Структура и электрические свойства легированных пленок поликристаллического кремния, полученных методом молекулярно-лучевого осаждения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Р Г Б ОД

1 4 м

На правах рукописи

ШЕНГУРОВ Дмитрий Владимирович

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ ПЛЁНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Ав тореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 1998 г.

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников и оптоэлектроники Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского Г. Нижний Новгород

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор, академик РАЕН Хохлов А.Ф.; кандидат физико-математических наук, доцент Павлов Д.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Болдыревский П.Б. кандидат физико-математических наук Андреев А.Ю.

Ведущая организация:

Институт Общей Физики РАН

Защита состоится 29 апреля 1998 года в 10 часов на заседании диссертацион ного совета Д 063.77.03 при Нижегородском государственном университет! им. Н.И. Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина 23 корп. 3, НИФТИ.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке Нижего родского университета.

Автореферат разослан" марта 1998 года.

Отзывы направлять по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-34, пр. Гагарина, 23, корп. 3, НИФТИ

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, Профессор / Чупрунов Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Пленки поликристаллического кремния (ППК) широко применяются ) технологии изготовления приборов микро- и оптоэлектроники.

В большинстве случаев требуются хорошо проводящие поликремние-¡ые пленки. Для того, чтобы управлять свойствами необходимо контролиро-¡ать их структуру, которая характеризуется средним размером, дисперсией зазмера зерен и их кристаллографической ориентацией. При легировании ШК акцепторными или донорными примесями можно получать слои с за-1анными электрическими свойствами.

Легирование ППК осуществляют с помощью диффузии, ионной им-ллантации и в процессе роста. Последний метод, как низкотемпературный и золее простой, является предпочтительным. Однако в практике производства юлупроводниковых приборов этот метод используется пока не часто. При-1ИНОЙ этого является недостаточная изученность закономерностей легирова-тя ППК в процессе роста. Именно этим обусловлена актуальность исследований, направленных на изучение физических процессов, протекающих при эсаждении легированных ППК.

Исследование закономерностей легирования поликремниевых пленок, голученных плазменным осаждением или осаждением из газовой фазы за-груднено по причине большого числа взаимосвязанных параметров процесса. В этих методах осаждения водород является основной фоновой примесью. При росте пленок происходит насыщение водородом оборванных связей на границах зерен (ГЗ), что делает затруднительной интерпретацию процесса гегирования.

При получении ППК с помощью распыления ионным пучком, при чагнетронном распылении или при усиленном плазмой химическом осаждении из газовой фазы происходит бомбардировка поверхности роста низкоэнергетическими ионами. В этих методах трудно оценить плотность потока и распределение по энергиям падающих на подложку ионов, и, следовательно, грудно выявить степень влияния ионной бомбардировки на рост легированных плёнок.

Для установления корреляции между свойствами легированных ППК и условиями роста необходимо использовать метод осаждения с наименьшим числом параметров процесса. Кроме того, для выявления закономерностей пегирования ППК в процессе роста целесообразно исследовать наиболее широкий спектр легирующих примесей.

Для решения такой задачи лучше всего подходит метод молекулярно-лучевого осаждения (МЛО) с использованием сублимационных источников кремния. Этот метод позволяет получать слои кремния в достаточно «чистых» условиях при низких температурах с минимальным числом параметров, влияющих на процесс роста пленок. При сублимации кремния используется и большее число легирующих примесей. Ионной составляющей в молеку-

лярном потоке из сублимирующего источника можно легко управлять путе приложения разности потенциалов между источником и подложкой.

Осаждение поликремниевых пленок на окисленные кремниевые пo^ ложки проводят в достаточно широком интервале температур от 300 д 900°С. При высоких температурах кремний из источника может взаимоде{ ствовать со слоем диоксида кремния, образуя при этом летучее соединени БЮ. При осаждении ППК из атомарного потока с использованием субл рующих источников процесс десорбции моноокиси кремния не исследовало

Цель данной работы состояла в изучении влияния широкого спектра леп рующих примесей и бомбардировки поверхности роста пленок низкоэнерп тическими ионами кремния в процессе молекулярно - лучевого осаждения н структуру и электрические свойства ППК.

Для достижения этой цели было необходимо проведение следующи исследований:

1. Исследование возможности применения метода МЛО кремния с ис пользованием сублимационных источников для получения ППК минимальным содержанием фоновых примесей и с заданной концсн трацией легирующей примеси.

2. Выявление закономерностей изменения структуры, размера зерна электропроводности пленок в зависимости от сорта легирующе: примеси.

