Получение структур CaF2/Si (100) методом твердофазной эпитаксии

УДК 621.382

А.А. Величко, В.А. Илюшин, Н.И. Филимонова

Получение структур СаР2/Бі(100) методом твердофазной эпитаксии

Проведено исследование влияния режимов ТФЭ на морфологию поверхности эпитаксиальных плёнок СаР2 на поверхности 8і(100) в условиях наличия микронеровностей на исходной поверхности подложек Х(Бі) = 3 нм. Предложен метод многостадийной ТФЭ для получения максимально гладкой поверхности СаР2. Сделано предположение, что твердофазная эпитаксия является наиболее приемлемым способом получения максимально гладких пленок в случае резкой анизотропии свободной поверхностной энергии в материалах подложки и пленки.

Ключевые слова: МЛЭ, АСМ, фторид кальция, кремний, морфология поверхности, твёрдофазная эпитаксия.

Одним из перспективных направлений развития современной микро- и наноэлектроники является создание приборов и структур «полупроводник на изоляторе», в том числе «кремний на изоляторе» (КНИ). Технология приборов на основе КНИ-структур составляет основу «экстремальной электроники», обеспечивающей создание материалов и приборов, функционирующих в экстремальных условиях и режимах эксплуатации, в том числе в условиях высоких (250-1000 С) температур и высоких уровней радиационных воздействий, а также для эксплуатации в системах с повышенными значениями показателей «напряжение - плотность тока» и «мощность - частота» [1]. Сегодня наиболее широкое промышленное применение имеют структуры БІМОХ, которые получают методом ионной имплантации кислорода с последующим отжигом. Кроме высокой стоимости, одним из основных недостатков таких структур является неоднородная толщина слоя кремния из-за случайного (гауссового) распределения атомов кислорода в процессе ионной имплантации и последующего отжига [2].

Одним из вариантов создания КНИ является использование гетероэпитаксиальной системы Бі/СаР2/8і(100), где в качестве диэлектрика используется слой фторида кальция, имеющего кристаллическую решетку сходную с кремниевой и ширину запрещенной зоны 12 эВ. Эти структуры получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии в замкнутом технологическом цикле. Однако из-за того что величина свободной поверхностной энергии у СаБ2 минимальна в направлении (111), рост на поверхности (100) Бі происходит по трехмерному механизму с образованием фасетированной поверхности, представляющей собой пирамиды роста высотой 20-50 нм [3]. При этом следующий эпитаксиальный слой кремния также становится неоднородным по толщине, что ограничивает приборное применение таких структур. Поэтому крайне важным является разработка технологии получения слоев СаБ2 с атомарно-гладкой поверхностью. Кроме того, известно, что расположение тонкого (5-10 нм) слоя Бі между слоями широкозонного диэлектрика СаБ2 приводит к эффекту квантового ограничения, когда энергетический спектр в слое кремния квантуется (становится дискретным). Существуют многослойные структуры такого типа, содержащие до сотни слоев Бі и СаБ2 [4]. Получение таких структур осуществляется последовательным напылением СаБ2 и Бі в условиях СВВ и завершается отжигом. Тонкие структуры удаётся получить монокристаллическими, но толстые многослойные СаР2/8і-струкгурьі получаются поликристаллическими [4]. Многослойные мо-нокристаллические наноструктуры СаР2/Бі с толщинами слоев ё = 5-10 нм, в которых энергетический спектр квантуется, обладают светоизлучающей способностью [5] и перспективны для использования в наноэлектронике и нанофотонике [6]. Однако при столь малых толщинах слоёв СаБ2 и Бі шероховатость нижележащего слоя Бі может привести к резкому возрастанию дефектности вышележащего слоя СаБ2 из-за анизотропии свободной поверхностной энергии этих материалов, а в многослойных структурах высота неоднородностей с каждым новым слоем катастрофически возрастает [7].

