Разработка технологии оптоэлектронных ИС на гетероструктурах полупроводник - (Ca, Sr, Ba)F2 - полупроводник тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи «Для служебного пользования» Экз. № 21

Величко Александр Андреевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИС

НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ПОЛУПРОВОДНИК - (Са,8г,Ва)Г2 - ПОЛУПРОВОДНИК

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на'соискание ученой степени доктора технических наук.

Новосибирск 1999 г.

Работа выполнена в Новосибирском Государственном Техническом

Университете.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Смирнов C.B.

Доктор физико-математических наук Кравченко А.Ф.

Доктор физико-математических наук Соколов Н.С.

Ведущая организация: Институт Физики Полупроводников СО РАН.

Защита состоится« » ноября 1999 г. в « 15 »часов на заседании диссертационного совета Д.063.80.07 при Томском Политехническом Университете по адресу: 634034, г. Томск, пр.Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан « » «_

» 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

А.П. Суржиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальное гь работы

В настоящее время генеральным направлением развития технологии СБИС является увеличение степени их интеграции и создание трехмерных СБИС, а также, переход от гибридных оптоэлектронных интегральных схем к монолитным.

При производстве кремниевых ИС основным недостатком используемой сегодня технологии является изоляция элементов схемы р-п -переходом. Наличие р-п - переходов снижает быстродействие, надежность, степень интеграции. Поэтому для создания монолитных и трехмерных ИС необходимо решить проблему создания полной диэлектрической изоляции между элементами СБИС. Одним из наиболее эффективных путей увеличения плотности упаковки элементов, увеличения быстродействия, надежности, стойкости к внешним воздействиям, снижения потребляемой мощности является использование технологии полупроводник на диэлектрике (ПНД).

Задача объединения на одном кристалле оптических элементов (фотоприемников, излучателей, световодов) и электронной схемы обработки требует решения проблемы согласования кристаллических решеток полупроводниковых материалов, обладающих различными значениями постоянных решеток и коэффициентов термического расширения, и обеспечения диэлектрической изоляции между ними. Использование аморфных диэлектрических пленок ЗЮ2 или не позволяет выращивать па них монокристаллические слои полупроводников.

Для комплексного решения этой задачи требуется принципиально новая технология создания монокристаллических диэлектрических слоев и производства СБИС, которая должна базироваться на промышленно используемых процессах создания СБИС. Эпитаксиальные диэлектрические слои могут служить основой для создания оптических линий связи между излучателями и фотоприемниками, а также с волоконно-оптическими линиями связи.

Анализ показывает, что для повышения степени интеграции, надежности, быстродействия и создания трехмерных СБИС, а также, при переходе от гибридной технологии создания оптоэлектронных интегральных схем к монолитным является получение многослойных монокристаллических структур диэлектрик-полупроводник.

Таким образом, задача производства трехмерных ИС и интегральных оптоэлектронных ИС может быть решена только при создании технологии получения монокристаллических слоев диэлектриков на поверхности полупроводников.

В последние годы определенные успехи достигнуты в получении диэлектрических эпитаксиальных слоев фторидов кальция СаР2, стронция БгРг и бария Вар2 на поверхности полупроводников, а также многослойных структур полупроводник - диэлектрик.

На момент определения направления диссертационных исследований из обзорных и оригинальных работ следовало, что использованию гетеросистемы полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник в практических целях препятствовал ряд нерешенных задач, которые в некоторой степени условно, можно разделить на несколько проблемных блоков.

Первый блок связан с необходимостью решения инженерных и технических задач по созданию технологии получения структур: обеспечению технологических процессов необходимыми диэлектрическими материалами, конструированию и изготовлению технологического оборудования и оснастки, разработке технологического процесса.

Второй блок обусловлен недостаточным пониманием механизмов зарождения и роста эпитаксиальных пленок фторидов (Са,8г,Ва)Р2 на полупроводниковых и диэлектрических подложках. Несмотря на значительное количество публикаций, процессы зарождения, роста и механизмы упорядочивания слоев (Са,8г,Ва)Р2 и дефектообразование в них в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках полупроводников различной ориентации и аморфных подложках остаются неясными.

Третий блок включает проблемы, возникающие при разработке технологии получения эпитаксиальных слоев полупроводников на диэлектрических пленках 31/СаР2/81 и АзВ5(Са,5г)Р2/АзВ5 методом молекулярно-лучевой эпитаксии и исследованию дефектообразования в них.

Четвертый блок проблем касается разработки различных методов литографии в структурах полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник.

Пятый блок связан с проблемами использования гетероструктур Б^/СаРг/З! в промышленных процессах производства СБИС. В качестве базовой выбрана технология производства ИС на структурах кремний на сапфире.

Шестой блок включает вопросы исследования возможности получения гетерозпитаксиапьных слоев 1пА5/ОаАз ЫБЬ/ваАз с высоким временем жизни неосновных носителей в активном приповерхностном слое и разработки технологии получения матричных ФПУ в интегральном исполнении.

Седьмой блок связан с созданием оригинальных конструкций приборов оптоэлектроники, основанных на особых физических свойствах и технологических процессах получения многослойных гетероструктур полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник.

Восьмой блок включает технико-экономические проблемы создания технологического процесса субмикронных и трехмерных интегральных схем.

Перечисленные проблемы решались в представленной работе в период с 1985 по 1999 гг. под научным руководством и при личном участии автора.

2. Связь с государственными программами и НИР.

Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с техническими заданиями НИИ "Восток" г. Новосибирск, НПО Средств Вычислительной Техники г. Москва, НПП и ОКБ Новосибирского завода полупроводниковых приборов.

3. Цель работы заключалась в проведении процессов исследования механизмов эпитаксиального роста диэлектрических слоев (Ca,Sr)Fj на полупроводниковых подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии, создании технологии получения гетероструктур полупроводник - (Ca,Sr)F2 -полупроводник и разработке технологии изготовления СБИС и оитоэлектрониых схем, интегрированной в промышленно используемые процессы производства.

Эта задача решалась путем исследования механизмов дефектообразования и поиском способов подавления дефектов. Результаты работы являются научно-техническим базисом развития нового научного направления в материаловедении - молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур «полупроводник/(Са,5г,Ва)р2/полупроводник» и основой новой промышленной технологии - производства трехмерных СБИС оптоэлектронных И С.

4. Методы исследований.

В работе использованы методы исследования поверхности полупроводника in situ дифракцией быстрых электронов. Состав остаточной атмосферы в установке молекулярно-лучевой эпитаксии анализировался масс-спектрометром. Для анализа структурного совершенства кристаллов и процессов дефектообразования в объеме и на поверхности использовались высокоразрешающая электронная микроскопия, и растровая электронная микроскопия. Состав остаточных примесей в шихтовых материалах определялся с помощью методик прецизионного спектрального анализа. Исследования электрофизических параметров проводились с помощью измерения эффекта Холла, профилометра и C-V методов. Время жизни неосновных носителей определялось фотомагнитным и СВЧ методами.

5. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:

5.1. Установлены закономерности дефектообразования в многослойных структурах полупроводник/(Са,8г,Ва)Р2/полупроводник при проведении различных режимов эпитаксии, включающих низкотемпературную начальную стадию, режим высокотемпературного роста, термические послеростовые отжиги и комбинации этих методов.

5.2. Предложена физическая модель не эпитаксиальной кристаллизации и гетероэпитаксиального роста ионных кристаллов,

объясняющая механизмы возникновения разупорядоченной области на гетерогранице с полупроводником и в объеме пленки (Ca,Sr)F2.

5.3. Определены механизмы дефектообразования в слоях InSb/GaAs(100) и InAs/GaAs(100), возникающие при различных режимах начальной стадии гетероэпитаксии. Показано, что в пленках InSb/GaAs(100) при использовании низкотемпературной начальной стадии плотность прорастающих дислокаций уменьшается. Определена функциональная зависимость плотности прорастающих дислокаций в гетероэпитаксиальных слоях InAs/GaAs(l 00) и InSb/GaAs(100) от их толщины.

5.4. Предложена модель расчета плотности генерационных токов в гетероструктурах, основанная на использовании пространственного распределения генерационно-рекомбинационных уровней, обусловленных дислокациями.

5.5. На основе анализа процессов термогенерации и рекомбинации, диффузии и дрейфа предложены физические методы блокировки генерационных токов, направленных ог дефектной подложки к поверхности гетероструктуры, основанные на использовании потенциальных барьеров для неосновных носителей.

Изготовлены гетероструктуры в которых достигнуты времена жизни, соответствующие объемным материалам InSb.