3. Выявление условий, при которых происходит десорбция БЮ пр] выдержке окисленной кремниевой подложки в потоке атомов крем ния из сублимирующих источников.

4. Выявление характера изменения размера зерна в ППК, полученных процессе отжига аморфных пленок, от сорта легирующей примеси.

5. Исследование влияния низкоэнергетической бомбардировки поверх ности роста на изменение структуры и электропроводности поли кремниевых пленок.

6. Исследование возможности применения легированных ППК в техно логии изготовления твердотельных газочувствительных сенсоро! (ТГС), как одного из перспективных направлений микроэлектрони ки.

Научная новизна

1. Впервые проведено комплексное исследование влияния широкого спек тра легирующих примесей на структуру и рост зерна поликремниевы; пленок, а также на их электрические свойства. Установлено, что сниже ние температуры перехода от роста пленок с аморфной структурой к рос ту поликристаллических пленок, а также ускорение роста зерна ППК за висят от сорта легирующей примеси. Сделан вывод, что атомы легирую щей примеси при росте ППК выступают в роли сурфактантов (т.е. по верхностно-активных частиц, которые способствуют встраиванию атомо!

кремния в кристаллит). Определяющим фактором, ведущим к изменению структуры и размера зерна ППК, является различная склонность примесей к поверхностной сегрегации.

. Исследован процесс десорбции моноокиси кремния с поверхности толстых (порядка 0.3 мкм) слоев диоксида кремния при воздействии потока атомов кремния и примеси из сублимирующего источника.

. Показано, что бомбардировка поверхности роста ППК низкоэнергетическими (< 300 эВ) ионами кремния приводит к следующим структурным изменениям:

- снижению температуры перехода от роста пленок с аморфной структурой к росту поликристаллических пленок;

- увеличению среднего размера зерна и уменьшению дисперсии размеров зерен.

- увеличению интенсивности десорбции моноокиси кремния при воздействии атомарного потока из сублимирующих источников кремния на поверхность диоксида кремния;

. Установлено, что зависимость слоевого сопротивления ППК от температуры роста носит существенно немонотонный характер. Минимальное значение сопротивления ППК, легированных различными примесями, наблюдается при разных температурах осаждения. Бомбардировка поверхности роста низкоэнергетическими ионами кремния не меняет характер этой зависимости, но ее график смещается в область более низких температур. Величина смещения составляет 50 70°С.

. Обнаружено, что сопротивление легированных ППК может существенно (приблизительно на 60%) возрастать при адсорбции молекул метана на поверхности пленок.

1рактическая значимость

. Полученные в работе результаты дают возможность выделить основные процессы, ответственные за изменение структуры и размера зерна ППК при легировании их в процессе осаждения. Исходя из этого, легирование соответствующим сортом примеси при определенных условиях осаждения позволяет получать ППК с заданными свойствами.

I. Толстые (~ 0.3 мкм) пленки 8Ю2 полностью удаляются в потоке атомов кремния из сублимирующего источника при температурах подложки на 200 300°С ниже, чем при использовании традиционного метода МЛО кремния.

5. Эффект улучшения структуры ППК под воздействием низкоэнергетической ионной бомбардировки поверхности роста может быть использован при разработке низкотемпературного метода получения ППК.

1. Результаты исследования зависимости слоевого сопротивления ППК от температуры роста могут быть рекомендованы при выборе режимов получения пленок с заданным значением сопротивления.

5. Результаты исследования, свидетельствующие об изменении сопротивле-

ния легированных ППК при адсорбции на их поверхности молекул метана, могут быть использованы при разработке твердотельных газочувствительных сенсоров.

6. Разработана методика получения электронно-прозрачных тонких фольг кремния путем химического стравливания областей локально сформированного в подложке пористого кремния.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Легирование ППК элементами третьей и пятой групп таблицы Менделеева до концентраций порядка 2-1018 -г 5-1019 см"3 в процессе осаждения приводит к снижению температуры перехода от аморфной к поликристаллической структуре пленок.

2. Изменение размера зерен различно в зависимости от сорта легирующей примеси. Степень ускорения роста зерна определяется процессом поверхностной сегрегации примесных атомов.

3. Поток атомов кремния из сублимирующего источника взаимодействует со слоем диоксида кремния, образуя при этом летучее соединение вЮ, при более низкой температуре по сравнению с потоком из расплава, сформированным электронно-лучевым нагревом. Наличие в потоке из сублимирующего источника атомов некоторых легирующих примесей (Оа, А1) приводит к дополнительному снижению (приблизительно на 100°С) температуры процесса.

