Исследование взаимодействия оксида бора с поверхностью Si(III) методом дифракции быстрых электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОКСИДА БОРА С ПОВЕРХНОСТЬЮ 81(111) МЕТОДОМ ДИФРАКЦИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ.

Специальность - 01.04.07 - Физика твердого тела

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

* Научные руководители:

Ц I/ член-корр. РАН, профессор

у(Г% Лифшиц В.Г.

На правах рукописи

Шапоренко Андрей Павлович

кандидат физико-математических наук, Коробцов В. В.

Владивосток - 1999 г.

Содержание.

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

ГЛАВА 1 Использование соединений бора для получения эпитаксиальных слоев

кремния р-типа и формирования поверхностных фаз В/Эк.............................16

1.1 Выращивание эпитаксиальных слоев кремния р-типа..............................................16

1.1.1 Газообразные соединения бора: диборан (В2Н6), декаборан (ВюНм).................17

1.1.2 Твердые соединения бора: оксид бора (В203)и метаборная кислота (НВ02).-24

1.1.3 Влияние температуры роста на распределение бора в эпитаксиальных слоях кремния...................................................................................................................30

1.2 Структура и методы формирования поверхностной фазы 8|(111)^Зх^ЗР30°-В.-32

1.2.1. Методы формирования поверхностной фазы 81(111)>/Зхл/ЗРЗО°-В....................34

1.2.2 Структура поверхностной фазы 81(11 1)а/ЗхУзР30°-В..............................................39

1.3 Выводы.....................................................................................................................................41

ГЛАВА 2 Экспериментальное оборудование и методики исследования........................44

2.1 Дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭ)..................................................44

2.1.1 Основы метода.................................................................................................................46

2.1.2 Применение метода ДБЭ для исследования структуры поверхности................51

2.1.3 Применение ДБЭ для исследования процессов на поверхности.........................57

2.2 Экспериментальная установка...........................................................................................60

2.3 Получение атомарно-чистой поверхности.......................................................................64

2.4 Контроль температуры поверхности.................................................................................70

2.5 Осаждение кремния и контроль толщины эпитаксиального слоя кремния.............71

2.6 Осаждение оксида бора.......................................................................................................73

2.7. Методика измерения интенсивности зеркального рефлекса ДБЭ...........................75

2.8 Выводы.....................................................................................................................................79

ГЛАВА 3. Адсорбция бора на поверхности 31(111) при ее облучении потоком В203.-81

3.1 Влияние облучения потоком В203 на структуру поверхности 3|'(111)........................82

3.2 Температурная зависимость адсорбции бора на поверхности в1(111 )-7х7..............86

3.3 Механизм взаимодействия В203 с поверхностью 31(111).............................................89

3.4 Влияние потока В203 на процесс адсорбции бора..........................................................91

3.5 Исследование процесса релаксации поверхности при прерывании потока В203.-94

3.6 Соосаждение В203 и в!........................................................................................................103

3.7 Выводы.................-..................................................................................................................106

ГЛАВА 4 Эволюция системы В/в1(111) от времени осаждения В203..............................108

4.1 Формирование структуры л'Зхл/З при взаимодействии В203 с

поверхностью Э1(111).......................................................................................................108

4.2 Сравнение расчетных кривых качания с экспериментальными

кривыми качания.................................................................................................................113

4.3 Влияние осаждения В203 на шероховатость поверхности 31(111)..........................117

4.4 Выводы...................................................................................................................................120

ГЛАВА 5 Эпитаксия кремния на поверхности 11 )Узх^3-Р30°-В..............................121

5.1 Влияние адсорбированного бора на механизм роста 31...........................................121

5.2 Влияние количества адсорбированного В на

качество эпитаксиальных слоев 31................................................................................134

5.3 Выводы...................................................................................................................................140

Основные результаты работы и выводы..............................................................................141

Список литературы....................................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ.