Разработаны конструкции гетероэпитаксиальных структур и интегральных ФПУ на их основе.

6. Достоверность результатов обеспечивалась проведением значительного количества дополняющих экспериментов, изготовлением макетов приборов, обладающих высокими электрофизическими параметрами, внедрением разработок в производство и получением практических результатов в виде действующих ИС.

7. Практическая значимость и реализация результатов работы.

7.1. Реализована целевая программа разработки методов синтеза и очистки шихтовых материалов CaF2, SrF2, BaF2, предназначенных для использования в качестве диэлектрических материалов в микроэлектронике.

Разработана технология очистки монокристаллов CaF2, SrF2, BaF2, удовлетворяющая требованиям производства СБИС на структурах полупроводник на диэлектрике. Имеются утвержденные технические условия на чистые CaF2, SrF2, BaF2.

7.2. Разработаны и созданы и внедрены оригинальные конструкции молекулярных источников из стеклоуглерода СУ-2300 для получения пленок CaF2, SrF2, BaF2 и соединений А3В5, обладающие высокой надежностью, экономичностью и обеспечивающие высокое качество эпитаксиальных диэлектрических и полупроводниковых слоев. Имеется патент России и авторское свидетельство. Имеется акт о внедрении.

7.3. Разработана технология получения ИС на структурах кремний на диэлектрике 51/СаР2/81(100). Изготовлены комплиментарные МОП ИС, обладающие высокими характеристиками.

7.4. На основе теоретического анализа разработаны и реализованы конструкции гетероструктур с высокими значениями времени жизни неосновных носителей в гетероэпитаксиачьных слоях полупроводников с высокой плотностью прорастающих дислокаций.

7.5. Для жидкокристаллических дисплеев разработана конструкция структуры 81/СаР2/(аморфная подложка) и способ ее получения.

7.6. Разработана конструкция диодной фотоприемной ячейки матричного фотоприемного устройства, обладающая повышенной надежностью.

7.7. Разработаны технологические маршруты изготовления элементов ФПУ в интегральном исполнении. Имеется акт о внедрении.

7.8. Проведено технико-экономическое обоснование, разработаны и предложены принципы создания субмикронной технологии, трехмерных интегральных схем и приборов интегральной оптоэлектроники па основе структуры полупроводник /(Са,8г,Ва)Р2.

7.9. Разработана технология получения оптических диэлектрических волноводов (Са,8г)Р2 методами литографии на поверхности ваАз.

Диссертация содержит введение, восемь глав, заключение, список литературы из 245 наименований. Объем диссертации 372 страницы, 111 иллюстраций, 24 таблицы. Результаты и выводы.

8. На защиту выносятся следующие основные положения

8.1. В гетероэпитаксальных пленках (Са,8г,Ва)Р2 на 81(111) на границе раздела с подложкой возникает разупорядоченная область. Ее возникновение объясняется наличием на гетерогранице нескольких одновременно существующих конфигураций химической связи, которые имеют близкую энергию образования.

8.2. В гетероэпитаксиальных пленках СаРг/81(111) и Сар2/5!( 100) отсутствуют макронапряжения и прорастающие дислокации при любых несоответствиях параметров пленки и подложки. Этот факт объясняется особым механизмом релаксации напряжений в • гетеросистеме за счет образования точечных дефектов. Увеличение ширины РО в гетеросистеме СаРз/Й!(100) по сравнению со структурой СаР2/81(111) связано с различным числом атомов, приходящихся на элементарную ячейку СаР2(100) и 81(100).

8.3. Проведение послеростового отжига приводит к уменьшению ширины и даже полному исчезновению разупорядоченной области. 11редложен механизм релаксации точечных дефектов, который обусловлен не только упругим, но и электростатическим взаимодействием точечных дефектов, в резульате чего наблюдается дрейф ионов в кристалле Сар2.

8.4. В гетеросистеме (Ca,Sr,Ba)F2/GaAs ширина PO имеет большую протяженность за счет большего числа атомов, участвующих в формировании связей на ГР. Одновременное существование нескольких конфигураций связей на ГР (Ca,Sr,Ba)F2/GaAs приводит к выводу о нестабильности свойств гетерограницы и наличию на ней достаточно высокой плотности поверхностных состояний.

8.5. Результаты экспериментальных исследований и теоретического анализа процессов твердофазной эпитаксии показывают, что при больших толщинах рекристаллизуемых пленок СаГ'2 на аморфных подложках или на подложках Si( 100) пленки имеют преимущественно ориентацию {111}.

Объяснение основано на использовании представлений о значительном различии свободной поверхностной энергии СаР2 ориентаций (100) и (111) и процессах геометрического отбора кристаллов.

8.6. Результаты исследования влияния плотности дислокаций в соединениях А3В5 на время жизни неосновных носителей заряда в гетероэпитаксиальных слоях полупроводников.

Показано, что высокие значения генерационных токов в гетероструктурах обусловлены значительной плотностью дислокаций.

8.7. Оригинальные разработки конструкций гетероэпитаксиальных структур и ФГГУ с высокими значениями времени жизни неосновных носителей.

8.8. Разработка базовых технологических процессов и маршрута изготовления КМОП ИС на структурах полупроводник на диэлектрике и трехмерных ИС.

8.10. Оригинальные конструкции элементов оптоэлектронных схем в монолитном исполнении.

9. Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях в Болгарии 1989г., в Будапеште 1990г., Минске 1990г., в Англии (Оксфорд) 1991г., в Новосибирске 1998г., на Всесоюзной конференции в Ленинграде 1990 г., Всероссийская конференция в Новосибирске 1999г., на отраслевых конференциях в Новосибирске в 1987 и 1989 гг.

10. По материалам диссертационной работы соискателем лично и в соавторстве опубликовано 43 научных работы: в их числе 13 докладов на конференциях, 13 статей, 10 патентов и авторских свидетельств. Результаты исследований и разработок изложены в 7 отчетах по НИР.

11. Личный вклад Постановка задач, способы их решения и основные научные результаты, конструкторские разработки и изобретения принадлежат лично автору. Изготовление узлов и конструкций, проведение технологических процессов и исследований выполнены сотрудниками НИИ "Восток" при участии и под руководством автора.

12. Структура н объем диссертации. Диссертация содержит введение, восемь глав, заключение, список литературы из 245 наименований. Объем диссертации: 372 страницы, 111 иллюстраций, таблиц 24. Результаты и выводы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1. Молекулярно-лучевая эпнтаксня CaF;, SrFg, BaF? на полупроводниковых подложках.

В этой главе на основе литературных данных представлены основные свойства фторидов CaF2, Srp2, BaF2, условия их эпитаксиального роста и параметры эпитаксиалышх пленок.

Фториды щелочно-земельных металлов CaF2, Sri'2, BaF2 являются монокристаллическими веществами с решеткой типа флюорита. Это кубическая гранецентрированная решетка, имеющая пространственную группу Fm3m. Химическая связь в кристаллах флюорита имеет ярко выраженный ионный характер. Кристаллы с ионной связью характеризуются малыми значениями диэлектрической проницаемости (е«8), высокими значениями удельного сопротивления (р = 1013 Ом-см), напряженности поля пробоя (Е„р=106 В/см), а также значительной ионной проводимостью при высоких Т.

При сублимировании фториды летят в виде недиссоциирующих молекул. Эти материалы легко образуют твердые растворы замещения, стехиометричные во всем диапазоне изменения составов. Область полной оптической прозрачности лежит в диапазоне длин волн от 200 им в коротковолновой области спектра до !4 мкм в инфракрасной и определяет широкую область использования этих материалов.

На подложках Si (111) монокристаллические слои СаР2 растут в интервале температур Ts = 500-800°С при хорошем качестве слоев (параметр каналироваиия Хмин= 0.05). На Si(100) совершенные пленки СаГг(100) (Хмин =0-06) растут а более узком диапазоне Т5 = 500-600°С.

Морфология поверхности пленок CaF2 зависит от ориентации подложки Si. Из-за значительного различия в величине свободной поверхностной энергии Es для (ill) и (100) поверхностей CaFj на поверхности CaF2(100) в процессе роста формируются пирамиды роста с огранкой боковых поверхностей по {111}.

Глава 2. Анализ механизмов зарождения и роста CaF; на Si.

