenln S.I. and Popov V.P. Investigation of MBE-grown superlattlces with Sb delta-layers In silicon by Rutherford backscattering spectroscopy. // Phys.Stat.Sol.(a). 1990, v.121. p.523-532.

8. Стенин С.И., Кантер Б.3., Никифоров А.И. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния. // Рост кристаллов. М., "Наука", 1990, т.18, 81-90.

9. Кантер Б.З., Никифоров А.И. Электронно-лучевые испарители для эпитаксии элементарных полупроводников. // ПТЭ, 1990, No.2, с. 156-159.

10. Кантер Б.З., Никифоров А.И. Применение электронной пушки с оксидным катодом в системе дифракции быстрых электронов на отражение. // ПТЭ. 1990, N0.5, с. 156-159.

11. Nlklforov A.I.. Kanter В. Z. and Stenin S.I. Influence of the surface structure on the Sb doping efficiency at low-temperature Sl-MBE. // Proceed, of the 6th European Conf. on MBE and Related Growth Methods, Tampere. Finland. 1991. р.АрЗ.

12. Кантер Б.3.. Никифоров А.И.. Стенин С.И. Легирование сурьмой при низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии кремния. // Письма в ЖТФ. 1990, т. 16, вып. 24. с. 1-5.

13. Kanter В.Z., Nlklforov A.I. and Stenin S.I. Sb periodic doping in low-temperature Sl-MBE. // Superlatticies and Microstructures, 1991, v.10, No.2. 127-130.

14. Hlkiforov A. I., KanterB.Z., Stenin S.I. and Rubanov s. V.. Properties of Sb delta-layers obtained by Si-MBE. // Crystal Properties and Preparation, 1991, v.32-34. 34-38.

15. Никифоров A.M., Кантер Б.З., Стенин С.И., Рубанов С.В. Структуры с б-слоями сурьмы, полученные методом МЛЭ кремния. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1992. т. 10-11, с.95-101.