СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
METHOD OF GROWING SILICON-GERMANIUM HETEROSTRUCTURES

Изобретение относится к технологии эпитаксии кремний-германиевой гетероструктуры, основанной на сочетании сублимации кремния с поверхности источника кремния, разогретого электрическим током, и осаждения германия из германа в одной вакуумной камере, и может быть использовано для производства полупроводниковых структур.
1-x
x
Одним из базовых критериев эффективности современной технологии эпитаксии является контролируемость процесса выращивания полупроводниковых гетероструктур, заключающаяся в выборе и поддержании такого технологического параметра, как скорость роста, обеспечивающей гарантированный выход качественного годного в пределах допустимого разброса концентраций полупроводниковых составляющих, в частности кремния и германия в кремний-германиевой гетероструктуре, выращиваемой рассматриваемым в настоящей заявке методом одновременного проведения сублимации и напыления кремния и осаждения германия из германа на одну подложку в одной вакуумной камере с образованием твердого раствора SiGe.
1-x
x
4
Вместе с тем, представляя собой сублимацию кремния в среде германа при одновременном поступлении на подложку атомарного потока кремния от сублимирующего источника кремния и атомарного (со ступенчатым молекулярным высвобождением) потока германия в результате пиролиза его гидрида (германа), введенного в ростовую (вакуумную) камеру, образующих поток гомогенной смеси атомов кремния и германия, рассматриваемое комбинированное выращивание в связи с пропусканием электрического тока через источник кремния (см. например, статью Светлова СП. и др. «Гетероэпитаксиальные структуры SiGe/Si(100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH». - Известия РАН. Серия физическая. 2001, т. 65, с. 204) соответствует особым условиям наложения друг на друга (в отличие от режима совместного одновременного, но автономного проведения двух технологических процессов) сублимационной эпитаксии кремния и осаждения германия из германа, проявляющего при наличии в ростовой камере нагретого электрическим током источника кремния свойства метода «горячей проволоки», описанного, например, в статье Орлова Л.К. и др. «Особенности кинетики роста слоев твердого раствора кремний-германий из силана и германа при наличии в вакуумной камере дополнительного нагретого элемента» в Журнале технической физики. 2000, т. 70, вып. 6, с. 102.
Вследствие изложенной особенности рассматриваемого метода комбинированного выращивания кремний-германиевой гетероструктуры последний, как еще недостаточно технологически освоенный метод в настоящее время (см., например, общую рекомендацию изменять соотношение концентраций германия и кремния в смешанном пучке и, соответственно, в растущей гетероструктуре, варьируя температуру источника кремния и парциальное давление германа в ростовой камере без технологических рекомендаций по обеспечению стабильного качества выращиваемой гетероструктуры, в пособии Филатова Д.О. и др. «Фотоэлектрические свойства наноструктур GeSi/Si». Н. Новгород, ННГУ, 2010, с. 26), характеризуется при практической реализации недостаточно высокой стабильностью содержания германия в твердом растворе SiGe, выражающейся в разбросе указанного параметра в 15% (см. кривую 1 на рис. 2 в статье Шенгурова В.Г. и др. «Установка и вакуумный метод эпитаксиального выращивания многослойных структур, содержащих слои Si, Ge и SiGe». - Вакуумная техника и технология. 2011, т. 21, №1, с. 47).
-4
Указанный недостаток недопустим при изготовлении полупроводниковых приборов на гетероструктурах и является основным недостатком изложенного в указанной выше статье Шенгурова В.Г. и др. (выбранного в качестве прототипа заявляемого способа) способа выращивания кремний-германиевой гетероструктуры (на Si(100) подложке, нагреваемой до 500°C) путем испарения сублимационной пластины, выполненной из кремния или кремния с легирующей примесью и нагреваемой (до 1300°C) в результате пропускания через нее электрического тока, и одновременного осаждения германия из газовой среды германа при низком давлении (6·10 Торр) в одной вакуумной камере.
Технический результат предлагаемого изобретения - разработка основанного на сублимации кремния в среде германа способа комбинированного выращивания высокостабильной малодефектной кремний-германиевой гетероструктуры с улучшенной контролируемостью процесса выращивания, на уровне создания режимной основы реализации программно-управляемого технологического процесса роста высококачественной гетероструктуры.
Пл
Для достижения указанного технического результата в способе выращивания кремний-германиевой гетероструктуры путем испарения сублимационной пластины, выполненной из кремния или кремния с легирующей примесью и нагреваемой в результате пропускания через нее электрического тока, и одновременного осаждения германия из газовой среды германа при низком давлении в одной вакуумной камере, выращивание ведут в условиях направленного напуска германа на упомянутую сублимационную пластину в вакуумной камере и при поддерживании скорости роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V, определяемой в зависимости от температуры нагрева указанной сублимационной пластины T в соответствии с выражением
где α и β - коэффициенты, экспериментально оцениваемые методом линейной аппроксимации в интервале технологически допустимых расстояний от испаряемой поверхности сублимационной пластины до рабочей поверхности подложки, и при температуре нагрева подложки, выбираемой из интервала 300-400°С.