В первой части этой главы проводится анализ литературных данных о механизмах зарождения и роста пленок фторидов на поверхности кремния. Особое внимание уделяется энергетике и процессам образования

химических связей между СаР2 и 51. По литературным данным из экспериментов но фотоэлектронной спектроскопии на ГР одновременно возможно образование нескольких типов связей. В этих связях могут участвовать как Р, так и Са. Поскольку различные конфигурации связей имеют различные энергии образования, отличающиеся на 0.1-0.5 эВ, то при ростовой температуре возможно образование одновременно нескольких конфигураций (типов) химической связи между Са-81 и Р -81, что, вероятно, может приводить к возникновению протяженной переходной области. При низких Т5 на ГР СаР2/81(111) образуются преимущественно связи 81-Р. При повышении ростовой температуры образуются преимущественно связи Са-81. Высокие температуры необходимы, чтобы достичь энергии активации связи между СаР2 и реконструированной поверхностью 81.

В соответствии с литературными данными поверхность границы раздела СаР2/81( 111) в различной степени может быть обогащена атомами Са и Р в зависимости от условий ее формирования.

В литературе отсутствуют расчеты энергий образования и сами модели химических связей между СаР2 и поверхностью 81(100). В этом случае становится еще более актуальным вопрос о структуре химической связи и процессах и дефектообразования на границе раздела и в объеме эгштаксиальных пленок СаР2/81(100).

Для определения возможности применения гетероструктур СаР2/81 в производстве СБИС необходимо провести исследования процессов дефектообразования на гетерогранице и в объеме пленки Сар2 при различных ориентациях поверхности 81 и режимах роста. Поскольку коэффициенты термического расширения Сар2 и 81 значительно отличаются, то важным является также вопрос о стабильности структур при термообработках, которым подвергается структура в процессе производства СБИС.

Во второй части этой главы рассматриваются механизмы протекания тока в ионных диэлектриках. Носителями электрического тока в СаР2 являются, прежде всего, ионы, наиболее слабо связанные с кристаллической решеткой, которыми являются точечные дефекты.

Модель кристаллизации эпитаксиальных слоев Сар?.

В третьей части этой главы рассматривается предложенный автором механизм упорядочивания (кристаллизации), основанный на использовании представлений о перескоках ионов под действием дальнодействующего электростатического взаимодействия.

Этот же механизм может быть описан в терминах электрического тока, протекающего под действием встроенного хаотического электрического поля Е,. образованного случайным распределением ионов обоих знаков в разупорядоченной области (подобное описание проводимости используется в теории прыжковой проводимости сильно легированных и компенсированных полупроводников):

} = стЕ,

(2.1)

где ]- плотность электрического тока.

Ионные кристаллы СаР2 обладают ярко выраженной ионной проводимостью (суперионные проводники), которая описывается известным простым экспоненциальным законом, содержащим в показателе экспоненты как энергию образования вакансий '\У„ так и энергию движения ионов \Ут:

а = (пц2 а2у/кТ) ехр-ОУ,-'^)/ кТ. (2.2)

где о проводимость, п - концентрация, а - расстояние, V - частота колебаний, с] - заряд.

Разупорядоченную область можно представить в виде кристаллической решетки, в которой имеется очень высокая плотность точечных дефектов. Эти точечные дефекты образованы ионами обоих знаков, не попавших при зпитаксии в узлы кристаллической решетки. Их, по мнению автора, можно рассматривать уже как ионы, покинувшие узлы решетки и активированные в междоузельное пространство. .

Выражение для проводимости в этом случае, в отличие от (2.2) должно содержать только энергию активации движения (перескоков) ионов \Ут:

ст = (пЧ2 а2у/кТ) ехр (-\Ут/ кТ). (2.3)

По данным различных авторов, значения энергии активации перескоков ионов \¥га, полученные для кристаллов СаР2, легированных различными примесями, дают значения, лежащие в интервале от 0.3 до 2,5 эВ.

Автором предполагается, что в области разупорядочения энергия активации проводимости будет различна не только для ионов Са и И, но и будет зависеть от локальной конфигурации окружающих ионов или, что то же, от пространственного распределения случайного потенциала. В связи с этим энергия перескоков \У„, будет иметь какое-то усредненное по всем конфигурациям значение.

На основании этих представлений можно предположить, что в ионных кристаллах при высоких температурах внутренние электрические поля вызовут дрейф прежде всего тех ионов, положение которых отличается от положения в идеальной кристаллической решетке. Движение ионов будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет такое состояние в кристалле, когда в нем исчезнут локальные электрические поля или, что то же,

заряженные дефекты. На самом деле, возможна только минимизация плотности точечных дефектов.

Наиболее энергетически выгодным будет такое состояние ионов, когда они расположены строго в узлах правильной кристаллической решетки СаР2. Можно предположить, что процесс кристаллизации должен наиболее интенсивно протекать на границах упорядоченного кристалла и разупорядоченной области, т.е. там, где наиболее резко изменяется электрическое поле, а с другой стороны, процесс упорядочивания на такой границе можно рассматривать как гомоэпитаксию с учетом всех присущих ей движущих сил. В этом случае процесс перекристаллизации разупорядоченной области должен идти от поверхности пленки СаР2 к границе раздела с подложкой. Согласно выводам модели кристаллизации результаты проведения процессов твердофазной кристаллизации должны существенным образом зависеть как от начальной толщины пленки, так и от температурных режимов.

При малых толщинах пленки влияние подложки велико н перекристаллизация должна идти в точном соответствии с ориентацией подложки. При достаточно больших толщинах ориентирующее влияние подложки на удаленные от нее слои мало и перекристаллизация должна определяться исходной текстурой {Ш}.

Для объяснения механизма сглаживания поверхности при быстром термическом отжиге предлагается модель, основанная на следующих представлениях. Атомы, находящиеся на ребрах пирамид роста, имеют меньшее число связей и меньшее значение энергии активации, чем атомы на поверхности горизонтальной плоскости. Поэтому при кратковременном отжиге при определенных температурах вероятность десорбции атома из пирамид существенно превышает вероятность их десорбции с горизонтальной плоскости.

На основании физической модели процессов упорядочивания и кристаллизации, предложенной автором па основе литературных данных по эпитаксии пленок фторидов и анализа структуры границы раздела, в работе были поставлены следующие экспериментальные задачи:

1. Исследовать особенности процессов роста слоев СаЕ2/51(П1) СаР2/81(100) при различных температурах эпитаксии методом ДБЭ.

2. Провести изучение методом ВРЭМ границы раздела и дефектообразование в объеме структур Сар2/31( 111) и СаР2/81(100), полученных при различных температурах.

3. Изучить электрофизические параметры слоев диэлектриков, полученных при различных температурах.

4. Исследовать влияние термообработок на перестройку дефектов структуры в объеме и на границе раздела пленки СаР2 - 81.

5. Исследовать влияние режимов твердофазной эпитаксии на дефектообразование в слоях СаР2.

6. Провести изучение процессов морфологической перестройки поверхности СаР2 при термообработках различной длительности и интенсивности.

Глава 3 Методика эксперимента.

Все процессы получения гетероэпитаксиальных структур проводились в НИИ "Восток" с использованием вакуумно-технологического модуля молекулярно-лучевой эпитаксии "Ангара", разработанного и изготовленного в ИФП СО РАН. Установка состояла из трех вакуумных модулей: аналитического, эпитаксии диэлектриков и элементарных полупроводников и эпитаксии полупроводниковых соединений (ЭПС). Первый модуль предназначен для анализа поверхности подложек, пторой для эпитаксии слоев фторидов и кремния, а третий для роста пленок соединений А3В5.

Некоторые изменения в ее конструкции вызваны использованием СаР2 о МЛЭ. На первом этапе доработки установки изготовлены и внедрены тигли для молекулярных источников из стеклоуглерода СУ-2300. На втором этапе разработаны оригинальные конструкции молекулярных источников, включающие тигли и нагревательные элементы, также выполненные из стеклоуглерода. На разработанный МИ получен патент.

Проведенные масе-слектрометрические исследования показали, что применение стеклоуглерода СУ-2300 позволяет значительно снизить загрязнения, вносимые тиглем в молекулярный поток фторидов, по сравнению с тиглями из нитрида бора и графита.

В процессе проведения работ тигли из СУ-2300 использовались для создания молекулярных пучков ва, А1 и 1п. Испытания показали, что пленки 1пБЬ и 1пАз, выращенные на подложках ваАз из тиглей СУ-2300 обладают более высокими электрофизическими параметрами, чем пленки этих материалов, полученные с использованием тиглей из нитрида бора.

В связи с необходимостью получения диэлектрических слоев с высокими значениями электрофизических параметров МДП - структур разработаны методы синтеза и очистки СаР2, 8гР2, ВаР2 с низким уровнем содержания примесей. Применялись три различных метода перекристаллизации фторидов кальция, стронция и бария.