Интенсивное развитие микроэлектроники привело к созданию сверхбольших интегральных схем (СБИС), переход к которым связан с резким увеличением числа элементов и уменьшением их размеров на кристалле. Подобный переход стал возможен благодаря развитию новых технологий выращивания полупроводниковых структур и средств неразрушающего контроля процесса роста тонких пленок. Значительное место в этом занимает молекулярно-лучевая зпитаксия (МЛЭ). Дальнейшее уменьшение элементов СБИС и рост степени их интеграции привели к возникновению нового направления в полупроводниковом материаловедении, получившего название атомной инженерии вещества или нанотехнологии. И хотя современные возможности Технологии позволяют достичь уровня Миниатюризации, еще достаточно далекого от тех пределов, которые диктуются принципиальными физическими ограничениями [1], конструирование сложных многослойных эпитаксиальных композиций и наноструктур с заданными профилями легирования невозможно без точного контроля толщин слоев и их состава на атомарном уровне. Успешное решение этих задач происходит в основном в направлении МЛЭ соединений АзВ§, таких как ОаАз, АЮэАз, IпОзАз и.т.д. [2].

Одной из основных причин, сдерживающих развитие в нанотехнологии на основе З|3 является проблема получения эпитаксиальных слоев в широком диапазоне уровней легирования (1013-г-1021см"3}, с полной электрической активацией примеси и без ущерба кристаллического качества. Первоначально, при выборе легирующей примеси в бьМЛЭ руководствовались не низкой энергией ионизации, высокой растворимостью и низким коэффициентом диффузии, как в технологии объемного кремния, а иными критериями. В частности, возможностью получения достаточно высоких потоков

примеси из эффузионных источников, разработанных для А3В5-МЛЭ. Однако, такие примеси как фосфор и мышьяк (Р и Аэ) имеют слишком высокое давление пара, а, следовательно, невозможно обеспечить контроль потока примеси и низкий уровень фонового легирования (< 1014 см"3). За исключением ЭЬ [3], остающиеся совместимыми с БьМЛЭ примеси А1, ва, 1п имеют ограниченное применение в приборных структурах из-за низкого предела растворимости (1018 см"3) и глубоких уровней ионизации [4]. Кроме того, эти элементы имеют низкий коэффициент прилипания [0,001-1%] и высокую поверхностную сегрегацию при типичных для Бь МЛЭ температурах роста. Эти недостатки могут бьггь частично преодолены применением твердофазной эпитаксии, однако это влечет за собой издержки другого рода: увеличение времени производства и деградацию кристаллического качества. Ионная имплантация примеси позволяет осуществить лучший контроль легирования, но требует сложного и дорогостоящего оборудования [4,5]. Бор (В) занимает важнейшее место в БьМЛЭ как элемент, имеющий единичный коэффициент прилипания в широкой области температур и высокую твердотельную растворимость в кремнии.

Уменьшение размеров элементов интегральных схем и рост степени их интеграции стимулируют исследования упорядоченных двумерных структур на поверхности (поверхностных фаз-ПФ) с цепью использования их в качестве 8-слоев атомных размеров с упорядоченным легированием и концентрацией электрически активной примеси выше предела растворимости. В этом направлении имеются обнадеживающие результаты. Наиболее подходящими кандидатами для этого являются ПФ В/Э1(100) и В/3((111), поскольку они стабильны как по отношению к высокой температуре, так и к последующему осаждению кремния- [6,7,8]. Большинство исследований было выполнено на образцах, в которых ПФ л/Зх^З была получена сегрегацией бора на ловерхность путем прогрева сильнолегированных бором подложек. Однако этот способ имеет ограниченное применение в технологии изготовления сложных многослойных структур, в которых 5-слой должен располагаться не на подложке. Другой способ формирования ПФ - осаждение

элементарного бора или его соединений на поверхность 31(111). Однако низкое

давление насыщенного пара и высокая температура испарения элементарного бора (1300-2000°С) ограничивают его применение, поэтому работы в этом направлении ведутся с акцентом на конструирование высокотемпературных источников [3,9-12] с целью получения более высокой предельной концентрации в слоях [13, 14}.