Пл
При расстоянии от испаряемой поверхности пластины до рабочей поверхности подложки 35 мм выращивание ведут при поддерживании скорости роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V, определяемой в зависимости от температуры нагрева сублимационной пластины T в соответствии с выражением
В частных случаях осуществления предлагаемого способа, соответствующего требованиям соблюдения выражения (2):
Пл
1-x
x
18
3
-4
выращивание ведут при нагреве до T=1300°C сублимационной пластины, выполненной из кремния, легированного атомами эрбия до концентрации 10 ат/см, в условиях направленного напуска германа на эту пластину при давлении 4·10 Торр и со скоростью роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V=2,1 А/с, на подложке, представляющей собой пластину кремния Si (100), нагретую до температуры 350°C, получая высокостабильный по отсутствию дефектов роста слой структуры SiGe:Er толщиной 1,5 мкм;
Пл
1-x
x
18
3
-4
выращивание ведут при нагреве до T=1250°C сублимационной пластины, выполненной из кремния, легированного атомами эрбия до концентрации 10 ат/см, в условиях направленного напуска германа на эту пластину при давлении 4·10 Торр и со скоростью роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V=1,2 А/с, на подложке, представляющей собой пластину кремния Si (100), нагретую до температуры 350°C, получая высокостабильный по отсутствию дефектов роста слой структуры SiGe:Er толщиной 0,8 мкм.
1-x
x
На фиг. 1 представлена схема установки для проведения предлагаемого способа выращивания кремний-германиевой гетероструктуры; на фиг. 2 - микрофотография малодефектной гетероструктуры SiGe:Er, выращенной с помощью установки на фиг. 1 при нагреве кремниевой подложки до 350°C.
4
Установка для проведения предлагаемого способа (см. фиг. 1) содержит вакуумную камеру 1 с размещенной в ней сублимационной пластиной 2, выполненной из кремния или кремния с легирующей примесью (бор, фосфор, эрбий) и подключенной к регулируемому блоку электропитания 3, подложкой 4, представляющей собой пластину кремния Si(100) и снабженной своим электрическим нагревателем 5, а также подвижным экраном (заслонкой) 6, расположенным между пластиной 2 и подложкой 4 и трубчатым газовводом (соплом) 7, сориентированным своим рабочим выходом с условием направленного напуска германа (GeH) на пластину 2 (вдоль нее).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
-8
Вакуумную камеру 1 откачивают до давления ≤1·10 Торр, включают электрический нагреватель 5 подложки 4, нагревают последнюю до температуры 1200°C и выдерживают при этой температуре в течение 10 минут.
С помощью блока электропитания 3 повышают электрический ток, пропускаемый через сублимационную пластину 2, до величины тока, соответствующей температуре отжига (как правило ~1350°C), и выдерживают при этой температуре в течение 10 минут.
Затем температуру подложки 4 снижают до 1000°C, формируют при нагретой до 1370°C сублимационной пластине 2 технологически рекомендуемый буферный эпитаксиальный слой кремния толщиной ~200 нм.
Пл
1-x
x
3
-5
После этого снижают температуру подложки 4 до температуры роста слоя кремний-германиевой гетероструктуры (300-400°C) и для поддерживания заданной скорости роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V устанавливают температуру сублимационной пластины 2 на уровне величины T в соответствии с выражением (1), имеющим частный вид (2) при технологически допустимом расстоянии 35 мм (выбранном из интервала расстояний 25-40 мм, соответствующего условию обеспечения приемлемых величин скорости роста, обусловленных производственной производительностью изготовления полупроводниковых приборов) от испаряемой поверхности пластины 2 до рабочей поверхности подложки 4 и направленно (вдоль испаряемой поверхности сублимационной пластины 2) напускают через трубчатый газоввод (сопло) 7 в вакуумную камеру 1 рабочий газ герман до давления в указанной камере 1·10-1·10 Торр, затем открывают экран 6 и выращивают слой SiGe с заданным содержанием германия в слое (х=0÷50%). Причем направленный напуск германа на пластину 2, участвующий в повышении стабилизации выращивания малодефектной кремний-германиевой гетероструктуры в результате усиления потока гомогенной смеси атомов кремния и германия, поддерживается постоянным в процессе выращивания кремний-германиевой структуры по мере расхода (пиролиза) напущенного германа.