Оптимальным методом очистки является зонная перекристаллизация фторидов в тиглях из стеклоуглерода. Впервые разработаны технические условия (ТУ) на СаР2, 8гР2, ВаР2 для использования их в производстве приборов электронной промышленности.

Методы измерений. При исследовании морфологии, дефектов структуры, электрофизических параметров использовался комплекс взаимно дополняющих методик: дифракция быстрых электронов (ДБЭ),

высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия (ВРЭМ), растровая электронная микроскопия. Исследования проводились на высокоразрешающем электронном микроскопе PHILIPS ЕМ-430 ST в институте кристаллографии АН РАН.

Определение концентрации, подвижности и времени жизни носителей заряда проводилось методами измерений C-V-характеристик, эффекта Холла, неравновесной фотопроводимости СВЧ методом и измерением фотопроводимости в поперечном магнитном поле в ИФП СО РАН.

Глава 4. Исследование механизмов роста и кристаллизации п гстероетруктурах CaF?/Si.

В этой главе приводятся основные результаты исследований процессов кристаллизации о слоях CaF2/Si(l 11) и CaF2/Si(100). В работе была проведена серия экспериментов по выращиванию слоев CaF2 при различных ростовых условиях методом МЛЭ с использованием быстрого и медленного термических отжигов и твердофазной эпитаксии.

Ориентация Sid 11).

В гетероструктурах CaF2/Si(l 11), выращенных при Ts = 720°С, псевдоморфная стадия роста не отмечалась, но в процессе роста наблюдались осциляции центрального рефлекса, что свидетельствует о двумерно-слоевом росте пленки CaF2. На границе раздела методом ВРЭМ наблюдается очень узкая разупорядоченная область (рис,4.1).

Рис. 4.1. Микрофотография ВРЭМ поперечного среза гетероструктуры CaF2/Si( 111), полученной при Т5 =720°С.

Снижение температуры роста до Ts = 650°С приводит к возникновению вдоль всей границы раздела значительно более широкой ( h = 6-8 нм) разупорядоченной области. Проведение перекристаллизации показало, что пленка, осажденная при комнатной температуре, является текстурой с ориентацией {111}. После ее отжига при Т=800°С в течение 2 минут, слой CaF2 становится монокристаллическим (рис.4.2) с ориентацией (111)А. (А-тип ориентации соответствует пленке, имеющей ориентацию подложки, а В - тип пленка в двойниковой по отношению к подложке позиции). Граница

раздела на всем ее протяжении имеет широкую 8-10 нм разупорядоченную область.

■■

Рис. 4.2. ВРЭМ изображение поперечного среза гетероструктуры СаР2/81( 511), полученной медленным термическим отжигом.

Процесс твердофазной кристаллизации на подложке 81(111), вероятно, идет во всем объеме пленки СаР2 одновременно, а не определяется только процессами на границе раздела (Рис. 4.2).

Твердофазная эпитаксия с использованием быстрого отжига при более высоких TS=900°C в течение 40 секунд позволяет получить монокристаллическую пленку CaF2 (111)В в которой ГР практически на всем ее протяжении резкая и когерентная, однако в этом случае наблюдается высокая плотность дефектов (преимущественно двойников). Уменьшение ширины РО можно объяснить отжигом заряженных точечных дефектов при использовании высоких Ts. Ориентация Si(lOO).

Многочисленные эксперименты по исследованию методом ПЭМ и ВРЭМ дефектообразования в слоях CaF2/Si(100) выявили сходные закономерности в образовании разулорядоченной области на границе раздела: с увеличением температуры роста или интенсивности термообработок ширина РО уменьшается.

Для более корректного определения влияния параметров термообработок на процессы твердотельной кристаллизации проводился специальный эксперимент. На подложке кремния после отжига in situ и получения сверхструктуры (2x1) выращивался слой CaF2 при Ts =550°С со

скоростью у=200 нм/час толщиной 200 нм. После окончания роста подложка делилась на 3 части. Первая часть оставалась без изменений, 2-я подвергалась быстрому отжигу, 3-я часть медленному отжигу. Для всех трех образцов проведены исследования морфологии и дефектов структуры методом ДБЭ и ВРЭМ.

В процессе МЛЭ структуры СаР2/81(100) на дифрактограмме наблюдались достаточно четкие рефлексы (рис.4.3а). На микрофотографиях ВРЭМ поперечного среза, полученной МЛЭ видны пирамиды роста (фасеты) высотой Ь«40 нм. В объеме пленки имеется значительное количество точечных дефектов. На границе раздела видна широкая разупорядоченная область (рис.46), границу которой в пленке СаР2 указать невозможно, поскольку в ней практически по всему объему присутствуют разупорядоченные области. Вероятно, именно этим объясняется высокая интенсивность диффузного фона на экране ДБЭ в процессе эпитаксиального роста (рис.4.За).

(а) (б)

Рис. 4.3. Структура СаР2/81(100), (а)-дифрактограмма (ДБЭ), (б) -поперечный срез структуры вблизи ГР.

После проведения процесса быстрого термического отжига происходит сглаживание поверхности, ослабление диффузного фона и повышение яркости тяжей (рис.4.4а), которое говорит о более высоком кристаллическом совершенстве пленок. Эти выводы подтверждаются данными ВРЭМ: ширина разупорядоченной области на большей части гетерограницы существенно уменьшается и составляет всего несколько монослоев. Увеличение длительности отжига при Т5 = 850°С приводило к улучшению морфологии, кроме того, происходило практически полное исчезновение дефектов в объеме пленки СаР2 и на границе раздела с $¡(100) (рис. 4.4 б).

Важно, что прорастающих дислокаций в пленке СаР2 не обнаружено. Использование двухстадийного процесса МЛЭ, состоящего из низкотемпературной начальной стадии при Т5 =550°С (толщина слоя И=40

нм), и высокотемпературной (Т5=750°С) завершающей стадии роста, показало, что повышение температуры в процессе рос та приводит к существенному улучшению структуры пленки: во всех случаях практически

отсутствуют дефекты в объеме и на гетерогранице. Процессы ТФЭ на подложках Si(lll) приводят к получению монокристаллических слоев CaF2(l 11)/Si(l 11) с высокой плотностью двойников.

При осаждении на Si(lGO) слоев CaF2 различной толщины: Ь<10нм, h =20 нм, h = 40 нм при комнатной температуре во всех случаях возникала текстура {111}. Результат перекристаллизации зависел от толщины исходного слоя.

Пленки CaF2 с толщинами до 20 нм после отжига в течении 15-20 минут при Ts = 900°С становились монокристаллическими с ориентацией (100). Исследования ВРЭМ показало отсутствие разупорядоченной области и дефектов в объеме пленки. Таким образом перекристаллизация топких (h=20 нм) пленок позволяет получать пленки с хорошей морфологией поверхности и структурой.

Образец толщиной h>40 нм отжигался при температуре Т = 750°С, а затем при Т=700°С доращивался до толщины h=200 нм. ВРЭМ показала, что пленка CaF2 состоит из зерен (блоков) с ориентацией по {111} и размерами по горизонтали 0.8-1 мкм. На ГР CaF2 - Si(100) имеется разупорядоченная область шириной до 50 нм. Отдельные зерна фторида кальция отделены друг от друга разупорядоченной областью различной ширины. Иногда эта область отсутствует. Зерна несколько разориентированы друг относительно друга. Таким образом, процесс перекристаллизации толстых (h>40 нм) слоев CaF2, осажденных при комнатной температуре, идет не от границы раздела с подложкой, а осуществляется преимущественно в объеме пленки и слабо связан с границей раздела.

Эти экспериментальные результаты в основном подтверждают выводы модели кристаллизации, предложенной автором в главе 2. Многослойные эпитаксиальные структуры Si/CaF?/SiilOO).

Рост слоев CaF2 и Si проводился в одной и той же ростовой камере. СаРг выращивался при TS=550-600°C, затем температура подложки повышалась до Т=850°С, при которой из электронно-лучевого испарителя проводился рост пленки Si со скоростью 400 нм/час до толщины 0.5 мкм. В начале роста Si на экране дифрактометра наблюдались точечные рефлексы, которые затем превращались в тяжи при толщинах h = 250-300 нм. Затем температура подложки опускалась до TS=550-600°C и цикл повторялся.