4. Влияние бомбардировки поверхности роста пленок низкоэнергетическими (< 300 эВ) ионами приводит к снижению температуры перехода от роста аморфных к росту поликристаллических пленок, ускорению роста зерен и уменьшению дисперсии их размеров.

5. Дня легированных поликремниевых пленок зависимость слоевого сопротивления от температуры роста в методе МЛО имеет существенно немонотонный характер. Для пленок, выращенных под воздействием низкоэнергетических ионов, график зависимости слоевого сопротивления от температуры осаждения смещается в область более низких температур, сохраняя немонотонный характер.

6. Наблюдается существенное увеличение сопротивления легированных ПИК при адсорбции на их поверхности молекул метана. Это делает возможным использование легированных пленок поликремния в качестве газочувствительного элемента при изготовлении ТГС.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской науч-но-техничеекой конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 1994 г.), научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Москва, 1995 г.), X конференции по химии высокочистых веществ (Н. Новгород, 1995 г.), конференции «Струк-

тура и свойства кристаллических аморфных материалов» (Н. Новгород, 1996 г.), 1 и 2 Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 1996 г., 1997 г.), Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологии получения легированных монокристаллов кремния» («Кремний - 96») (Москва, 1996 г.), Международной конференции Е - MRS (Страсбург, 1996 г.), XIII Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП - 97) (Звенигород, 1997 г.), 2 Российском симпозиуме «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур (Обнинск, 1997 г.), XVI научных чтениях им. Н.В. Белова (Н. Новгород, 1997 г.).

По материалам диссертации опубликовано 20 работ.

Диссертационная работа выполнена в рамках темы: «Высокоэффективные преобразователи солнечной энергии на основе кремния» (Грант РФФИ №95-02-04201-а).

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Объем диссертации составляет 141 страницу машинописного текста, включая 38 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 100 наименований.

Содержание диссертации

Во введении приводится обоснование выбора темы диссертационной работы и ее актуальность. Сформулированы цель работы, элементы научной новизны и практическая значимость результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается анализ литературных данных о состоянии вопроса по влиянию легирующих примесей на структуру ППК и их электрические свойства. При рассмотрении вопроса о структуре легированных в процессе роста пленок основное внимание уделяется эффекту стимуляции роста зерна ППК легирующими примесями. Отмечается, что имеющиеся в литературе экспериментальные данные и модельные представления этого эффекта приведены в основном для пленок, полученных кристаллизацией аморфного Si (a -Si) в процессе высокотемпературного (>900°С) отжига и легированных ограниченным количеством примесей. Предполагаемый механизм усиления роста зерна базируется на увеличении концентрации вакансий, которое возможно лишь при высоких температурах. Ускорение роста зерен, происходящее в области умеренных температур осаждения, не может быть объяснено в рамках этих моделей.

В заключительной части главы приводятся краткие литературные данные по моделям электропроводности ППК и делается вывод о целесообразности использования для анализа экспериментальных результатов модели Сето [1].

В соответствии с состоянием вопроса о влиянии легирующих примесей на структуру и электрические свойства ППК было выбрано направление исследований и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава содержит описание методик получения легированных ППК, исследования структуры, элементного состава и распределения примесей по толщине поликремниевых пленок, а также их электрических свойств.

ППК получали методом МЛО в высоковакуумной установке модели ЕВУ-10 (Япония), модернизированной для испарения кремния через сублимацию. Источники паров кремния и примеси, а также подложкодержателк были вырезаны из слитков монокристаллического кремния, легированных заданной примесью и нагревались пропусканием тока. Концентрация легирующих примесей (Аб, Р, БЬ, А1, Са, В) в источниках составляла от 2-1018 дс 5-10|9см"3. Подложками служили пластины монокристаллического кремния покрытые пленкой термически выращенного диоксида кремния толщиной 0.3 + 0.8 мкм или пластины плавленого кварца. В некоторых опытах между источником и подложкой прикладывалась разность потенциалов величиной дс 300 В. Температура источника при осаждении пленок составляла - 1380"С, £ температура подложки варьировалась в диапазоне 300 -4- 900"С. Скорость осаждения пленки составляла ~ 0.6 нм/с. Давление остаточных газов в ростовой камере составляло (8 -з- 50)-10"6 Па.

