СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕШЕТКИ В ВЫБРАННОЙ МАЛОЙ ОБЛАСТИ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО СЛОЯ С ГРАДИЕНТОМ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
METHOD FOR DETERMINING LATTICE PARAMETER IN SELECTED SMALL REGION OF EPITAXIAL LAYER WITH CHEMICAL COMPOSITION GRADIENT

Изобретение относится к дифрактометрическим методам исследования монокристаллов и может быть использовано, в частности, для контроля технологии при изготовлении полупроводниковых метаморфных гетроструктур, используемых для создания транзисторов миллиметрового диапазона длин волн.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Метаморфным слоем мы будем называть эпитаксиальный слой с градиентом химического состава в направлении роста. Метаморфная технология эпитаксиального выращивания гетероструктур имеет значительные достоинства и активно осваивается в настоящее время. Главным образом она применяется для выращивания гетероструктур с наноразмерной квантовой ямой для полевых сверхбыстродействующих транзисторов с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistor, HEMT). Диапазон рабочих частот таких транзисторов и область их применения определяются химическим составом активной области гетероструктур. Метаморфная технология применяется в случае сильного отличия параметров решетки подложки (GaAs) и активной области гетероструктуры (квантовая яма InAlAs/InGaAs/InAlAs, 0.3<x<1.0) и заключается в выращивании между подложкой и активной областью толстого (0.5-2 мкм) метаморфного слоя, который обычно называется метаморфным буфером. Изменение химического состава метаморфного буфера влечет за собой изменение параметра решетки вещества. Упругие напряжения, возникающие в метаморфном буфере из-за постепенного рассогласования параметра решетки, релаксируют с образованием трехмерной сетки дислокаций умеренной плотности, и в результате после формирования метаморфного буфера образуется достаточно планарная бездефектная поверхность с параметром решетки, требуемым для выращивания активной области. Активная область гетероструктуры выращивается на поверхности метаморфного слоя. Градиент состава метаморфного слоя определяется темпами изменения потоков химических элементов, образующих метаморфный слой, в процессе эпитаксиального роста. Из-за неизбежных технологических отклонений в процессе эпитаксиального роста происходит изменение химического состава активной области гетероструктуры, что в свою очередь вызывает дополнительные упругие напряжения и дефекты в гетероструктуре. Указанные явления ухудшают параметры транзисторов, в последующем изготовленных на таких гетероструктурах. Поэтому необходимо контролировать химический состав метаморфного слоя, к которому однозначно привязан химический состав активной области гетероструктуры.
Исследование полупроводниковых гетероструктур методом высокоразрешающей рентеновской дифрактометрии позволяет получить информацию о параметре решетки в различных направлениях. Для этого нужно измерить углы, при которых дифракционное отражение от различных кристаллографических плоскостей максимально - так называемые брэгговские углы. Известные параметры решетки в различных направлениях полностью характеризуют геометрию элементарной ячейки. Непосредственно из определенных значений параметра решетки можно рассчитать химический состав материала, упругую деформацию и напряжение его кристаллической структуры. Анализ распределения упругих деформаций по толщине в метаморфном буфере помогает при выборе оптимального дизайна метаморфного буфера и оптимального технологического режима его эпитаксиального роста.
Метаморфный слой может обладать ступенчатым изменением химического состава, то есть состоять из некоторого количества резко отличных друг от друга субслоев с однородным химическим составом. В этом случае высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия выявляет дифракционные отражения от каждого из субслоев. Максимумы дифракционного отражения от различных кристаллографических плоскостей в этом случае можно однозначно приписать конкретному субслою, и совместный анализ дифракционных отражений от различных плоскостей позволяет определить параметр решетки в различных направлениях для материала конкретного субслоя. Если же метаморфный слой обладает плавно изменяющимся химическим составом (фиг. 1), например линейным (фиг. 2), то высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия для дифракционного отражения от любой кристаллографической плоскости выявляет размытый платообразный рефлекс, относящийся к метаморфному слою в целом. В этом случае нет возможности измерить брэгговские углы дифракционных отражений от разных кристаллографических плоскостей, относящихся к выбранной области метаморфного слоя, следовательно, невозможно определить параметры кристаллической решетки в выбранной области внутри метаморфного слоя.
