автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Закономерности релаксации упругих напряжений и диффузия в псевдоморфных SiGe/Si структурах

//У"-' •'

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОБОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи

АВРУТИН Виталий Семенович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЛАКСАЦИИ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДИФФУЗИЯ В ПСЕВДОМОРФНЫХ^¡ве/Б! СТРУКТУРАХ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

научный руководитель: д-р физ.-мат. наук Вяткин А.Ф.

Черноголовка, 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1. Литературный обзор 9

1.1. Подготовка подложек к эпитаксиалъному росту 9

2.1. Релаксация упругих напряжений в БЮе гетероструктурах 13

1.2.1. Обзор теорий критической толщины псевдоморфного роста 14

1.2.2. Экспериментальные исследования релаксации упругих напряжений в 81Се гетероструктурах 19

1.3. Диффузия основных компонентов и легирующих примесей в системе 8Юе 23

1.4. Выводы и постановка задачи 27 Глава 2. Приготовление образцов и методики их исследования 29

2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия 57 и 29

2.2. Подложки 31

2.3. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии 31

2.4. Исследование релаксации упругих напряжений и дислокационной структуры в £7^(3^/57 гетероструктурах 32

2.4.1. Определение степени релаксации структуры методом

рентгеновской дифракции 32

2.4.2-. Исследование дислокационной структуры образцов 36

2.5. Исследование профилей распределения основных компонентов и примесей в эпитаксиалъных структурах 37

Глава 3. Исследование влияния остаточных загрязнений на кристаллическое совершенство эпитаксиальных структур 81/81(001) и оптимизация методики подготовки подложек

3.1 Введение 39

3.2 Экспериментальная часть 40

3.2.1 Подготовка поверхности пластин и рост буферных кремниевых слоев. 40

3.2.2 Методики исследования границы раздела эпитаксиальный слой/подложка и кристаллического совершенства эпитаксиальных структур. 42

3.3 Результаты и их обсуждение 43

3.4 Выводы 50

Глава 4. Релаксация упругих напряжений в псевдоморфных буферных

слоях 810е различной толщины. 52

4.1. Введение 52

4.2. Эксперимент 53

4.2.1. Приготовление образцов 53

4.2.2. Методы анализа эпитаксиальных структур 54

4.3. Результаты 56

4.4. Обсуждение 61

4.4.1. Скорость релаксации и остаточные напряжения в Sio.89Geo.11/Si гетероструктурах с Sio.89Geo.11 слоем различной толщины 61

4.4.2. Механизм релаксации 66

4.5. Выводы 69

Глава 5. Исследование диффузии сурьмы в гетероструктурах

8У8и-хОех/81<8Ь>/81(001) с напряженным 8ц-хОех слоем. 71

з

5.1. Введение 71

5.2. Приготовление образцов 72

5.3. Экспериментальные результаты и определение коэффициента диффузии сурьмы 74

5.4. Выводы 80 Заключение 81

Список литературы 83

Введение

В последние годы гетероструктуры и сверхрешетки привлекают все больший интерес исследователей в связи с их уникальными электрическими и оптическими свойствами, позволяющими создавать новые приборы с улучшенными характеристиками. Одной из перспективных гетероэпитаксиальных систем являются твердые растворы на основе 81Се. Большое количество работ посвящено разработке разнообразных электронных (полевые и биполярные транзисторы, лавинные диоды и т.д.) и оптических (различные типы ИК фотоприемников) приборов на основе этих материалов [1, 2]. Особый интерес исследователей к этой системе продиктован уникальной комбинацией, позволяющей сочетать традиционную кремниевую технологию с возможностями зонной инженерии, когда с помощью вариации состава и толщины слоев, а также упругих напряжений в гетероэпитаксиальной системе конструируется зонная структура, необходимая для получения заданных физических свойств.