Исследование структуры и морфологии поверхности полученных пленок проводили электронографическим, электронно-микроскопическим и металлографическим методами. В основном использовали общепринятые методики, дорабатывая их с учетом объекта исследования. Для проведения исследований на электронном микроскопе ЭМ-200 была разработана методика приготовления тонких (0.1 -г- 0.3 мкм) электронно-прозрачных фолы. В основу методики был положен процесс локального формирования областей пористого кремния на всю глубину кремниевой подложки с его последующим химическим стравливанием в гидроокиси натрия или калия и этиленгликоля. Благодаря этой методике получали тонкие фольги большого (до 2 мм) диаметра на различных участках исследуемого образца.

Исследование элементного состава ППК и распределение фоновых и легирующих примесей в поликремниевых пленках проводили методом вторично-ионной масс - спектрометрии (ВИМС).

Слоевое сопротивление (Я5) ППК измеряли стандартным четырехзон-довым методом (погрешность измерений 5%), а концентрацию электрически активной примеси и подвижность носителей заряда в пленках определяли из измерений на постоянном токе электропроводности и коэффициента Холла методом Ван - дер - Пау.

В третьей главе приводятся результаты исследования элементного состава и распределения фоновых и легирующих примесей в ППК, полученных сублимацией кремния. Исследовано влияние широкого спектра легирующих примесей на изменение структуры кремниевых пленок, полученных при раз-

ых температурах осаждения. Полученные данные свидетельствуют о высоки чистоте выращенных пленок, что позволяет уверенно интерпретировать гзультаты исследования процесса легирования ППК.

Установлено, что распределение легирующих примесей по толщине [ПК зависит от способа получения: при отжиге аморфных пленок оно одно-одно, а в пленках, осажденных на нагретую подложку, наблюдается пик онцентрации примеси вблизи границы с БЮг и постепенное нарастание онцентрации примесных атомов по мере наращивания пленки. Это связано с собенностями кинетики встраивания примесных атомов в растущий слой, [ри осаждении аморфной пленки вероятность захвата примеси растущим поем достигает единицы и пленка однородно легирована по толщине. В лучае осаждения на нагретую подложку атомы примеси попадают как в зеро, так и на ГЗ, которые являются благоприятным местом для адсорбции римеси. В зерно же примесь входит труднее: за счет поверхностной сегре-1ции она оттесняется к поверхности роста, а при повышенной температуре есорбирует с поверхности. Поскольку размер зерен вблизи границы с под-ожкой мал, то в этой области создается повышенная концентрация примес-ых атомов.

Данные электронографических исследований показали, что темпера-ура перехода от роста пленок с аморфной структурой к росту поликристал-ических пленок зависит от сорта легирующей примеси: у легированных бо-ом, также как и у нелегированных пленок толщиной ~1.5 мкм, она составля-т 500 -г- 530°С, а у легированных другими примесями - 450 + 500°С. Форми-ование текстур в пленках также происходит при различных температурах: в егированных бором - при -620°С, в легированных галлием - при ~550°С, а в стальных - при 500°С.

Морфология поверхности пленок, выращенных при температурах одложки (Т5) в интервале от 500 до 700°С, характеризуется следующими вменениями. Вначале при низких температурах (около 500°С) растут пленки округлыми и однородными по размеру зернами. При повышении темпера-уры осаждения до 600°С наблюдается увеличение размера зерна. При даль-[ейшем повышении Т5 до 700°С происходит усиление рельефности поверх-юсти пленок. Зерна приобретают полиэдрическую форму, а их размер стано-:ится сравним с толщиной пленки. Характер изменения морфологии по-¡ерхности ППК с температурой роста одинаков для всех сортов легирующих [римесей. В то же время в ППК, полученных при отжиге аморфных пленок [ри Т= 500 800°С, размер зерна оставался неизменным.

На рис. 1 представлены зависимости среднего размера зерен ППК олщиной 1.5 мкм, легированных разными примесями, от температуры осаж-(ения. Видно, что ускорение роста зерна пленок различно для каждого сорта [римеси и увеличивается в ряду В, Р, Аз, БЬ, Оа, А[. Именно в такой после-(овательности, согласно данным работ по автоэпитаксиальному росту крем-щя [2], возрастает склонность примесных атомов к поверхностной сегрега-(ии. Такая связь позволяет предположить, что эффект поверхностной сегре-

гации является определяющим фактором в процессе роста зерна. С другой стороны, это свойство примеси является обязательным для участия ее в роли сурфактанта, который создает благоприятные условия для роста кристаллитов [3]. При попадании на поверхность роста атома кремния и при приближении его к уже внедренному в приповерхностный слой сурфактанту между ними совершается обмен положениями в кристаллической решетке.

Для внедрения адатома кремния в этом случае не требуется наличия на поверхности роста дефекта или ступени. Наличие сурфактанта создает благоприятные условия для роста укрупненных кристаллитов.