Исследования дефектов структуры проводились методом ВРЭМ. Слой кремния, растущий на фасетироваиной поверхности CaF2, имеет много двойников, лежащих в плоскости (111). Граница раздела CaF2 -Si/CaF2/Si(100) не является планарной. Второй слой CaF2, выращенный на недостаточно гладкой поверхности эпитаксиального слоя Si, растет низкого качества: на ГР видна РО, а в объеме CaF2 много двойников. Рост Si на сглаженной быстрым отжигом поверхности CaF2 привел к появлению на экране ДБЭ сверхструктуры (2x1).

На основании экспериментов по получению 4-х слойных структур сделаны выводы:

Основным типом дефектов в слоях Si(100) на CaF2/Si(100) являются двойники, плотность которых резко падает с удалением от границы раздела CaF2/Si(100). Причиной возникновения двойников является фасетированная поверхность пленки CaF2. Плохая морфология пленки CaF2/Si(100) приводит к возникновению дефектов поверхности пленки Si. Планаризация поверхности CaF2/Si(100) (уменьшение высоты фасет с 40 до 5 нм) позволяет существенно улучшить качество поверхности эпитаксиальной пленки кремния. В этом случае второй слой CaF2 на планарной поверхности Si(100)/CaF2/Si(100) получается такого же качества, что и первый слой СаР2 на Si(100). Это однозначно показывает на возможность получения неограниченного числа двойных слоев CaF2/Si(100) и создания трехмерных ИС.

К особым свойствам гетероструктур Si/CaF2/Si с любой ориентацией подложки кремния следует отнести практически полное отсутствие в них макронапряжений при толщинах слоев 100-200 км и возможность проведения импульсных гермообработок эпитаксиальных слоев.

Глава 5. Разработка технологии СБИС на структурах Si(100)/CaF2/Si(100)

Выбор ориентации подложки Si(100) обусловлен требованиями снижения токов утечки в меза структурах и возможностью получения планарной поверхности Si на CaF2/Si(100).

Одним из главных требований к диэлектриком в технологии ИС является возможность проведения селективной обработки структур Si(100)/CaF:j/Si(100), при которой должна обеспечиваться достаточно хорошая адгезия на поверхности Si. Важнейшим процессом является литография. Эксперименты проводились по трем направлениям:

Фотолитография с использованием органических резистов и химического травления.

Фотолитография с использованием органических резистов и плазмохимичеекого травления.

Электронно-лучевая литография с использованием CaF2 в качестве резиста.

В первом случае лучшие результаты получены при использовании резистов ФП-РН-7 и AZ-1350. В качестве травителя использовалась концентрированная соляная кислота HCl или НС!:Н20 = ] :4. Обнаружено, что пленки CaFj могут отслаиваться в воде, поликристаллические или аморфные пленки CaF2 легко обрабатываются в указанных травителях. Однако монокристаллические пленки травятся очень медленно. Анализ показал, что отслаивание и подтравливание обусловлено наличием разупорядоченной области на ГР CaF2/Si. После проведения термического отжига структуры адгезия CaF2 в водных растворах кислот возрастала.

При проведении процессов плазмохимичеекого травления обнаружена очень высокая стойкость монокристаллических пленок. Было сделано предположение, что при проведении аморфизации пленок CaF2 с помощью высокой дозы ионов Р+ процесс их травления должен протекать быстрее. Эксперимент подтвердил эти предположения.

Использование электронно-лучевой литографии показало, что этот вид литографии имеет большие перспективы, но процесс требует доработки.

Процессы получения меза - структур Si/CaFj/Si

Для осуществления полной диэлектрической изоляции элементов ИС необходимо получать островки кремния на диэлектрической подложке CaF2. Это достигается с помощью создания меза структур или зарощенных меза структур в процессе селективного травления пленки Si на подложке CaF2/Si(100) в травителе 30% КОН. После получения островков структура закрывалась аморфным Si3N4, в котором литографией вскрывались окна между островками кремния, и методом МЛЭ осаждался слой CaF2 толщиной, равной толщине слоя Si. Затем проводилось травление CaF2 в растворе HCl. Слой CaF2 на поверхности S13N4 был аморфным и легко удалялся, а на поверхности CaF2 между островками был монокристаллическим и не стравливался. Получен патент РФ.

Технологический маршрут изготовления ИС.

Структуры кремний на фториде кальция (КНФ) достаточно хорошо вписываются в стандартный маршрут изготовления КМОП ИС на структурах

кремний на сапфире (КНС). Данный маршрут содержит 8 операций фотолитографии, 5 операций ионного легирования и две термические операции с максимальной температурой 900°С. Перед проведением структуры по маршруту исследовалась устойчивость пленок СаР2 к селективному плазмохимическому травлению, термическая устойчивость структуры в различных агрессивных средах и возможность взаимодействия нового материала СаР2 с со стандартными пластинами, проводимыми по маршруту. Во всех случаях получены положительные результаты, подтверждающие пригодность структур.

Электрофизические параметры ИС.

А1

А1

• • : . . - СаБ

' 1 \ • V

- . 8ц10й)

* / - ,

Для создания КМОП ИС использовалась структура 81/СаР2/51(100) с толщинами слоев СаР2 Ь=100 нм и 81 Ь=500 нм. Концентрация носителей в слое составляла п= 1015 см"3, напряженность поля пробоя СаР2 Е=106 В/см, удельное сопротивление р = 1013 Ом-см. Схематическое изображение КМОП пары на структуре 81/СаР2/81 представлено на рис. 5.1. Подвижность электронов и дырок в каналах соответствующих транзисторов при толщинах Ь>300 нм составляла 95% от значений в соответствующих каналах объемного кремния. Результаты исследований показали, что зависимости тока утечки сток- исток, тока стока от длины канала соответствуют этим значениям в МОП транзисторах, изготовленных в объемном кремнии. Времена задержки на каскад в кольцевых генераторах на КНФ структурах при длине затвора Ь3 =2 мкм менее и =0.2 не, что в 15-20 раз меньше, чем в МОП транзисторах, изготовленных на монолитном кремнии (рис.5.2)._^_____

Рис. 5.1. Схема КМОП пары на структуре 81/СаР2/5Ц100).

3 А-

2*10' ю' 2* 1 О2

Ф, оттг- ед. ~

Рис.5.2 Зависимость времени за-лепжки на каскал от ллины затвопа.

Рис.5.3. Зависимость времени за-летгжки от лозы излучения.

Времена задержки соответствуют рабочим частотам 500 МГц при длине затвора Ьл -2 мкм. Уменьшение длины затвора до Ь, =0.1 мкм и оптимизация параметров структуры позволят создать схемы, работающие при частотах 10-20 ГГц.

ИС на КНФ обладают очень высокой радиационной стойкостью, которая существенно превышает аналогичные характеристики структур кремний на сапфире (рис.5.3). Высокая радиационная стойкость, вероятно, обусловлена диссоциацией молекул СаР2 под действием у- излучения.

На основании проведенных исследований сделаны выводы, что высокие электрофизические характеристики, стойкость к термическим, химическим и внешним воздействиям, технологичность и возможность создания многоуровневой интеграции при использовании многослойных структур КНФ делают эту технологию базовой для создания субмикронных и трехмерных СБИС.

Глава 6. МЛЭ гстероструктур InA.s/GaAs и 1п8Ь/СаАз и физические припиши.1 формирования ФПУ па их основе.

Глава посвящена исследованию процессов получения гетероэпитаксиальных структур 1пАзЛЗаА5 и МЬЛлаАБ для создания интегральных ИК фотоприемпых устройств, изучению электронных свойств дефектов структуры и разработке физических методов подавления влияния дефектов на работу матричных фотоприемных устройств.

Использование гетероструктур ГпАз/СаАз и [пБЬЛЗаАз для создания ПК фотоприемников позволило бы осуществлять засветку приемников через широкозонную подложку и формировать в СаАв схему обработки.

В процессе исследований была отработана технология подготовки подложек ваЛв, режимы получения пленок с гладкой поверхностью, низкими концентрациями фоновой примеси и высокими значениями холловской подвижности.

Основным препятствием для применения указанных гетроструктур являются низкие значения времени жизни неосновных носителей заряда.

При одновременном существовании нескольких механизмов рекомбинации время рекомбинации может быть записано:

1111 « 1\

- = — +-+- (6.1)

Ти тшг т т

В узкозонных полупроводниках время рекомбинации при пзлучательных переходах ти порядка 0,5-1-10"6 с. Рекомбинация Шокли -Рида на локальных центрах в гомоэпитаксиальных слоях 1пАб и 1пБЬ при сегодняшнем уровне технологии дает такое же значение тшу » г„.

Исследования механизмов роста и дефектообразования методом ПЭМ и ВРЭМ в гетероструктурах InAs/GaAs и InSb/GaAs показали, что в них наблюдается высокая плотность дислокаций и двойников, обусловленная несоответствием параметров кристаллических решеток.