Примеры предлагаемого выращивания кремний-германиевой гетероструктуры, соответствующие расстоянию 35 мм от испаряемой поверхности пластины 2 до рабочей поверхности подложки 4 и выражению (1), приобретающему при экспериментально оцененных для указанного расстояния эмпирических коэффициентах α=0,0176 и β=20,7554 вид выражения (2):
Пл
1-x
x
18
3
-4
выращивание ведут при нагреве до T=1300°C сублимационной пластины 2, выполненной из кремния, легированного атомами эрбия до концентрации 10 ат/см, в условиях направленного напуска германа на эту пластину при давлении 4·10 Торр и с заданной скоростью роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V=2,1 А/с, предварительно оцененной с помощью выражения (2), на подложке 4, представляющей собой пластину кремния Si (100), нагретую до температуры 350°C, получая высокостабильный по отсутствию дефектов роста слой структуры SiGe:Er (x=28%) толщиной 1,5 мкм;
Пл
1-x
x
18
3
-4
выращивание ведут при нагреве до T=1250°C сублимационной пластины 2, выполненной из кремния, легированного атомами эрбия до концентрации 10 ат/см, в условиях направленного напуска германа на эту пластину при давлении 4·10 Торр и с заданной скоростью роста слоя кремний-германиевого твердого раствора V=1,2 А/с, предварительно оцененной с помощью выражения (2), на подложке 4, представляющей собой пластину кремния Si (100), нагретую до температуры 350°C, получая высокостабильный по отсутствию дефектов роста (см. фиг.2) слой структуры SiGe:Er (x=25%) толщиной 0,8 мкм.
Структура Si/SiGe:Er, показанная на фиг.2, выращена на подложке Si(100) при температуре 350°C и исследована с помощью просвечивающего электронного микроскопа. На указанной фигуре представлено ее поперечное сечение, где видно, что дислокации в активном слое SiGe:Er локализуются вблизи границы данного слоя с подложкой. Толщина слоя SiGe:Er с высокой плотностью дислокаций не превышает 100 нм. Выше этого слоя SiGe:Er дислокации уже не прорастают дальше в активный слой, а остаются локализованными вблизи гетерограницы, и таким образом вышележащий слой растет малодефектным.
Предлагаемый способ выращивания кремний-германиевой гетероструктуры характеризуется повышенной стабильностью выходных параметров: разброс содержания германия в гетероструктурах SiGe не превышает 3% при высокой степени отсутствия дефектов в слое указанной гетероструктуры и высокой плотности дефектов, сосредоточенных у границы «подложка/слой» и обозначенных на фиг. 2. в виде области локализации дислокаций в подслое, не превышающем 100 нм.
1-x
х
Такой же высокостабильный по отсутствию дефектов роста слой структуры SiСе:Er получают при температуре нагрева подложки 4:300°C и 400°C, с появлением дефектов роста при 10-15%-м выходе температуры нагрева подложки 4 из интервала 300-400°C.
1-x
x
Пл
1-x
x
При этом выражение (1), представляя собой зависимость скорости роста слоя структуры SiGe:Er V от температуры нагрева сублимационной пластины 2 T при проведении сублимации кремния в формируемой направленным напуском вдоль испаряемой поверхности сублимационной пластины 2 среде германа, является существенной характеристикой (существенным признаком обеспечения) самого процесса выращивания малодефектной кремний-германиевой гетероструктуры (см. изложенное ниже подтвержденное экспериментально обоснование на основе анализа физического механизма рассматриваемого выращивания), создающей режимные возможности повышения контролируемости выращивания высокостабильного по отсутствию дефектов роста слоя структуры SiGe:Er на уровне закладки базы реализации программно-управляемого технологического процесса роста высококачественной гетероструктуры.
Si
Ge
Пл
НагрЭл
Пл
-8
-4
Отдельно экспериментально оцененные (при расстоянии 35 мм от испаряемой поверхности пластины 2 до рабочей поверхности подложки 4) линейные зависимости скорости роста кремния V при его сублимации без германа и скорости роста германия V при его осаждении из германа от температуры нагрева, соответственно T сублимационной пластины 2 при 1·10 Торр вакуумной камере и T одинакового по размерам с пластиной 2 танталового нагревательного элемента при давлении 4·10 Торр германа в вакуумной камере позволяют наглядно (с раскрытием физического механизма процесса выращивания) получить искомую (суммарную) зависимость скорости роста кремний-германиевой гетероструктуры v при сублимации кремния в среде германа от температуры нагрева T сублимационной пластины 2 - выражение (2).
Si
Так при выращивании слоя кремния для скорости роста кремния V получаем выражение
Si
Пл
в результате линейной аппроксимации экспериментально измеренных V (0,16667; 0,91667; 1,71667 А/с) при T (1250, 1300, 1360°C):
Y=А+В·X, где коэффициенты А и В составляют величины, содержащиеся в следующей таблице 1.