Данная система характеризуется довольно большим несоответствием параметров решетки (до 4.2%), вызывающим высокие упругие напряжения в гетероструктурах. С одной стороны, это дает дополнительную степень свободы при конструировании структур с заданными электронными свойствами. С другой стороны, упругие напряжения могут вызывать в псевдоморфных, т.е. выращенных когерентно с подложкой, гетероструктурах процессы пластической деформации (релаксации структуры), приводящие к образованию многочисленных дислокаций, что является крайне нежелательным явлением в технологии полупроводниковых приборов, поскольку свойства монокристаллических материалов чрезвычайно чувствительны к наличию дефектов. Кроме того, упругие напряжения оказывают сильное влияние на процессы диффузии в гетероструктурах и сверхрешетках на

основе соединений с несоответствием параметров решетки. В зависимости от механизма (вакансионный или межузельный) и знака напряжений, диффузия основных компонентов и легирующих примесей может как замедляться, так и ускоряться. В связи с этим, важным аспектом приборного применения гетероструктур и сверхрешеток на основе системы 810е является их температурная стабильность как непосредственно в процессе роста, так и во время последующих технологических процессов. Под температурной стабильностью понимается диффузионная стабильность (т.е. сохранение заданных профилей распределения основных компонентов и легирующих примесей) и структурная стабильность (сохранение заданного в процессе роста напряженного состояния системы). Кроме того, очень важный параметр при разработке и изготовлении электронных и оптических приборов -уровень остаточных напряжений в релаксированных гетероструктурах.

Большое количество работ посвящено исследованию процессов релаксации упругих напряжений в 81Се гетероструктурах и сверхрешетках. Главной проблемой, на решение которой направлены эти исследования, является проверка теорий критической толщины гетероструктур, т.е. толщины, при которой срывается когерентный рост и вводятся дислокации несоответствия. В большинстве ранних работ релаксация упругих напряжений происходила непосредственно в процессе эпитаксиального роста, когда невозможно разделить процессы зарождения, скольжения и взаимодействия дислокаций. Ряд работ посвящен изучению кинетики релаксации псевдоморфных БЮе гетероструктур в ходе послеростовых отжигов. В этих работах большое внимание уделяется также минимальным остаточным напряжениям, достигающимся в структурах в результате релаксации. Однако, остаточные напряжения в гетероструктурах с тонкими эпитаксиальными слоями плохо описываются равновесными теориями, в связи с чем в последнее время в ряде работ были сделаны попытки включить в рассмотрение энергию междислокационного взаимодействия.

Интенсивно изучаются механизмы пластической деформации напряженных гетероструктур. Однако, целый ряд вопросов остается исследованным крайне слабо, либо неисследованным вовсе. Например, не было изучено влияние толщины псевдоморфных слоев на скорость релаксации упругих напряжений в структуре в ходе термообработок, какие факторы определяют распределение дислокаций в гетероструктуре и т.д.

Несмотря на исключительную важность для технологии полупроводниковых приборов на основе напряженных 81Се сверхрешеток и гетероструктур, процессы диффузии основных компонентов и легирующих примесей в таких структурах изучены существенно хуже, чем процессы релаксации упругих напряжений. К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных изучению влияния упругих напряжений на взаимодиффузию 81 и Ое гетерограницах. Из основных электрически активных примесей, используемых в технологии полупроводниковых приборов, наиболее хорошо изучена диффузия бора. Гораздо хуже исследовано перераспределение сурьмы в гетероструктурах с напряженными 81Се слоями. Кроме того, к моменту выполнения настоящей работы не было опубликовано ни одной статьи, в которой было бы учтено влияние гетерограниц на диффузию легирующих примесей в напряженных 810е гетероструктурах и сверхрешетках.

Вышеизложенное определяет актуальность исследования процессов релаксации упругих напряжений и диффузии в псевдоморфных 81Се гетероструктурах.

Основной задачей диссертационной работы было изучение закономерностей процесса пластической деформации в напряженных гетероструктурах 810е/81 и изучение перераспределения сурьмы в трехслойных 81/81Се/81<8Ь> гетероструктурах с псевдоморфным 81Се слоем.