На границе раздела с подложкой

плотность дислокаций несоответствия

12 2

достигает значения Nos =10 см .

Использование различных режимов роста с использованием на начальной стадии высокотемпературной,

низкотемпературной и твердофазной эпитаксии не позволяет значительно снизить плотность дефектов. В пленках InSb использование твердофазной эпитаксии приводит к снижению Nos на порядок при одновременном увеличении плотности двойников. Следует отметить, что двойники не создают зарядовых состояний, поскольку в них отсутствуют оборванные связи. Поэтому двойники, вероятно, оказывают меньшее влияния на снижение времени жизни и подвижности носителей заряда в слоях.

Анализ электронных свойств структурных дефектов показал, что время жизни неосновных носителей г в гетероэпитаксиальных структурах ограничено наличием процессов рекомбинации на дислокациях.

В предположении, что дислокация создает зону состояний в запрещенной зоне, расчет времени жизни дает следующий известный из литературы результат: для г выполняется следующее соотношение между плотностью дислокаций NDS и временем жизни неосновных носителей:

Tds=C'NDS, (6.2)

где с- константа. Ее численное значение лежит в интервале 5-10 для различных полупроводников. Как видно из рис.6.1 плотность дислокаций уменьшается от границы раздела к поверхности. На гетерогранице Nds~Ю12 см"2, а у поверхности пленки толщиной 4-6 мкм снижается до Л0к=1О6 см"2. Соответственно локальное время жизни неосновных носителей у границы раздела составляет гas =10"12 с, а у поверхности пленки соответственно rDS = 10"6 с.

Рис.6.1. Распределение плотности прорастающих дислокаций в эпигаксиалыюй плен-кс InSb/GaAs(100).

Несмотря на то, что локальное время жизни неосновных носителей у поверхности достаточно велико, за счет диффузионных процессов при условии, когда длина диффузии Ьр сравнима с толщиной пленки Ь, дефектная граница раздела пленка подложка оказывает существенное влияние на процессы генерации и рекомбинации у поверхности пленки, снижая параметры фотоприемников. Численное решение уравнения диффузии с учетом зависимости т(х) показывает, что время жизни у поверх!.ости пленки, где формируется прибор, не превышает тВ1$ = 10~8 с.

На основании анализи генерационно-рекомбинационных процессов автором предложены оригинальные методы подавления влияния генерационно-рекомбинационных процессов у границы раздела на процессы, протекающие вблизи поверхности эпитаксиальной пленки, защищенные патентами РФ.

Суть изобретений сводится к следующему. Вблизи гетерограницы производится сильное легирование пленки,

которое за счет сдвига М ос с-Бурш тей на обеспечивает прозрачность этой области пленки при засветке через подложку, и смещение темпа

генерационных процессов в сторону их снижения. Протяженность первого п+ -слоя составляет несколько микрон. Она обусловлена расстоянием, на котором плотность дислокаций падает до уровня, при котором время жизни лимитируется уже не структурными дефектами, а другими механизмами (6.1). С другой стороны, толщина этого слоя не может быть слишком велика, поскольку в этой области необходимо учитывать поглощение на свободных носителях заряда. Особенно заметно оно в ГпБЬ.

Для устранения процессов диффузии неосновных носителей от гетерограницы1 к ОПЗ, где для них имеется неограниченный сток, предложены методы формирования потенциальных барьеров для неосновных носителей за счет 5-легирования (Рис.6.2). В этом случае неосновные носители, диффундируя к ОПЗ, попадают в потенциальную яму между двумя п - областями. Высота потенциального барьера зависит от уровня легирования и для 1пАз и 1п5Ь составляет 0.1-0.2 эВ. При рабочих температурах фотоприемников, которые составляют около 100К, этот барьер практически не прозрачен для дырок.

Рис.6.2. Зонная диаграмма гетероструктуры

г. яит»им дпрмрнрм жи-чни

В такой гетероструктурс процессы генерации и рекомбинации в ОПЗ определяются уже не дефектной гетерограницей, а механизмами

излучательной рекомбинации и Шокли-Рида в приповерхностной области.

Расчеты показывают возможность достижения у поверхности гетероэпитаксиальных пленок толщиной Ь > 5 мкм значений т » 10"6 с. Разработано несколько запатентованных конструкций интегральных ФПУ.

Глава 7.Молекулярно-лучевая эпитаксня гстероструктур

СаА8/(Са,8гЖ,/СаА8.

В этой части работы были проведены исследования механизмов роста и дефектообразования в гетероструктурах ОаАз/(Са,8г)1-уСаА$,

ОаАз/(Са,8г)Р2/8|. Целью этой части исследований являлось определение закономерностей дефектообразования и электрофизических параметров

полупроводниковых эпитаксиальных слоев ОаАэ, диэлектрических слоев (Са,8г)Р2 и МДП-структур на их основе.

На основе литературных данных по фотоэлектронной спектроскопии, ВРЭМ, Оже -спектроскопии, приведенных в данной главе, показано, что на границе раздела подложка ОаАэ и (Са,8г)Р2 возникает разупорядоченный слой, обусловленный наличием комбинаций связей Са-Ав, Р-Аэ.

Для исследования процессов

дефектообразования и исследования

электрофизических параметров структур (Са,8г)Р2/СаАз методом МЛЭ в работе выращивались структуры

(Са, 8г)Р2/ОаАз/(Са, 5г)Р2/ОаАз.

Исследования ВРЭМ показали, что процессы зарождения, роста и дефектообразования слоев (Са.8г)Р2/СаА.<;(100) практически ничем не отличаются от аналогичных процессов на 81. Дефекты в объеме пленки фторидов остутствуют, на поверхности (Са,8г)Р2 возникают фасеты, а на границе раздела имеется разупорядоченная область шириной от монослоя до 10 нм (Рис.7.1). Ширина разупорядоченой области (РО) уменьшается при выращивании буферного слоя ваЛв. Использование термических отжигов позволяет значительно уменьшить разупорядоченную область и фасеты на поверхности (Са,8г)Р2.

Исследование электрофизических параметров слоев показало, что пленки (Са,8г)Р2ЮаА5(100) имеют практически такие же параметры как и

Рис.7.1 ВРЭМ изображение поперечного среза СаР2/СаАз.

слой на кремнии: СаР2/8ь В МДП структурах А1-(Са,8г)Р2/ОаАз(ЮО) имеется достаточно высокая плотность поверхностных состояний = 10"см"2. Вероятно, это обусловлено наличием разупорядоченной области, которая в этом случае формируется как атомами Оа, Аз, так и Са и Р. Были проведены процессы выращивания слоев (Са,8г)Р2/1пАз( 100). Результаты исследований методом ДБЭ показали, что при оптимальных условиях пленки фторидов растут монокристаллическими с ориентацией подложки 1пАз. В этом случае сохраняются практически все закономерности дефекгообразования, обнаруженные для гетеросистем (Са,8г)Р2/ОаАБ(100) и СаРУБл

Методом ВРЭМ исследовались структурные дефекты, возникающие в эпитаксиалышх пленках ОаАэ на (Са^г^/СаЛв^ 00). Основной тип наблюдаемых дефектов это двойники и дефекты упаковки, антифазные границы и дислокации. Большинство дислокаций - неполные, ограниченные комплексами дефектов и двойниками. Результаты исследований свидетельствуют о том, что плотность дефектов в слоях ОаАэ на (Са,8г)Р2/ОаА8 практически такая же, как и в случае роста ваАБ на поверхности 81,

Глава 8. Разработка оптоэлектрониых интегральных схем.

Разработка замкнутого технологического цикла получения монокристаллических диэлектрических слоев (Са,8г,Ва)Р2 и полупроводниковых слоев: 81, ¡пАб, СаАя, 1п8Ь и твердых растворов на их основе позволяет провести разработку принципиально новых по конструкции и технологии изготовления приборов.

Просветляющие покрытия.

При создании ФПУ важной проблемой является повышение эффективности преобразования светового сигнала в электрический. При этом серьезной проблемой является снижение потерь на отражение при нормальном падении светового потока на поверхность полупроводника. Величина коэффициента отражения составляет около 36% практически для всех типов полупроводников. Эффективным способом снижения отражения является нанесение просветляющего покрытия из пленок фторидов (Са,8г,Ва)Р2 на поверхность полупроводника.