2 а 2

са X

о. и

со

Он и 2

Он

1,6

1,2

0,8 -

0,4

400

600 800

Т5,°С

400

600 800

Т5, °С

Рис. 1. Зависимость среднего размера зерна плёнок поликремния, легированных элементами пятой (а) и третей (б) групп таблицы Менделеева от температуры роста.

При осаждении кремния при Т5 = 700 -н 900°С из сублимирующего источника на окисленные кремниевые подложки наблюдался рост пленок с монокристаллической структурой, в то время как на кварцевых подложках росли пленки с поликристаллической структурой. Такое явление связано с десорбцией моноокиси кремния с поверхности окисленной подложки при воздействии на нее потока атомов кремния [4].

На рис. 2, а приведены зависимости толщины оставшегося слоя БЮг от длительности экспозиции при температурах подложки 800 и 850°С. После удаления БЮг при дальнейшей выдержке подложки в потоке атомов кремния наблюдался рост пленок с монокристаллической структурой.

Снижение температуры десорбции моноокиси кремния приблизительно на 200°С по сравнению с экспериментами, описанными в [4], связано с тем, что поток из сублимирующего источника является в основном атомарным. Это обеспечивает более интенсивный ход реакции:

Зц^рб+ЗЮг-^Юге,.

- и -

I, мин. I, мин.

Рис. 2. Зависимость толщины оставшегося слоя 5Ю2 от длительности экспозиции в потоке атомов кремния плотностью 1015ат./см2-с при разных: а - температурах роста, б - величинах потенциала.

В четвертой главе приводятся результаты исследования структуры пленок, выращенных с приложением к подложке отрицательного потенциала, то есть в условиях бомбардировки поверхности роста пленок низкоэнергетическими ионами БГ.

Дифрактограммы пленок кремния, выращенных при различных температурах подложки, с приложением потенциала и без него приведены на рисунке 3. Видно, что переход от роста аморфной пленки к ППК происходит при более низких температурах (приблизительно на Т5 = 50 -г 70°С) в случае облучения поверхности роста пленок низкоэнергетическими ионами кремния. Изменение морфологии поверхности плёнок в этом случае характеризуется более крупными и однородными по размеру зернами.

Были проведены оценки энергетического баланса процесса осаждения пленок кремния из ионно-атомарного потока. Методика расчета была аналогична описанной в [5]. Энергия адатомов кремния (ЕА) состоит из энергии теплового движения атомов подложки (Е,.), энергии, приносимой нейтральными атомами пучка (Ек) и энергии ускоренных ионов (Е„):

Еа = Ег + Ек + Е„

Ег = Зп0кТ5,

где По - поверхностная плотность атомов Б!,

к - постоянная Больцмана,

Е* = пу-\У„

где Пу - количество конденсированных атомов на единицу поверхности в единицу времени,

\\\, = (3/2)-кТист - средняя кинетическая энергия атомов.

Ей ^эар, част. и,

где \Узар. част. ~ ПОТОК ИОНОВ.

и - ускоряющая разность потенциалов. Используя экспериментальные данные, получаем: Ек = 3,5-Ю14 эВ/см2, Е„ = 3-1013 эВ/см2, Б, = 3.4-1014 эВ/см2 при Т5 = 600°С и Ет = 3-Ю14 эВ/см2 при Т5 = 500°С

Уменьшение тепловой энергии подложки (за счет снижения Т5) компенсируется энергией, приносимой на поверхность роста ионным пучком. Воздействие ионов Б! с энергией 300 эВ на поверхность роста соответствует снижению тепловой энергии подложки с 3.4-1014 до 3-1014 эВ/см2.

Установлено, что под воздействием ионов БГ интенсивность десорбции моноокиси кремния с поверхности подложки увеличивается (рис. 2, б).

ф

I

н о

А

б О х т £ О X

<и

I-

-1—АЛ

20

40 Э, нм-1

60

Рис. 3. Дифрактограммы плёнок кремния, осаждённых при различных температурах °С: а-300; б-400; в-450. 1 - без облучения; 2-е облучением.

В главе 5 представлены результаты исследования зависимости слоевого сопротивления (Я5) пленок от температуры осаждения (рис. 4). Установлено, что для всех используемых в экспериментах примесей зависимость Я5(Т5) носит существенно немонотонный характер, в то время как для ППК, полученных кристаллизацией аморфных пленок, наблюдается очень слабое изменение с температурой отжига.