Диссертация состоит из пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. В первой главе представлен литературный обзор

по современным методам подготовки Si подложек к эпитаксиальному росту, исследованиям посвященным релаксации упругих напряжений, а также диффузии основных компонентов и легирующих примесей в SiGe системе. Во второй главе описана ростовая установка и основные методики, используемые для анализа исследуемых процессов. В третьей главе изложены процессы предростовой подготовки кремниевых пластин, их очистки от пассивирующего слоя SiCh непосредственно в ростовой камере, а также исследовано влияние остаточных загрязнений на качество структур Si/Si. Четвертая глава посвящена исследованию процессов релаксации упругих напряжений в Sii-xGex/Si структурах с Sii_xGex слоями различной ширины. В ней анализируются особенности возникающей дислокационной структуры на основе известных механизмов пластической деформации, а также влияние толщины пленки Sii_xGex на скорость релаксации напряжений и величину минимально достижимых остаточных напряжений. В пятой главе исследована диффузия сурьмы в трехслойной Si/Sii-xGex/Si<Sb> структуре с напряженным Sii_xGex слоем на основе модели, учитывающей влияние гетерограниц на перераспределение атомов сурьмы в трехслойной гетероструктуре. Определены эффективные коэффициенты диффузии Sb и энергия активации диффузии в напряженном слое Sio.85Geo.15-

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Подготовка подложек к эпитаксиалъному росту

Подготовка поверхности пластин к эпитаксиальному росту является одной из фундаментальных проблем Si МЛЭ [3]. Задачей предэпитаксиальной подготовки подложек является формирование, в идеале, атомарно-чистой (или, по крайней мере, содержащей минимальный уровень остаточных загрязнений), гладкой поверхности кремния.

Технологию подготовки пластин можно разделить на два этапа:

1) химическая обработка ex situ;

2) формирование чистой кремниевой поверхности in situ (в сверхвысоковакуумной системе).

Рассмотрим последовательно процедуры ex situ и in situ подготовки кремниевых подложек.

Применение стандартных методов химического травления поверхности Si непосредственно перед загрузкой подложек в вакуумную камеру нецелесообразно из-за адсорбции на чистой кремниевой поверхности углеводородов, СО, СО2 и воды [4]. При нагреве в вакууме этот адсорбированный слой взаимодействует с кремнием, образуя карбиды. Карбидные частицы могут служить центрами зарождения дефектов и торможения ступеней во время эпитаксиального роста. Поэтому, на последних стадиях подготовки Si пластин к эпитаксиальному росту на их поверхности обязательно формируется защитный слой. Чаще всего в качестве защитного слоя используется химически выращенный Si02. Разработан целый ряд методик осаждения химического диоксида кремния, различающегося по своим свойствам (толщине и стехиометрии) [5, 6]. Кроме того, ряд работ был посвящен созданию гидрированной

поверхности кремния [7-10]. Основным преимуществом использования гидридной пассивации по сравнению с оксидной является более низкая температура удаления водорода в вакууме (~600°С). Но при этом серьезной проблемой является нестабильность водородного покрытия на воздухе и, следовательно, необходимость немедленной загрузки подложек в вакуумную камеру и быстрой откачки системы до среднего (10 4 Па) вакуума (общее время на транспортировку, загрузку и откачку ~15 мин [9, 10]). В связи с этим, в 81 МЛЭ чаще используется формирование на поверхности подложек защитного 8102, за исключением тех случаев, когда недопустим нагрев пластин выше 600-700°С.

К настоящему времени разработан целый ряд процедур для удаления пассивирующего слоя 8Юг в вакууме:

а) Ионное распыление поверхностного оксида [11, 12].

б) Термическая десорбция оксида при температуре от 900 до 1200°С [4, 5,13].

в) Покрытие тонким слоем 81 и последующая термическая десорбция [14].

г) Термическая десорбция в потоке атомов 81 [15, 16].

Ионная очистка подробно исследована в работах Бина и др. [11, 12]. Главными недостатками этого метода являются сложность очистки подложек большого диаметра, высокие требования к чистоте инертного газа, возможность переноса загрязнений на подложку при попадании ионов на детали арматуры вакуумной камеры.

В процедурах б), в) и г) для удаления 8Юг используется термическая десорбция. Для получения чистой поверхности 81 по процедуре б) при использовании температуры < 1000°С [5, 13] необходимо, чтобы толщина оксидной пленки была не более 1 нм. Только в этом случае защитный 8Юг полностью удаляется за счет взаимодействия с кремнием подложки с образованием летучего 8Ю. В процессах в) и г) осуществляется

искусственная доставка 81 на поверхность 8102 и, поэтому, допускается большая толщина защитного оксида.