В этом случае, также как и для КНИ структур, реализация приборов наноэлектроники и нано-фотоники требует атомарно-гладких слоев СаБ2 и Бі - по крайней мере, высота дефектов на поверхности слоя X должна быть существенно меньше толщины этого слоя ё ( <3-5 нм). Модельные представления о процессах осаждения и поверхностной миграции атомов и молекул позволяют

предположить, что наиболее гладкими являются пленки, осажденные при низких температурах, при которых процессами поверхностной диффузии и, следовательно, коалесценции молекул в островки можно практически пренебречь. Однако при этом пленки получаются аморфными или поликри-сталлическими. Для получения монокристаллических пленок необходимо использовать отжиг. Толстые пленки при отжиге не удается превратить в монокристаллические слои достаточно хорошего качества. Кроме того, длительный отжиг приводит к заметной морфологической перестройке и ухудшению морфологии фторида кальция. Метод осаждения пленок при низких температурах, при которых практически отсутствует поверхностная диффузия, с последующей рекристаллизацией называется твердофазной эпитаксией (ТФЭ).

В работах [8, 9] уже были исследованы процессы роста CaF2 на подложках Si(100). Поэтому, целью данной работы было изучение морфологии поверхности плёнок CaF2, полученных на подложках Si(100) методом твердофазной эпитаксии.

Методика эксперимента. Плёнки CaF2 осаждались в установке МЛЭ «Ангара» на подложках Si(100) КЭФ-5. Стандартная предэпитаксиальная обработка подложек кремния включала стадии очистки в органических растворителях, стравливание окисла в HF и формирование пассивирующего окисла в H2O:H2O2:HNO3. После загрузки подложки в модуль роста диэлектрических слоёв пассивирующий окисел удалялся отжигом при температуре —800 °С до появления отчётливой дифракционной картины Si(100)-(2*1). Затем подложка охлаждалась до температуры, близкой к комнатной, RT (Room Temperature), проводилось осаждение плёнки CaF2, после чего проводился отжиг при температуре 900 °С. Процесс кристаллизации при отжиге контролировался дифракцией быстрых электронов (ДБЭ). Время отжига выбиралось таким, чтобы на экране ДБЭ появлялись рефлексы или тяжи, соответствующие монокристаллической пленке. Типичное время отжига составляло 20-30 с.

После завершения процесса осаждения исследование морфологии поверхности структур проводилось с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) NT-MDT Solver P47H. Следует отметить, что для исключения артефактов, обусловленных неоднородностями молекулярного потока и температуры по площади подложки, измерения АСМ всегда проводились в точках, имеющих одинаковое конфигурационное расположение относительно устройств ростовой камеры. Сканирование проводилось в полуконтактном режиме с использованием кремниевых кантилеверов типа NSG-10, имеющих резонансную частоту 190-325 кГц. Характерное латеральное разрешение АСМ было 10-20 нм. Разрешение по направлению к нормали поверхности - 1-2 А. При измерениях сканирование проводилось параллельно и перпендикулярно направлению базового среза подложки Si(100), т.е. вдоль направлений [110] и [110]. Перед началом осаждения морфология поверхности подложек подвергалась входному контролю. Как указывалось в [12], в нашем распоряжении имелось два вида подложек: тип (А) с высотой рельефа Z (Si) = 3 нм и тип (В) с Z(Si) = 0,7 нм. Ранее на этих подложках были получены плёнки CaF2 различной толщины в высокотемпературном (750 °С) и низкотемпературном (500 °С) режимах роста. Предыдущие эксперименты [8, 9] показали, что размеры дефектов на поверхности CaF2 резко возрастают, если на подложке имеются шероховатости (дефекты) высотой около 3 нм. При толщине слоев CaF2 порядка 200 нм в высокотемпературном режиме роста средняя величина микронеровностей поверхности составила Z (CaF2) = 54 нм, а при низкотемпературном режиме, при толщине слоя CaF2 порядка 75 нм - Z (CaF2) = 45 нм (табл. 1). На основании полученных результатов можно сделать вывод, что независимо от температурных режимов для достаточно толстых пленок (более 100 нм) значения ZGp достигают 50-60 нм.