Качественное объяснение зависимости отТ5 было проведено на основе модели, приведённой в работе [1]. Согласно этой модели величина сопротивления ППК изменяется по закону:

10в

□ Юь а

о? ю4

ю2

10"

А)

400 550 700 850

Тз, °С

10в

10ь -

Ю4

а.

10°

400 550 700 850 Т„ °С

108

□ Ю6 а

«2 ю4

ю2

10°

400 550 700 850 Т„ °С

10°

О 10°

^ Ю4 а:

Ю2

10

БЬ

400 550 700 850 Т„ °С

10в

□ ю'

° Ю' а:

10'

10°

400 550 700 850 Т„ °С

Ю'

а.

400 550 700 850 Т., "С

В

Рис. 3. Зависимость слоевого сопротивления легированных плёнок кремния от температуры осаждения

(О - поликремний, • - автоэпитаксиальный кремний [2]).

Я ~ ехр(еФв/кТ)

где высота потенциального барьера (Фв) определяется уровнем легирования (Ы), размером зерна (Ь) и концентрацией ловушек на ГЗ (О,).

<2,

Фс

При повышении температуры роста сначала наблюдается увеличение размера зерна. При постоянстве концентрации легирующей примеси это приводит к уменьшению Фв и, соответственно, По мере дальнейшего повышения Т5 концентрация примеси в зерне уменьшается за счет десорбции и сегрегации и в результате растет. Именно слабой сегрегацией бора можно объяснить более высокое значение температуры подложки, при которой наблюдается минимальное значение сопротивления.

Уменьшение при более высоких температурах роста до значений, близких к величине автоэпитаксиальных слоев, связано с разрушением пленки БЮг и ростом монокристаллических пленок.

Пленки монокристаллического кремния имели следующие электрические параметры. В легированных бором слоях толщиной 2.5 мкм слоевая проводимость составила 7-10"3 Ом'1, а эффективная подвижность -100 см2/В-с.

Характер зависимости К5(Т5) для пленок, выращенных под воздействием низкоэнергетической бомбардировки, остается немонотонным. Однако кривая данной зависимости смещается в область более низких температур приблизительно на 50°С. Согласно проведенным оценкам это связано с увеличением энергии адатомов за счёт энергии ионизованной части потока.

Исследование газочувствительных свойств ППК показало, что присутствие в объёме вакуумной камеры небольшой (-3-1015 см'3) концентрации молекул метана приводит к существенному изменению сопротивления легированных акцепторными примесями ППК. При температуре исследования около 500°С относительное изменение сопротивления составило 57% для слоев, легированных А1, 40% - для легированных ва и 15% - В. Рост сопротивления ППК можно объяснить увеличением высоты потенциальных барьеров на ГЗ при адсорбции молекул метана.

Выводы

1. Для решения задачи исследования влияния легирующих примесей на рост ППК предложено использовать метод молекулярно-лучевого осаждения кремния из сублимирующих источников, который позволяет получать пленки в достаточно "чистых" условиях при низких температурах с минимальным числом параметров процесса и при введении широкого спектра легирующих примесей.

2. Изучено распределение легирующих примесей по толщине ППК в зависимости от способа их получения и температуры роста. Установлено, что

в пленках, полученных прямым осаждением, концентрация примеси возрастает по мере их наращивания. Пленки, полученные в процессе кристаллизации аморфного кремния, характеризуются однородным распределением концентрации примеси. Такое различие связано с особенностями механизма захвата примесных атомов растущей пленкой в зависимости от способа ее получения.

3. Изучено влияние широкого спектра примесей (В, А1, Оа, Р, Аб, БЬ) на изменение структуры и рост зерна ППК, осаждаемых из молекулярных пучков. Легирование плёнок в процессе осаждения до концентрации

см'3 приводит к снижению (приблизительно на 50°С) температуры перехода от роста пленок с аморфной структурой к росту поликристаллических пленок. В зависимости от сорта примеси наблюдается и разная степень ускорения роста зерна ППК. Для ППК, полученных в процессе отжига пленок аморфного кремния, в исследуемом диапазоне температур (500 -н 800°С) роста размера зерна практически не наблюдается. Изменение структуры пленок и ускорение роста зерна можно объяснить на основе модели, в которой легирующая примесь рассматривается как поверхностно-активные частицы (сурфактанты). Различие в степени ускорения роста зерна обусловлено различием в склонности примесей к поверхностной сегрегации - одному из определяющих свойств сурфактанта.