Ge
А при выращивании слоя германия для скорости роста германия V получаем выражение
Si
Пл
в результате линейной аппроксимации экспериментально измеренных V (1,11111; 1,80556; 1,66667; 1,94444 А/с) при T (1270, 1380, 1430, 1490°C):
Y=А+В·X, где коэффициенты А и В составляют величины, содержащиеся в следующей таблице 2.
1-x
x
Для скорости роста V кремний-германиевого твердого раствора SiGe:Er получаем суммарную величину
При этом физический механизм основанного на сублимации кремния в среде германа предлагаемого комбинированного процесса выращивания стабильной малодефектной кремний-германиевой гетероструктуры заключается в следующем.
1-x
x
Основная особенность указанного физического механизма - в преобладании разложения (пиролиза) германа вблизи более нагретой сублимационной пластины 2, например до 1300°C, над аналогичным процессом вблизи менее нагретой подложки 4, например до 350°C, в связи с чем отпадает необходимость поддерживания общепринятой температуры нагрева подложки 4 выше или на уровне 500°C, характерной для традиционной сублимации кремния и необходимой для предотвращения срывов эпитаксиального роста слоя кремния при температуре подложки ниже 400°C из-за недостаточной миграции атомов кремния по ее поверхности и, как следствие, трехмерного (островкового) роста слоя с большим количеством различных дефектов, в том числе дислокаций (см. сведения о возможных дефектах при указанном понижении температуры подложки в статье на англ. яз. авторов Lee N.E., Matsuoka М., Sardela M.R., Tian F., Greene J.E. «Growth, microstructure, and strain relaxation in low-temperature epitaxial SiGe alloys deposited on Si(001) from hyperthermal beams» - J. Appl. Phys., 1996, v. 80, p. 812).
В условиях направленного напуска германа вдоль испаряющейся поверхности сублимационной пластины 2 и указанного понижения температуры нагрева подложки 4 возникает возможность обеспечения процесса выращивания стабильной малодефектной кремний-германиевой гетероструктуры на уровне заданных приемлемых скоростей роста указанной гетероструктуры, создающих режимную основу реализации программно-управляемого технологического процесса роста высококачественной гетероструктуры.
При этом при более низкой температуре (300-400°C) нагрева подложки 4 атомарный водород, образующийся при разложении германа вблизи подложки 4, не улетучивается с ее рабочей поверхности, а покрывает последнюю и предотвращает поверхностную сегрегацию атомов германия на поверхности роста (см. статью на англ. яз. авторов Rudkevich Е., Liu Feng, Savage D.E., Kuech T.F., McCaughan L. and Lagally M.G. «Hydrogen induced Si surface segregation on Ge-covered Si(001)» - Phys. Rev. Lett., 1998, v. 81, p. 3467), обеспечивая насыщение оборванных связей поверхностных атомов и способствуя при замене поверхностных атомов водорода прибывающими атомами кремния или германия однородному распределению германия по толщине слоя, а также высокому структурному качеству слоя кремний-германиевой гетероструктуры (см. фиг. 2).
При высокой (~500°C) температуре подложки 4 водород десорбируется на поверхности подложки и улетает с нее, не мешая атомам кремния и германия свободно мигрировать по поверхности подложки 4. При таких температурах (~500°C) подложки 4 рост слоя SiGe идет через формирование трехмерных островков, а последующее их срастание (слияние) приводит к образованию дефектов вблизи границ островков, в частности к дислокациям несоответствия (см. статью на англ. яз авторов Tersoff J., LeGoues F.K. «Competing Relaxation Mechanisms in Strained Layers» - Phys. Rev. Lett., 1994, v. 72, p. 3570). К тому же образование островков ведет к образованию развитого рельефа поверхности, что затрудняет использование данных структур в производстве микросхем. В случае низкой (~350°C) температуры подложки атомы водорода остаются на поверхности и замыкают оборванные связи поверхностных атомов и, тем самым, делают поверхность инертной для взаимного перехода атомов кремния и германия, т.е. пассивируют поверхность подложки и оставляют ее гладкой, без формирования островков. При поступлении на поверхность роста атома кремния или германия атом водорода меняется с ним местами, способствуя послойному безостровковому росту слоя SiGe. По сравнению с островковым ростом, послойный рост характеризуется малым количеством дефектов и более гладкой поверхностью слоя, т.е. итоговая структура растет последовательно слой за слоем.
Таким образом предлагаемый способ повышает эффективность комбинированного выращивания высокостабильной малодефектной кремний-германиевой гетероструктуры в интервале производственно допустимых скоростей роста, соответствующих требованиям повышения производительности изготовления полупроводниковых приборов.