Это означает, что получение многослойных наноструктур при данных методах роста невозможно. Поэтому стояла задача найти такие методы получения монокристаллических многослойных структур, при которых значения Z^ не превышают 10 нм. Для сравнения с характеристиками ранее полученных плёнок [8, 9] мы получили методом ТФЭ слои CaF2 толщиной 75 нм с величиной Z(CaF2) < 10 нм.

Таблица 1

Технологические режимы роста CaF2/Si (100)_________________

Номер образца Температура подложки Та °С Эффективная толщина плёнки, нм ^р, нм

A52 5GG ~У5 -45

A55 75G -2GG -54

Режимы осаждения методом ТФЭ, приведенные в табл. 2. В первой колонке представлены последовательность технологических процессов роста, во второй - температура подложки в градусах С; в третьей - толщина пленки в нм. Всего было выращено 3 образца: 56-1, 56-2, 56-3. Все образцы были выращены при одинаковых условиях на одинаковых подложках с высотой поверхностных микронеровностей порядка 3 нм. Результаты также оказались одинаковы. Поэтому в таблице приведены данные только для одного образца. Процесс осаждения проводился следующим образом. После отжига до получения от подложки кремния ДБЭ сверхструктуры (2*1) подложка удалялась из зоны нагрева и остывала до ЯТ. Далее в течение 6 мин проводилось осаждение СаБ2 с последующим быстрым отжигом при Т$ = 900 °С в течение 30 с. Осаждение при ЯТ позволяет эффективно снизить коэффициент диффузии СаБ2 и повысить плотность центров зарождения, в то время как отжиг позволяет получить монокристаллические пленки.

Затем в течение 10 мин температура подложки понижалась, после чего производилось осаждение СаБ2 в течение 10 мин. Динамика нагрева и роста определялась аппаратной функцией установки МЛЭ.

Таблица 2

Технологические режимы ТФЭ CaF2/Si(100)_________________

Технологическая операция Температура подложки Т, оС Толщина слоя, нм

Осаждение 30 ~15

Отжиг 30 с 900

Охлаждение

Осаждение 30 ~25

Отжиг 30 с 900

Охлаждение

Осаждение 30 ~25

Отжиг 30 с 900

На заключительном этапе в течение 15 мин температура подложки снова понижалась, после чего производилось осаждение СаБ2 в течение 10 мин. Результирующая толщина образца составляла 65 нм, средняя величина микронеровностей поверхности составила ~5-6 нм.

На рис. 1 и 2 представлены результаты исследования морфологии поверхности методом АСМ для образцов серии А56, полученных методом ТФЭ. Область сканирования 2x2 мкм2.

Из рис. 1, а, б видно, что поверхность подложки образцов серии А56 равномерно покрыта трёхмерными островками округлой формы, несколько вытянутой вдоль направления [110], средней высотой до 6 нм. Плёнка является сплошной, латеральные размеры островков составляют порядка 66100 нм вдоль направления [110], и порядка 77-170 нм вдоль направления [110].

Из приведенных данных следует, что при толщинах пленок СаБ2, порядка 65 нм средняя высота микронеровностей 2ср составляет всего 5-6 нм, в отличие от пленок СаБ2, выращенных на таких же подложках при температурах 500 °С, у которых при толщинах 75 нм значение составляет порядка 45 нм.

а б

Рис. 1. Трёхмерное АСМ-изображение морфологии поверхности образца А56-1 - а; б - статистическое распределение высот микронеровностей на поверхности образца А56

0,5 1,0 1,5 мм

а

мкм

1,6 Bgftr, I-6

0,8 0,8

0,4 0,4

0 О

в г

Рис. 2. Двумерное АСМ-изображение морфологии поверхности образца А56-3 - а; б - трёхмерное АСМ-изображение морфологии поверхности образца А56-3; в - профиль поверхности образца вдоль оси Х А56-3; г - статистическое распределение высот микронеровностей на поверхности образца А56-3

б

Таким образом, впервые предложенная технология «многоступенчатой» твердофазной эпитаксии позволила почти в 10 раз снизить высоту морфологических микронеровностей поверхности. Предложенная методика роста позволяет снизить требования к морфологии нижележащего слоя и обеспечивает возможность формировать многослойные наноструктуры.