4. При высоких температурах осаждения происходит рост монокристаллических пленок кремния, которому предшествует интенсивная десорбция моноокиси кремния с поверхности 8Ю2 под воздействием атомарного потока кремния из сублимирующего источника. Десорбция БЮ происходит при более низких температурах (приблизительно на 200 °С), чем под воздействием молекулярного потока кремния при электронно-лучевом испарении. Наличие в потоке из сублимирующего источника атомов некоторых легирующих примесей (например, галлия или алюминия) дополнительно снижает эту температуру.

5. Исследованы зависимости слоевого сопротивления ППК, легированных в процессе МЛО, от температуры роста или отжига. Установлено, что эта зависимость носит существенно немонотонный характер. При легировании ППК разными примесями эти зависимости несколько отличаются друг от друга положением Яя™ и 115тах. Полученные экспериментальные зависимости от Т5 объяснены на основе модели Сето для частично обедненных зерен. Наблюдаемое при низких температурах роста снижение обусловлено ростом зерна, а переход к росту связан с уменьшением концентрации примеси в зерне за счет ее сегрегации и десорбции. Эти явления и определяют особенности зависимостей Я5 от Т5 для разных примесей. При дальнейшем повышении температуры происходит рост монокристаллических пленок и снижение сопротивления.

6. Изучено влияние бомбардировки поверхности роста кремниевых пленок низкоэнергетическими ионами БГ на структуру, размер зерен и слоевое сопротивление ППК. Показано, что воздействие ионов приводит к сниже-

нию температуры перехода от роста аморфных пленок к росту поликристаллических приблизительно на 50 -s- 70 °С. Рост пленки в условиях бомбардировки поверхности приводит к укрупнению зерен и уменьшению дисперсии их размеров. График зависимости слоевого сопротивления от температуры роста таких ППК смещается в область более низких температур приблизительно на 50 °С. Проведенные оценки показали, что энергия потока ионов компенсирует снижение энергии адатомов кремния при уменьшении температуры подложки.

7. Установлено, что слоевое сопротивление легированных акцепторными примесями ППК существенно возрастает при адсорбции на их поверхности молекул метана. Данные исследования позволяют сделать вывод о возможности использования легированных ППК в технологии изготовления твердотельных газочувствительных сенсоров в качестве рабочего элемента.

Список цитированной литературы

1. Seto J.Y.W. The electrical properties of polycrystalline silicon films HI. Appl. Phys. - 1975. - V. 46. - N. 12. - P. 5247 - 5254.

2. Толомасов B.A. Физические основы роста и легирования эпитаксиальных слоев кремния из молекулярных потоков в вакууме //Дисс. докт. физ.-мат. наук. - Горький, 1980. - 317 с.

3. Zhang Z., Lagolly M.G. Atomic - scale mechanisms for surfactant - mediated layer - by - layer growth in homoepitaxy//Phys. Rev. Lett. - 1994. - V. - 72. -N. 5. - P. 693 - 696.

4. Yonehara Т., Yoshioka S., Miyazawa S. Competing processes of Si molecular beam reactive etching and simultaneous deposition on film and bulk SiCh //J. Appl. Phys. - 1982. - V. 53. - N. 10. - P. 6839 - 6843.

5. Лютович A.C. Ионно-активированная кристаллизация пленок. - Ташкент, изд-воФАН, 1982.- 148 с.

Перечень работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Павлов Д.А., Шенгуров В.Г., Шенгуров Д.В., Хохлов А.Ф. Получение методом сублимации легированных пленок поликристаллического кремния //ФТП. - 1995. - Т. 29. - №2. - С. 286 - 290.

2. Павлов Д.А., Хохлов А.Ф., Шенгуров Д.В., Шенгуров В.Г. Структура и электропроводность пленок поликристаллического кремния, полученных молекулярно-лучевым осаждением с сопутствующей низкоэнергетической ионной бомбардировкой поверхности роста //ФТП. - 1997. - Т. 31. -№ 3. - С. 291 -295.

3. Шенгуров Д.В. Поликристаллические кремниевые пленки, легированные алюминием в процессе осаждения //Письма в ЖТФ. - 1997. - Т. 23. - № 11.-С. 83 -87.

4. Шенгуров Д.В. Пленки поликристаллического кремния, полученные низкотемпературным осаждением из молекулярных пучков //Электронная промышленность. - 1997. - № 4. - С. 39 - 41.

5. Шенгуров В.Г., Перевощиков В.А., Скупов В.Д., Шенгуров Д.В. Изготовление тонкой кремниевой фольги для электронно-микроскопических исследований //ПТЭ. - 1997. - №2. - С. 146 - 148.

6. Шенгуров В.Г., Шабанов В.Н., Павлов Д.А., Хохлов А.Ф., Шенгуров Д.В., Усова И.О. Молекулярно- лучевая гетероэпитаксия на слое термически выращенного окисла //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия.- 1997.- №5.- С. 48-50.