Результаты экспериментов, представленные в диссертации, показывают высокую эффективность и 'технологичность получения просветляющих покрытий в замкнутом технологическом цикле. Технология МЛЭ позволяет получать пленки фторидов необходимой толщины с высокой точностью. Кроме просветляющих пленок, возможно получение интерференционных фильтров.

Матрицы со схемой обработки в объемном кремнии.

При создании матричных ФПУ для электрической связи приемника со схемой обработки сегодня используется технология обратного монтажа. Применение технологии полупроводник на диэлектрике позволяет создавать многослойные структуры и приборы на их основе. При этом в литературных источниках предполагается схему обработки формировать в подложке кремния. В этом случае все недостатки, связанные с низкой надежностью, наличием паразитных тиристорных структур, ограничениями на размеры изолирующих областей и низкой радиационной стойкостью, остаются.

Матрицы со схемой обработки в кремнии на диэлектрике.

При использовании схем обработки, сформированных на структурах 8!/СаР2/81, устраняются перечисленные выше недостатки схем на объемном кремнии. На рис.8.1 приведено поперечное сечение ячейки ФПУ со схемой обработки на 81/СаР2/8ь 1 - просветляющее покрытие, 2 - подложка, 3 -разделительный слой, 4 - кремниевый транзистор, 5,6,7,12 - электроды транзистора, 8 -согласованный по

параметру решетки с 1пАб слой (Са,8г)Р2, 9 -эпитаксиальный слой 1пАз, 11,10— контактные шины. К недостаткам приведенной конструкции можно отнести наличие в пленках 1пАз дефектов структуры и низких значений времени жизни. В этом случае необходимо использовать конструкции гетероструктур с блокирующими слоями в 1пАз.

Другим, впервые предлагаемым решением, является конструкция, в которой в качестве фоточувствительного материала используются либо сама подложка, либо гомоэпитаксиальный слой полупроводника с высокими значениями времени жизни. В этом слое формируются фотоприемные элементы, над ними последовательно располагаются диэлектрические слои (Са,8г,Ва)Р2, согласованные с подложкой, затем слой СаР2, и слой Б', в котором формируется схема управления. В этом случае достигаются высокие параметры как фотоприемников, так и схемы обработки.

Принцип расположения кремниевой схемы управления над эпитаксиальными слоями прямозонных полупроводников, позволит создавать и монолитные оптоэлектронные ИС с излучателями (инжекционными лазерами) управляемыми кремниевыми схемами. В этом случае слои (Са,5г,Ва)Р2 могут найти применение как основа для оптических волноводов, формируемых в виде лолосковых линий методами литографии.

Матрицы элементов изображения для жидкокристаллических индикаторов

Диэлектрические слои CaF2 могут найти применение для создания жидкокристаллических индикаторов, работающих как на просвет, так и на отражение.

Матрицы элементов изображения для жидкокристаллических индикаторов должны формироваться на прозрачных (аморфных) подложках. На основании модели кристаллизации CaF2 разработан и запатентован процесс получения эпитаксиального кремния на аморфных подложках при использовании импульсного отжига. Это изобретение позволяет получать слои кремния на диэлектрических слоях достаточно высокого качества, обеспечивающего изготовление не только управляющих ключей (элементов изображения), но и быстродействующих схем обработки.

Технико-экономический анализ производства ИС на структурах Si/CaFz/Si

В данном разделе проведен сравнительный анализ различных направлений создания структур кремний на диэлектрике. Известны следующие основные методы получения этих структур:

1. Метод ионного легирования подложек Si ионами 02 с последующим отжигом.

2. Метод перекристаллизации поликристаллического кремния на слое двуокиси кремния или стекла.

3. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния на окисленном пористом кремнии.

4. Эпитаксия кремния на сапфире.

5. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния на фториде кальция.

При проведении анализа приняты во внимание качество структур и воспроизводимость, количество операций, производительность, стоимость, обеспечение высокой локальности и селективности обработки, отказ от жидкостных процессов, применение импульсных термообработок, радиационных и лучевых процессов, сопряжение с базовым технологическим процессом производства ИС.

Оценивается возможность разработки замкнутого технологического процесса с пооперационным контролем (in situ) и высокой экологической чистотой.

Анализируются перспективы КНД структур при переходе к субмикронной технологии, трехмерной интеграции и созданию быстродействующих оптоэлектронных схем.

Комплексный анализ показал, что наиболее перспективными структурами, отвечающими всем требованиям перспективного развития

микроэлектроники и оптоэлектроники в рамках трехмерной интеграции, является структуры полупроводник - (Са,Бг,Ва)р2 - полупроводник.

Основные результаты и выводы

Экспериментальные результаты, полученные в данной работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы.

1. Разработаны методы очистки шихтовых материалов СаР2, Вар2, предназначенных для использования в технологии МЛЭ в качестве диэлектрических материалов в микроэлектронике. Утверждены технические условия.

2. В качестве материала для молекулярных источников для получения пленок СаР2, 8гР2, ВаР2 и соединений А3В5 методом МЛЭ предложен новый материал стеклоуглерод СУ-2300. Проведены исследования его характеристик и показано, что этот материал обладает высокими эксплуатационными характеристиками. На основании тепловых расчетов разработаны оригинальные конструкции молекулярных источников из стеклоуглерода СУ-2300.

3. Проведено комплексное исследование влияния технологических условий получения на дефектообразование в слоях диэлектриков СаР2/51 с использованием методов твердофазной эпитаксии, низкотемпературной начальной стадии, высокотемпературного роста, термических отжигов, а, также, их комбинаций. Установлены закономерности формирования пленок фторидов на подложках различных ориентаций.

4. Предложена физическая модель не элитаксиальной кристаллизации, ионных кристаллов СаР2 на подложках различной ориентации в зависимости от условий проведения начальной стадии гетероэпитаксии. В качестве одной из движущих сил, участвующих в кристаллизации предлагается учитывать кулоновское взаимодействие случайно распределенных в пространстве заряженных ионов. Ионы являются точечными дефектами в кристаллах СаР2. Наличие разупорядоченной области на ГР трактуется как формирование одновременно нескольких конфигураций химической связи на гетерогранице.

5. Разработана промышленная технология производства КМОП ИС на КНФ. Изготовлены тестовые КМОП ИС и кольцевые генераторы. Исследованы статические характеристики. Полученные схемы обладают особенно высоким быстродействием и радиационной стойкостью. Получены результаты, превышающие характеристики их зарубежных аналогов. Имеются акты внедрения.

6. Впервые рассмотрена модель пространственного распределения генерационно-рекомбинационных уровней, обусловленных наличием дислокаций в гетероструктурах. На основе использования модели разработаны конструкции гетероэпитаксиальных структур и интегральных

ФПУ на их основе, позволяющие компенсировать негативное влияние дислокаций на приборные характеристики ФПУ. Получены

экспериментальные результаты. Имеются акты внедрения.

7. Исследованы процессы роста, дефектообразовання и электрофизические параметры гетероэпитаксиальных слоев (Ca,Sr)F2, выращенных на GaAs и InAs. Разработаны процессы литографии и технология получения диэлектрических волноводов (Ca,Sr)F2 методами литографии на поверхности GaAs.

9. На основании исследованных закономерностей формирования многослойных гетероструктур GaAs/(Ca,Sr,Ba)F2/GaAs, GaAs/(Ca,Sr,Ba)F2/Si, GaAs/(Ca,Sr,Ba)F2ßnAs, GaAs/(Ca,Sr,Ba)F2/Si предложены конструкции фотоприемных устройств и ОИЭС в интегральном исполнении.

10 Проведено технико-экономическое обоснование использования КНФ структур в промышленном производстве. Показана перспективность использования структур полупроводник на диэлектрике для создания субмикронной технологии, трехмерных интегральных схем и приборов интегральной оптоэлектроники

Основные результаты диссертации отражены п следующих работах:

1. Величко A.A., Ноак С.К.. Структура и свойства эпитаксиальных пленок фторидов, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии: обзоры по электронной технике. - М: ЦНИИ "Электроника", - 1988, В.З, 47с.

2. Величко A.A., Илюшин В.А., Сорокин А.И., Ноак С.К. Источник для молекулярно-лучевой эпитаксии - Авторское свидетельство № 1704490.

3. Величко A.A., Илюшин В.А., Окомельченко И.А. Получение фторида кальция электронно-молекулярным распылением. - Электронная промышленность, - 1994, № 6, с.38-39.

4. Karasev V.Yu., Kiselev N. A., Orlova E.V., Pintus S.M., Velichko A.A., Zalabasov O.A. HREM investigation of epitaxial structure in the CaF2/Si heterosistem. - Microscop. Semicond. Mat. Conf. Oxford, 25-28 March, 1991, p. 537-540.

