Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках (стр. 3 из 8)

3. В настоящее время отсутствует четкое понимание устройства и местоположения в релаксирующей пленке структурной конструкции состоящей из атомов, делающей возможным зарождение дислокационных петель.

Одним из важнейших параметров плёнок, выращиваемых для приборных ГС, является плотность ПД. Поэтому вопрос о месте их зарождения в плёнке и возможности управления процессом зарождения является ключевым. Нам необходимо выбирать такие режимы роста, чтобы выращенные плёнки при небольшой степени релаксации имели достаточно высокую плотность ПД. Это позволит выявить источники зарождения дислокационных петель в объёме плёнки.

1.2 Молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур CaF₂/Si

В слоях CaF₂, выращенных на Si, механизмы роста и дефектообразования существенно отличаются от известных в гетеросистемах типа полупроводник-полупроводник. Главными отличиями являются отсутствие наблюдения прорастающих дислокаций [15-18]. При этом часто наблюдается разупорядоченная область на гетерогранице CaF₂/Si [19] и особенно на границе раздела (ГР) CaF₂/GaAs [20]. Кроме того, по данным просвечивающей микроскопии, в пленках CaF₂ практически полностью отсутствуют напряжения [21].

Понятно, что отсутствие прорастающих дислокаций, наличие разупорядоченной области на ГР и релаксация напряжений связаны между собой и обусловлены особыми механизмами формирования связей между CaF₂ и Si на гетерогранице.

1.2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия CaF2

Осаждение пленок CaF₂ на Si подложки проводилось многочисленными исследовательскими группами [22-26]. Интерес к гетеросистеме CaF₂/Si объясняется, прежде всего тем, что, как следует из табл. 1.1, система CaF₂/Si имеет достаточно малое различие в параметрах решеток.

Таблица 1.1

Полупроводник	Параметр решетки, А	Фторид
Si	5.43
GaP	5.45
5.46	CaF2
GaAs	5.65
Ge	5.66

Фториды ЩЗМ привлекательны для технологии МЛЭ тем, что они имеют малое давление насыщенных паров при комнатной температуре, а при испарении не диссоциируют на ионы фтора и элементы второй группы.

На начальном этапе исследований для сублимации CaF₂ использовались различные конструкции молекулярных источников: в работах [22,25] – танталовые лодочки, в [27,23,24] – тигли из пиролитического нитрида бора (ПНБ), в [28,27,23,24] – тигли из графита. В [26] применялся электронно-лучевой испаритель (ЭЛИ) для осаждения пленок фторидов. Хорошие результаты достигаются при использовании тиглей из графита. В пленках CaF₂, полученных из тиглей ПНБ, обнаружен бор [25]. При сублимировании CaF₂ с помощью ЭЛИ отсутствуют загрязнения, вносимые материалом тиглей, но возникает нестехиометричность состава, обусловленная диссоциацией фторидов на ионы под действием электронного пучка [25]. Наиболее оптимальными режимами считают температуры сублимации 1100 – 1400⁰С, при которых скорости роста составляют 0.4 – 1.0 мкм/час.

1.2.2 Влияние технологических режимов на дефектообразование в CaF₂

На структуру и свойства пленок фторидов, выращенных на поверхности полупроводников, в основном влияют два параметра: температура подложки Ts и скорость осаждения Vs. В [27] при осаждении CaF₂ на различные полупроводники при комнатной температуре всегда получались поликристаллические пленки. При этом структура пленки не зависела от начальной или конечной стадии обработки поверхности полупроводника. Различия в химической обработке или в режимах отжига кремниевых пластин в условиях СВВ не приводили к изменению картины электронной дифракции от плёнки: на экране всегда наблюдались концентрические резко очерченные кольца, свойственные поликристаллической структуре. При увеличении температуры подложки T_s, возможен эпитаксиальный рост пленок фторидов. В [22] осаждали пленки CaF₂ на кремниевые подложки различной ориентации при различных температурах T_s. Дефектность пленок определялась методом каналирования ионами He с энергией 2 Мэв. Для характеристики структурного совершенства кристалла обычно вводят величину c_мин, которая может изменяться от 100% в полностью неупорядоченных материалах до минимального значения c_мин в совершенных кристаллах.

В реальных объемных монокристаллах CaF₂ высокого качества величина c_мин обычно равна 0.05-0.07 (5-7%). На рис. 1.2(а,б) приведены зависимости параметров каналирования от T_s для пленок CaF₂, выращенных на Si(111) и Si(100) (рис.1.2 (а) и (б) соответственно).

Рис.1.2(а) Зависимость параметра каналирования в пленках CaF₂ на подложках Si(111) [22].

дефектообразование полупроводниковый пластический релаксация

Рис.1.2(б) Зависимость параметра каналирования в пленках CaF₂ на подложках Si(100) [22].

На подложках Si (111) монокристаллические слои CaF₂ растут в широком интервале температур T_s = 500-800 ⁰C при хорошем качестве слоев (c_мин = 0.05) (рис. 1.2(а)).