Использование соединений бора позволяет получать значительные потоки примеси при существенно меньших температурах источника. Спектр соединений бора, используемых в качестве источника бора в кремниевой технологии, весьма обширен. Различаются они как по агрегатному состоянию, так и по способу применения. Некоторые напрямую взаимодействуют с кремнием, другие предварительно преобразуются, например в В203. Наиболее часто в технологии молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) и родственной ей молекулярно лучевой эпитаксии с газообразными источниками используются следующие соединения: оксид бора (В203), метаборная кислота (НВ02), диборан (В2Н6) и декаборан (В10Н14).

Несмотря на то, что ПФ \'ЗхуЗ-В была получена 1988г. практически одновременно отжигом высоколегированных бором подложек 31(111) [15] и осаждением НВ02 [16], исследования процесса формирования этой ПФ с использованием НВ02 и В203 начались лишь в последнее время. На начало настоящей работы имелись лишь отдельные сведения, касающиеся взаимодействия НВ02 с поверхностью 81(111) и практически отсутствовала картина взаимодействия В2Оэ с поверхностью 81(111). Все проведенные исследования опирались на модели взаимодействия бора с кремнием, которые были предложены для случая соиспарения и боросодержащих соединений [17,18].

При взаимодействии боросодержащих соединений с атомарно-чистой поверхностью, без дополнительного потока кремния, безусловно, необходимым является учет структуры поверхности, химической активности атомов 81, образующих поверхностную структуру и строения молекулы соединения бора. Кроме этого, необходимо учитывать и влияние, как самих соединений, так и продуктов их диссоциации на структуру и морфологию поверхности.

Имеющиеся в различных работах результаты были получены методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и фотоэлектронной спектроскопии

(ФЭС). Специфика этих методов состоит в том, что они позволяют проводить исследования после охлаждения образца до комнатной температуры и дают сведения о релаксированной структуре поверхности. Процессы, происходящие на поверхности, оставались «за кадром» и до сих пор не исследованы.

Одним из наиболее мощных методов для~ исследования динамики процессов на поверхности является метод дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ), который идеально совместим с технологией МЛЭ и хорошо зарекомендовал себя при исследовании процессов роста, адсорбции и диффузии. Кроме того, для метода ДБЭ не существует ограничений по температуре, при которой происходят эти процессы.

Несмотря на то, что имеются обнадеживающие данные о сохранении ПФ V3xV3 под слоем Si, рост Si на этой поверхностной фазе изучался только на начальных стадиях при осаждении порядка 3-4МС кремния, в основном методом СТМ и при начальных покрытиях бора меньших или равных 1/ЗМС. Имеющиеся сведения, касающиеся изложенных выше проблем фрагментарны, а иногда и противоречивы, особенно в части определения концентрации бора на поверхности.

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование in situ процесса формирования структуры Si(111)N,3xV3R30°-B при осаждения оксида бора (В203) на поверхность Si(111) методом дифракции быстрых электронов на отражение. При этом решались следующие основные задачи:

1 - Определение влияния температуры подложки и плотности потока В203 на

процесс адсорбции бора.

2 - Определение влияния концентрации адсорбированного бора на структуру

поверхностной фазы Si(111)V3xV3-B.

3 - Исследование возможности управления процессом формирования

поверхностной фазы V3xV3 при осаждении В203 на поверхность Si(111).

4 - Изучение эпитаксиального роста Si на поверхностной фазе Si(111)V3>W3-B в

зависимости от температуры подложки и количества адсорбированного бора.