Стрейт и Аллен [16] провели серию экспериментов по изучению термической десорбции оксидной пленки с поверхности кремния. Они исследовали кинетику термической десорбции 8Юг, приготовленного в различных растворах, в сверхвысоком вакууме как в потоке атомов кремния, так и без потока. Было обнаружено, что очень тонкая оксидная пленка (~0.5 нм) удаляется в сверхвысоком вакууме при температуре ~800°С за 30 мин, в то время как пленка толщиной 2.5 нм при тех же условиях практически не десорбировалась. В то же время, в потоке атомов 81 (3x1013 см-2) пленка 8Ю2 толщиной 2.5 нм быстро десорбировалась при 800°С. Авторами был сделан вывод, что в случае тонкого оксида, летучий 8Ю формируется на границе 81/8Юг, а затем диффундирует к поверхности 8Ю2 и испаряется с нее. Увеличение толщины 8Ю2 подавляет испарение 8Ю. Поэтому, для "толстых" оксидных пленок необходима доставка атомов 81 на границу ЗЮг/вакуум для формирования на ней летучего 8Ю. Энергия активации десорбции такой пленки составляла 3.54 ± 0.2 эВ и уменьшалась в потоке атомов 81 до 0.84 + 0.2 эВ.

Во всех работах, посвященных предэпитаксиальной подготовке кремниевых пластин, наблюдалось небольшое количество избыточного углерода (< 0.01 монослоя) на 81 поверхности (см., например, [9, 10, 14]. Поэтому, целый ряд работ был посвящен изучению влияния остаточных загрязнений на кристаллическое совершенство эпитаксиальных пленок 81. Татсуми с коллегами [14] провели исследование кристаллического совершенства 81 слоев, выращенных на кремниевых подложках ориентации (111), (100) и (511), используя селективное химическое травление и оптическую микроскопию. Ими была оптимизирована процедура термической десорбции 8Юг при 780°С с предварительным покрытием поверхности тонким слоем 81. Затем авторы сравнили результаты, полученные при "стандартном" нанесении защитного 8Юг в кипящем растворе КШОН : Н2О2 : НгО и с пробулькиванием через этот

раствор озона. Добавка озона приводила к снижению плотности дислокаций для поверхности (100) на четыре порядка, а для роста на 81(111) плотность дислокаций снижалась приблизительно в пять раз и в пять раз снижалась плотность дефектов упаковки. Хирофьюджи и Мацуо [17] применили для нанесения защитного 8Ю2 тот же самый раствор, но без использования озона, а 8Юг десорбировали в потоке атомов 81. Ими была получена плотность ямок травления, практически равная величине, полученной Татсуми и др. [14] при использовании озонной очистки. Ишизака и Шираки [5] наблюдали примерно такую же плотность дислокаций при использовании подложек 81(100) окисленных в кипящем растворе НС1 : Н2О2 : Н2О без добавления озона. В работе [18] было показано, что высокая плотность дефектов наблюдалась в тех случаях, когда на поверхности подложки оставался избыточный кислород. В то же время, присутствие избыточного углерода на границе раздела подложка/эпитаксиальный слой не оказывало заметного влияния на плотность дефектов. Это свидетельствует, что углерод может аккомодироваться на границе подложка/пленка без образования дефектов упаковки и дислокаций в случае МЛЭ роста на 81(100). В работе [14] было подтверждено, что атом С связывается с поверхностью (100) двумя связями, которые образуют определенные углы с кремниевой решеткой. А относительно малое содержание избыточного углерода на поверхности (~0.01 монослоя), возможно, препятствует образованию кристаллитов карбида кремния, которые являются источником дефектов в эпитаксиальных слоях. На поверхности 81(111) углерод образует химическую связь нормальную к поверхности. Эта связь может легко вращаться, образуя метастабильные конфигурации, что приводит к образованию дефектов упаковки.

Еще один важный момент в предростовой подготовке кремниевых пластин связан с адсорбцией загрязнений (углеводородов, воды, СОг, СО)

шт

на пассивированной поверхности во^транспортировки подложек и их загрузки в установку М