7. Шенгуров В.Г., Шабанов В.Н., Карзанов В.В., Шенгуров Д.В. Поликристаллические пленки кремния, легированные в процессе роста алюминием //Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Всеросс. Науч.- тех. конф.: Тез. докл.- Таганрог, 1994. - С. 14.

8. Павлов Д.А., Шенгуров Д.В., Шенгуров В.Г., Хохлов А.Ф. Распределение фоновых и легирующих примесей в пленках поликристаллического кремния, полученного молекулярно-лучевым осаждением //X конф. по химии высокочистых веществ: Тез. докл. - Н. Новгород, 1995. - С. 159.

9. Павлов Д.А., Хохлов А.Ф., Шабанов В.Н., Шенгуров Д.В. Удельное сопротивление пленок поликристаллического кремния р - типа проводимости, выращенных методом молекулярно - лучевого осаждения //Вестник Нижегородского государственного университета. Сборник научных трудов аспирантов /Под. ред. A.B. Олейника. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 1995.-С. 75-77.

10. Павлов Д.А., Хохлов А.Ф., Шенгуров Д.В. Физико-химические аспекты молекулярно-лучевого осаждения пленок поликристаллического кремния //Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов: Тез. докл. конф. - Н. Новгород, 1996. - С. 25.

П.Павлов Д.А., Хохлов А.Ф., Шенгуров Д.В. Сравнение структуры кремниевых пленок, полученных осаждением в высоком вакууме с приложением к подложке ускоряющего потенциала и без него //Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов: Тез. докл. конф. - Н. Новгород, 1996.-С. 26.

12. Павлов Д.А., Кудрявцева Р.В., Овсецина А.Э., Шабанов В.Н., Шенгуров Д.В., Хохлов А.Ф Структура, морфология и электрические свойтства легированных пленок поликристаллического кремния, полученных молеку-лярно-лучевым осаждением при различных температурах подложки // Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов: Тез. докл. конф. - Н. Новгород, 1996. - С. 27.

13. Шенгуров Д.В., Павлов Д.А., Хохлов А.Ф., Кудрявцева Р.В., Овсецина А.Э. Изменение размера зерна поликристаллических пленок кремния в зависимости от типа легирующей примеси и температуры роста // «Кремний - 96»: Тез. докл. конф. - М.: 1996. - С. 253.

14. Pavlov D.A., Khokhlov A.F., Shengurov D.V. The effect of electric potential applied to substrate during MBD on the structure of polycrystalline silicon films //Int. conf. "E - MBS - 1996": Abstr. - Strasbourg, 1996. - B/P. 31.

15. Pavlov D.A., Khokhlov A.F., Shengurov D.V. Structure and electrical properties of doped polycrystalline silicon films //Int. conf. "E - MBS - 1996": Abstr. - Strasbourg, 1996. - I - II/P. 22.

16. Шенгуров Д.В. Немонотонный характер зависимости сопротивления пленок поликристаллического кремния от температуры роста //II Нижегородская сессия молодых ученых молодых ученых: Тез. докл. - Н. Новгород, 1997.-С. 133.

17. Шенгуров Д.В., Шабанов А.В., Павлов Д.А., Шенгуров В.Г., Хохлов А.Ф. Эффекты воздействия низкоэнергетических ионов на рост кремниевых пленок //XIII Межд. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью": Тез. докл.-М.: 1997.-Т. 2.-С. 346-349.

18. Шенгуров Д.В., Васильев В.К., Павлов Д.А., Хохлов А.Ф. Гидрогенизация тонких пленок поликристаллического кремния с помощью имплантации ионов Н2+ //XIII Межд. конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью»: Тез. докл. - М.: 1997. - Т. 2. - С. 331 - 333.

19. Шенгуров Д.В., Павлов Д.А., Шенгуров В.Г., Шабанов В.Н., Хохлов А.Ф. Гетероэпитаксиальные структуры Si/Si02/Si, выращенные методом моле-кулярно-лучевой эпитаксии из сублимирующего источника //II Росс, симп. «HT&CG' 97»: Тез. докл. - Обнинск, 1997. - С. 148.

20. Павлов Д.А., Шенгуров В.Г., Шенгуров Д.В., Хохлов А.Ф, Carius R., Wagner Н. Пленки микро и поликристаллического кремния: технология и структура //XVI научные чтения им. Н.В. Белова: Тез. докл. конф. - Н. Новгород, 1997.-С. 135.