Научная новизна:

1 - Впервые определены кинетические параметры лроцесса адсорбции бора на поверхности 81(111) при осаждении В203. Определена температурная зависимость процесса адсорбции бора на поверхности 81(111). Изучено влияние потока В203 на процесс адсорбции бора на поверхности 81(111). Выявлена лимитирующая стадия процесса адсорбции бора на поверхности 81(111) при осаждении В203. Предложен механизм взаимодействуя В203 с поверхностью Э1(111).

2 - На основе изученных закономерностей предложена методика контроля и определения потока В203 и количества адсорбированного на поверхности бора методом ДБЭ. Найдены возможности управления процессом формирования ПФ 81(111)^Зх^ЗНЗО°-В.

3 - Впервые исследована эволюция структуры поверхности 81(111)7x7 в зависимости от количества адсорбированного бора. Показано, что на начальной стадии формирования структуры УЗхл/З-В осаждением В2Оэ, атомы бора находятся преимущественно в положении Т4. При увеличении количества адсорбированного бора растет доля атомов бора в положении 85.

4 - Изучено влияние количества осажденного В203 на морфологию поверхности 81(111).

5 - Исследован эпитаксиальный рост пленок 81 толщиной до ЮОнм на ПФ 81(111) УЗх^ЗЯЗО°-В в зависимости от температуры подложки, количества адсорбированного бора и условий формирования ПФ 81(111)УЗх

Практическая ценность работы Разработана методика исследования методом ДБЭ процесса адсорбции бора на поверхности 81(111) при использовании В203 в качестве источника бора. Определены кинетические параметры процесса взаимодействия оксида бора с поверхностью 81(111), на основе которых показана возможность контроля потока В203 и определения количества адсорбированного бора методом ДБЭ. Предложены способы управления процессами разложения В203 и формирования ПФ 81(111)^Зхл/ЗРЗО°-В, либо многократным прерыванием потока В203, либо

совместным осаждением В203 с малым потоком 81 до момента завершения структурного перехода 7х7->^3хл/з. Установлена зависимость между количеством адсорбированного бора и качеством зпитаксиальных слоев кремния.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.

1 - Методика-исследования методом ДБЭ лроцесса адсорбции бора на поверхности

при осаждении оксида бора.

2 - Результаты экспериментальных исследований процесса разложения В203 на

поверхности 81(111) от температуры подложки и потока В203.

3 - Механизм взаимодействия В203 с поверхностью 81(111).

4 - Эволюция структуры Узх-у'з в зависимости от количества адсорбированного бора

из ^экспериментальных данных полученных методом ДБЭ.

5 - Влияние осаждения В203 на морфологию поверхности 81(111).

6 - Экспериментальные результаты ^следования количества адсорбированного бора

и температуры подложки на последующий эпитаксиальный рост кремния.

Апробация работы.

Основные результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались:

- На Втором-Российско-Японском Семинаре по поверхности полупроводников. Осака,

Япония, 1995 г.

-На 17-йВвропейской конференции по физике поверхности, Эншед, Нидерланды, 1997.

- На региональных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике

полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Владивосток. 19971998 гг.

- На третьем Российско-Японском семинаре по полупроводниковым поверхностям.

Владивосток, 1998 г.

- На семинарах научно-технологического центра полупроводниковой микроэлектроники

ИАПУДВО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 160 страниц, включая 47 рисунков и список цитируемой литературы из 142 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные задачи работы и защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.

Первая глава является обзорной. В ней проведен анализ наиболее широко используемых в МЛЭ в качестве источника В различных химических соединений бора. А именно: диборан (В2Н6), декаборан (В10НМ), метаборная кислота (НВ02) и оксид бора (В203). Рассмотрены особенности их применения для лолучения легированных слоев кремния р-типа и для формирования поверхностных фаз-В/Эк Из анализа литературных данных следуем что применение газообразных соединений бора возможно для выращивания легированных слоев кремния и формирование поверхностных фаз, но при этом необходимо учитывать зависимость коэффициента прилипания этих соединений от температуры подложки, от концентрации бора на поверхности, и от соотношения потоков легирующей приме