5. Величко A.A., Залабасов O.A., Иванов Б.В., Илюшин В.А., Ноак С.К., Спутай C.B. Ориентированный рост СаГ2 на полупроводниковых подложках. - Полупроводниковая тензометрия, Новосибирск, НЭТИ, -1991, с. 59-63.

6. Kiseiev A. N., Velichko А.А, Okomelchenko I.A. - HREM of epitaxial layers and interfaces in the CaF2/Si(100) and CaF2/Si/CaF2/Si(100) heterosystems. - J. of Crystal Growth., - 1993, v. 129, p. 166-172.

7. Богомолов Б.К., Величко A.A., Истомина Л.Г., Кижватова Т.И., Кудряшов В.М., Ноак С.К. - Исследование технологического процесса литографии на диэлектрических слоях CaF2, выращенных на GaAs. Тезисы

докладов IX конференции молодых ученых, - М.: ЦНИИ "Электроника",-май 1988, Сер.З, Вып. (273), с. 49, (ДСП).

8. Величко А.А., Ноак С.К., Залабасов О.А. Способ формирования изоляции активных областей в полупроводниковых структурах. - Патент №1759192.

9. Величко А.А. Гетероэпитаксиальные структуры Si/CaF2/Si. Исследования. Применение. - Электронная промышленность, - 1990 №8, с.51-57.

10. Величко А.А., Киселев А.Н., Окомельченко И.А. Влияние быстрого отжига на морфологию поверхности гетероэпитаксиальных слоев CaF2/Si(100).- Поверхность. Физика, химия, механика, - 1994 г., №7, с.99-103.

11. Величко А.А. Гетероструктура кремний на стекле и способ ее получения. - Патент № 2084987. Бюл. №20.(20.06.1996)

12 Величко А.А.. Окомельченко И.А. Интегральные ИК фотоприемные устройства на основе узкозонных полупроводников, Электронная промышленность, - 1993, №4, с.15-21.

13. Величко А.А., Гутаковский А.К., Илюшин В.А., Ноак С.К., Пинтус С.М., Карасев В.Ю. Особенности структуры многослойной гегеросистемы CaF2/GaAs, выращенной методом молекулярно-лучевой элитаксии. - VII международная конференция по микроэлектронике. Тезисы докладов, Минск, АН СССР, - 16-18 октября 1990, Т.2, с.79-81.

14. Velichko А.А., Gutakovski А.К., Noak S.K., Pintus S.M., Specific features of MBE - grown CaF2-GaAs multilauered heterosistem. - Third International symposium of MBE, Vélico Tarnovo Bulgaria, - Octouber 2-7 1989, p.97.

15. Velichko A.A., Gutakovski A.K., Ilushin V.A., Noak S.K., Pintus S.M., Interface structure of CaF2/GaAs epitaxial sistem. - ï-st International confearenceon epitaxial crystal growth, Budapest, Hungary,- April 1-7 1990, p.190-192.

16. Величко A.A., Илюшин B.A. Эпитаксия соединений A3B5 из молекулярных пучков. Электронная промышленность, - 1993, № 3, с. 17-25.

17. Величко А.А., Илюшин В.А., Электрофизические свойства пленок антимопида индия, полученных из молекулярных пучков. - Электронная промышленность, - 1993, № 8, с. 48-50.

18. Величко А.А., Илюшин В.А. Электрофизические и структурные свойства гетероэпитаксиальных слоев InSb/GaAs полученных методом МЛЭ. Тезисы докладов XI Всесоюзной научно-техической конференции по фотоэлектронным приборам, Ленинград, сентябрь 1990, с. 46-48, (ДСП).

19. Величко А.А., Окомельченко И.А. Использование протонной имплантации в техологии изготовления ФПУ. Тезисы докладов XI Всесоюзной научно-техической конференции по фотоэлектронным приборам, Ленинград, сентябрь 1990, с. 49-50, (ДСП).

20. Величко A.A., Илюшин В.А. Механизмы роста, структура и электрофизические свойства гетероэпитаксиальных слоев арсенида индия, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии - Обзоры по электронной технике, серия 6 (материалы), М: ЦНИИ "Электроника", - 1990, вып. 9 (1574)

21. Величко A.A., Илюшин В.А. Технология получения и свойства гетероэпитаксиальных слоев InAs на широкозонных подложках GaAs и GaSb. Тезисы докладов XI Всесоюзной научно-техической конференции по фотоэлектронным приборам, Ленинград, - сентябрь 1990, с 45-46, (ДСП).

22. Величко A.A., Ива нов В.Б., Кижаатова Т.И., Ноак С.К. Молекулярно-лучевая эпитаксия пленок фторидов щелочно-земельных металлов. Тезисы докладов IX конференции молодых ученых, (.май 1988 г.) М: ЦНИИ "Электроника" , - 1988, Сер.З, Вып. (273), с. 30, (ДСП).

23. Величко А.А, Кольцов Б.Б., Окомельченко И.А., Новый КМОП-транзистор на основе гетероструктуры Si/CaFz^Si. - Электронная промышленность, - 1992, №5, с.50.

24. Величко А.А, Кольцов Б.Б. - Электрофизические параметры КМОП-транзисторов на основе эпитаксиальной структуры Si/CaFj/Si. -Микроэлектроника, - 1997, том 26, №1, с. 54-58,.

25. Величко A.A. - Особенности твердофазной эпитаксии слоев CaF2 на Si(001). - Электронное приборостроение ( Межвузовский сборник научн. Трудов) Новосибирск, - 1992, с.136-149.

26. Величко A.A., Илюшин В.А.- Гетероэпитаксиальные слои InSb с высоким временем жизни. - Международная конференция им Попова, г. Новосибирск, - Апрель 1998, с.124.

27. Величко A.A., Гутаковский А.К, Илюшин В.А. Дсфектообразование в гетер острукту pax InSb/GaAs, Информатика и проблемы телекоммуникаций. - Российская научно-техническая конференция. Новосибирск, 21-22 апреля 1999.

28. Величко A.A., Авторское свидетельство № 286387.

29. Величко A.A.. Авторское свидетельство № 324972.

30. Величко A.A., Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки. Патент JVä 2034369. Бюл. №12.(30.04.1995г.).

31. Величко A.A., Илюшин В.А., Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки. Патент № 2065224. Бюл. №22. (10.08.1996).

32. Величко A.A., Илюшин В.А., Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура с высоким временем жизни. - Патент № 2045106. Бюл. №27.(27.09.1995).

33. Величко A.A., Илюшин В.А., Способ получения гетероэпитаксиальных структур InSb/GaAs. Патент № 2063094 Бюл. №18 (27.06.1996).

34. Величко A.A. Диодная фотоприемная ячейка для матричного ФПУ. Патент №2080691 Бюл. №15.(27.05.1997)

35. Величко A.A. Илюшин В.А. Окомельченко И.А. и др. Научно-технический отчет о НИР "Субстрат", НИИ "Восток", Новосибирск, 1991 г, (ДСП).

36. Величко A.A. Ноак С.К. и др. Отчет НИР "Раздел", НИИ "Восток", Новосибирск. 1987 г (ДСП).

37. Величко A.A., Илюшин В.А., Окомельченко И.А. и др. Отчет НИР «Рокот», НИИ «Восток» Новосибирск, - 1989 г., (ДСП),

38. Величко A.A., Илюшин В.А., Ноак С.К., Кижватова Т.И., Иванов В.Б. - Отчет НИР «Арбалет», НИИ «Восток», Новосибирск, - 1989 г. (ДСП)

39. Величко A.A., Барановский С.Н., Погорельский A.M., Коренев А.Г., Иоффе В.М., Баранов A.B., Отчет НИР НЭТИ, УДК 537226. № Гос. Регистрации 01828037241, Новосибирск, -1983.

40. Величко A.A. Ноак С.К., Отчет НИР "Субстрат", НИИ" Восток", Новосибирск, - 1987 г (ДСП).

41. Величко A.A., Илюшин В.А., Окомельченко И.А. Отчет НИР «Резец 5-33», НИИ «Восток» Новосибирск, 1989 г. (ДСП).

42. Величко A.A. Стратегия развития субмикронной технологии. Актуальные проблемы электронного приборостроения. - Труды международной конференции, Новосибирск, 23 сентября 1998, т.З, с.100.

43. Величко A.A. Модель кристаллизации пленок CaF2/Si. -Актуальные проблемы электронного приборостроения. Труды международной конференции, Новосибирск, 23 сентября 1998, т.З, с.102.