Литература

1. Мордкович В.Н. Структуры «кремний на изоляторе» - перспективный материал микроэлектроники // Материалы электронной техники. - 1998. -№ 2. - С. 4-7.

2. Вялых Д.В. Исследование микротопографии поверхностей SiO2 и Si межфазной границы Si/SiO2 в структурах SIMOX методом сканирующей туннельной микроскопии / Д.В. Вялых, С.И. Федосеенко //ФТП. - 1999. - Т. 33, вып. 6. - С. 708-711.

3. Fathauer R.W. Surface morphology of epitaxial CaF2 films on Si substrates / R.W. Fathauer, L.J. Schowalter // Appl. Phys. Lett. - 1984. - Vol. 45, №. 5. - P. 519-521.

4. Electroluminescence from silicon nanocrystals in Si/CaF2 superlattices / V. Ioannou - Sougleridis,

A.G. Nassiopoulou, T. Ouissse F. Bassani, F. Arnaud d’Avitaya // Appl. Phys. Lett. - 2001. - Vol. 79, № 13. - P. 2076-2078.

5. Борисенко В.Е. Электролюминесценция наноразмерных слоистых структур кремния /

B.Е. Борисенко, А. Л. Данилюк, А.Н. Холод // Микроэлектроника. - 1998. - Т. 27, № 4. - С. 273-281.

6. Пат. 2 300 855 РФ, МПК H 05 B 033/00. Инжекционное светоизлучающие устройство / А.А. Величко (РФ), В.А. Илюшин (РФ), Ю.Г. Пейсахович (РФ), А.А. Штыгашев (РФ). -№ 2 005 121 315 / 28; заявл. 20.01.05; опубл. 10.06.07. Бюл. № 16. - 3 с.

7. Величко А.А. Разработка технологии оптоэлектронных ИС на гетероструктурах полупроводник - (Ca, Sr, Ba) F2 - полупроводник: дис. д-ра техн. наук. - 1999. - 372 с.

8. Влияние температурных режимов роста на морфологию поверхности плёнок СаР2/Б1(100), полученных МЛЭ / А.А. Величко, В.А. Илюшин, Н.И. Филимонова // Научный вестник НГТУ -2007. - № 3(28). - С. 197-202.

9. Влияние микронеровностей поверхности подложки 81(100) на морфологию поверхности эпитаксиальных слоёв СаБ2 в низкотемпературном режиме роста / А.А. Величко, В.А. Илюшин, Н.И. Филимонова // Научный вестник НГТУ. - 2010. - № 3. - С. 111-118.

Величко Александр Андреевич

Д-р техн. наук, профессор каф. полупроводниковых приборов и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета (ППиМЭ НГТУ) Тел.: 8 (383-3) 46-08-75 Эл. почта: уе16049@уаМех.ги

Илюшин Владимир Александрович

Канд. техн. наук, доцент. каф. ППиМЭ НГТУ Тел.: 8 (383-3) 46-08-75

Филимонова Нина Ивановна

Канд. техн. наук, ст. преподаватель каф. ППиМЭ НГТУ

Тел.: 8 (383-3) 46-08-75

Эл. почта: тпаШ1топоуа@^.ги

Velichko A.A., Ilyushin VA., Filimonova N.I.

Growth of CaF2/Si (100) structures by solid-phase epitaxy method.

MBE growth of CaF2 layers on Si (100) has been studied by various growth techniques. Influence of solid-phase epitaxy (SPE) on the surface morphology of the CaF2 films on Si (100) surface having microroughnesses about 3 nm was studied. To obtain as much as possible smooth surface of CaF2 films the multistage solid-phase epitaxy method is offered. It is supposed that SPE is the most comprehensible method to overcome thermodynamic limitation due to sharp anisotropy of surface free energy of substrate and film.

Keywords: MBE, AFM, calcium fluoride, silicon surface morphology, solid-phase epitaxy.