Профиль параметров решетки метаморфного слоя можно определить, моделируя кривую дифракционного отражения и подгоняя ее под экспериментальный результат ([1], глава 6, с. 133-135). Недостатком данного способа является то, что моделирование осуществляется с помощью коммерческих программных продуктов, поскольку интерференционные осцилляции могут быть весьма сложными и с трудом поддаются качественному анализу. Если в метаморфном слое существуют случайные колебания химического состава, обусловленные технологическими факторами, то кривые дифракционного отражения от такого метаморфного слоя почти не поддаются детальному моделированию.
Грубая оценка профиля параметров решетки метаморфного слоя может быть сделана при помощи способа [2]. Для этого нужно измерить кривую дифракционного отражения в режиме θ/2θ-сканирования, определить из нее разности между угловыми положениями интерференционных осцилляций и с помощью соответствующих формул вычислить градиент деформации метаморфного слоя. Указанный способ имеет следующие недостатки: во-первых, обработке поддаются только кривые дифракционного отражения, имеющие выраженную систему интерференционных осцилляций, в то время как на кривых дифракционного отражения от большинства метаморфных слоев таких осцилляций не наблюдается; во-вторых, способ подходит для анализа метаморфных слоев только с линейным и квадратичным профилями упругой деформации.
Профиль параметров решетки метаморфного слоя можно определить, стравливая слой соответствующей толщины с поверхности образца и проводя измерения параметра решетки с помощью рентгеновской дифрактометрии в тонком приповерхностном слое методом, описанным в работе [3]. Согласно этому методу измеряется угловое распределение вторичного излучения образца (флуоресцентное рентгеновское излучение и фотоэлектроны), которое однозначно определяется углом дифракции первичного рентгеновского излучения. Вторичное излучение выходит из гораздо более тонкого приповерхностного слоя, чем дифрагированное первичное излучение. Измеряя угловое распределение вторичного излучения, можно однозначно определить угол дифракции первичного излучения, соответствующий тонкому приповерхностному слою, в то время как при непосредственном измерении углового распределения первичного дифрагированного излучения определяется совокупность углов дифракции, соответствующих толстому слою на всей глубине распространения первичного излучения (глубина экстинкции). Указанный способ определения параметров решетки на любой толщине метаморфного слоя имеет следующие недостатки: во-первых, он требует наличия подходящего травителя с заданной скоростью травления и высокой однородностью травления по площади образца; во-вторых, после проведения измерений образец разрушается; в-третьих, требуется наличие детектора вторичного излучения; в-четвертых, толщина анализируемого приповерхностного слоя, равная глубине выхода вторичного излучения, может оказаться недостаточно малой для точного анализа профиля параметров решетки метаморфного слоя.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ определения упругих напряжений в монокристаллических материалах методом рентгеновской дифрактометрии [4]. В этом способе используется параллельный рентгеновский пучок и для дифракционного отражения выбираются такие кристаллографические плоскости, проекции нормалей которых на поверхность образца имеют минимальный угол отклонения от выбранного направления, в котором определяются упругие напряжения. Недостатком этого способа является то, что при исследовании материала с плавно меняющимся составом на полученных кривых дифракционного отражения или картах рассеяния рентгеновского излучения невозможно выделить рефлексы, относящиеся к конкретным малым областям метаморфного слоя, и определить по ним параметры решетки, состав и упругие деформации в этих малых областях.
Задачей предлагаемого изобретения является контроль распределения химического состава и величины упругого напряжения по толщине эпитаксиального слоя с градиентом химического состава (метаморфного слоя). Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является обеспечение возможности определения параметров решетки метаморфного слоя в произвольно выбранной малой области метаморфного слоя. Параметры решетки в общем случае различаются для разных направлений и характеризуют кристаллическую структуру вещества. Градиент химического состава существует в направлении эпитаксиального роста метаморфного слоя (нормальное направление), в плоскости метаморфного слоя градиент состава не учитывается из-за его малости (латеральные направления). Под произвольно выбранной малой областью метаморфного слоя понимается физически бесконечно тонкий латеральный субслой, кристаллическая структура которого везде одинакова и отличается от кристаллической структуры прилегающих областей.
Для достижения технического результата предлагается способ, заключающийся в том, что после достижения метаморфным слоем в процессе эпитаксиального роста некоторой произвольно выбранной толщины плавное изменение химического состава временно прекращается и формируется слой однородного химического состава толщиной 50-100 нм, после чего плавное изменение химического состава продолжается (фиг. 3, 4). Таким образом, в некоторой интересующей нас малой области метаморфного слоя находится однородный слой с такой же кристаллической структурой, как и непосредственно примыкающая к нему физически бесконечно малая область метаморфного слоя. В силу своей небольшой толщины сформированный дополнительный слой не вносит дополнительных упругих напряжений в метаморфный слой. При исследовании метаморфного слоя методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии этот слой даст отчетливый рефлекс на кривой дифракционного отражения (фиг. 5), по которому можно определить параметр решетки интересующей нас малой области метаморфного слоя, а следовательно, ее состав и упругую деформацию ее кристаллической структуры.
Методом эпитаксии выращивается толстый (0.5-2 мкм) слой с градиентом химического состава в направлении роста. Плавное изменение состава эпитаксиального слоя достигается плавным изменением температур молекулярных источников в установке молекулярно-лучевой эпитаксии (либо плавным изменением давления газов-носителей исходных веществ в установке металлорганической газофазной эпитаксии) с течением времени в процессе эпитаксиального роста слоя. Зависимость температур молекулярных источников (либо давлений газов-носителей исходных веществ) от времени для получения нужного профиля химического состава метаморфного слоя рассчитывается заблаговременно. Формирование дополнительного слоя достигается прекращением изменения температур молекулярных источников (либо прекращением изменения давлений газов-носителей исходных веществ) и продолжением эпитаксиального роста с постоянными температурами молекулярных источников (либо с постоянными давлениями газов-носителей исходных веществ) в течение времени, необходимого для выращивания слоя толщиной ~50-100 нм, после чего температуры молекулярных источников (либо давления газов-носителей исходных веществ) снова начинают плавно меняться, тем самым продолжается эпитаксиальный рост слоя с градиентом химического состава.
Выбираются оптимальные кристаллографические плоскости (например, (400) и (422)) и измеряются кривые дифракционного отражения от них в режиме θ/2θ-сканирования. На кривых дифракционного отражения на фоне широкого платообразного рефлекса от толстого слоя с градиентом химического состава четко проявляется пик от слоя с однородным химическим составом, выращенного в выбранной области толстого слоя с градиентом химического состава. Определяются брэгговские углы, соответствующие этому пику. Рассчитываются нормальный и латеральные параметры решетки материала этого слоя, характеризующие кристаллическую структуру выбранной области толстого слоя с градиентом химического состава.
[1] Д.К. Боуэн, Б.К. Таннер. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография / Перевод с английского. - СПб.: Наука, 2002. - 274 с.
[2] Авторское свидетельство №1629753 А1. Рентгенодифракционный способ определения градиента деформации неоднородных по составу монокристаллических пленочных образцов / Ю.П. Хапачев, М.Н. Барашев, А.К. Шухостанов, Ф.Н. Чуховский. - 4493424/28; заявл. 04.08.1988; опубл. 23.02.1991, бюл. №7.
[3] Авторское свидетельство №584234. Способ измерения параметров решетки монокристаллов и устройство для его реализации / В.Е. Батурин, P.M. Имамов, М.В. Ковальчук, Э.К. Ковьев, В.Е. Палапис, С.А. Семилетов, Ю.Н. Шилин; заявитель Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова, Специальное конструкторское бюро Института кристаллографии им. А.В. Шубникова, Научно-исследовательский институт «Сапфир». - 239580118-25; заявл. 16.08.1975; опубл. 15.12.1977, бюл. №46.
[4] Патент РФ на изобретение №2427826. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из монокристаллических материалов рентгеновским методом / А.А. Алексеев, И.А. Тренинков; патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»). - 2010118501/28; заявл. 11.05.2010; опубл. 27.08.2011, бюл. №24.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и 2 изображен профиль параметра решетки метаморфного слоя (1). Указаны выбранные малые области метаморфного слоя, в которых нужно определить состав и упругую деформацию (2). Фиг. 1 показывает линейный профиль параметра решетки метаморфного слоя, фиг. 2 - нелинейный профиль.
На фиг. 3 и 4 изображен профиль параметра решетки метаморфного слоя (1), который содержит слои однородного состава (3), выращенные в выбранных областях (2). Фиг. 3 показывает линейный профиль параметра решетки метаморфного слоя, фиг. 4 - нелинейный профиль.
x
1-x
На фиг. 5 изображена кривая дифракционного отражения в режиме θ/2θ-сканирования от одной из кристаллографических плоскостей метаморфного слоя InAlAs, который содержит монокристаллические слои с однородным составом толщиной 100 нм, выращенные в заранее выбранных малых областях. На фоне платообразного рефлекса от метаморфного слоя (4) четко видны пики, соответствующие слоям однородного состава (5). Также наблюдается пик от подложки (6).