На Si(100) совершенные пленки CaF₂ (c_мин =0.06) растут в более узком диапазоне T_s = 500-600⁰C. На Si(100) для пленок CaF₂, величина c_мин имеет существенно отличный от Si(100) характер зависимости от T_s. (Рис. 1.2(б)).

На Si(111) пленки CaF₂ гладкие и зеркальные. Повышение температуры роста слоев CaF₂ от T_s =500⁰C до T_s > 700⁰C приводит к образованию морфологических дефектов.

Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что на Si(111) пленки CaF₂ имеют ориентацию (111). Однако с помощью методики каналирования обнаружено, что пленка состоит из двух типов структур: А и В. Области типа А имеют ту же ориентацию, что и кремниевая подложка, а В – это области пленки CaF₂, развернутые на 180⁰ относительно направления <111>.

Доля областей А и В существенно зависит от температуры роста T_s. Слои CaF₂/Si, выращенные при температуре 600⁰С, состоят в основном из областей В типа.

Темнопольные изображения этих пленок, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), подтверждают эти выводы [10]. Таким образом, на кремнии с ориентацией подложки (111) пленки CaF₂ при оптимальных условиях растут В-типа. При увеличения рассогласования параметров решеток фторида кальция и кремниевой подложки или отличии температуры роста от оптимальной увеличивается доля включений типа А.

Изучение структуры пленок фторидов, выращенных на поверхности Si(100) методом рентгеноструктурного анализа, показало: слои СаF₂ растут с ориентацией подложки (100) [22].

Наибольшая плотность дефектов наблюдается вблизи границы раздела CaF₂ – Si для обеих ориентаций подложки [22].

Данные по росту CaF₂ приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Фторид	Ориентация подложки	Ориентация пленки	T роста, оС	Рассогласование, %, (300К)	Типструктуры	cмìин
СaF2	(111)	(111)	600-800	+0.61	В	0.05
CaF2	(100)	(100)	500-600	+0.61	-	0.06

1.2.3 Влияние ориентации подложки на морфологию СaF₂

Из таблицы 1.2 следует, что лучшие результаты по эпитаксии фторидов на Si могут быть получены при использовании CaF₂. Многие авторы [23,29] ставили своей целью выявление причин более качественного роста пленок CaF₂ на кремниевых подложках Si (111) в отличие от Si(100).

В [29] эпитаксиальные слои CaF₂ толщиной 400 нм выращивались на Si(111) и Si(100) при температурах подложки T_s = 700 и 550⁰C соответственно. Пленки получались монокристаллическими: параметр каналирования для них не превышал c_мин = 0.05. На рис. 1.3(а) и 1.3(б) представлены микрофотографии полученные РЭМ поверхности структур CaF₂/Si(111) и CaF₂/Si(100) соответственно.

На рис. 1.3(а) видно, что поверхность пленки CaF₂ гладкая, и на ней имеются двумерные образования треугольной формы. Такой тип структуры, как правило, образуется при двумерном механизме роста.

Рис.1.3(а) Микрофотография поверхности структуры CaF₂/Si(111) [29].

Рис.1.3(б) Микрофотография поверхности структуры CaF₂/Si(100) [29].

Авторы [29] считают, что в их случае реализуется двумерный механизм роста пленки CaF₂, так как от начала образования первого монослоя до окончания роста пленки ДБЭ не регистрирует трехмерных механизмов роста.

Поверхность CaF₂/Si(100) имеет ярко выраженную островковую структуру (рис. 1.3(б)). В этом случае тяжи на дифракционной картине отсутствовали, а размытые рефлексы иллюстрировали наличие шероховатой поверхности пленки. Таким образом, при эпитаксии CaF₂ на Si(100) в отличие от CaF₂/Si(111) наблюдается наличие шероховатой поверхности пленки. Подводя итог, можно сделать вывод: пленки CaF₂ растут более совершенными и в более широком диапазоне температур T_s на подложках кремния с ориентацией (111), чем на кремнии с ориентацией (100). Этот факт объясняется различием в величине свободной поверхностной энергии E_s для (111) и (100) поверхностей. Экспериментальные данные [30] и теоретические расчеты [31] показали, что для CaF₂(111) величина E_s ~ 450-500 эрг/см², в то время как для CaF₂(100) она в 1.5-2 раза выше. Более высокое значение E_s может быть из-за дипольного момента, возникающего перпендикулярно поверхности CaF₂(100). На рис. 1.4 представлено расположение атомных слоев в направлении {111}. В этом случае отсутствует дипольный момент. В то же время при ориентации поверхности CaF₂(100) дипольный момент в направлении {100} присутствует всегда (Рис.1.5). За счет энергии электрического поля возникает дополнительное увеличение E_s на поверхности CaF₂(100) [29]. Таким образом, при эпитаксии CaF₂/Si(111) в отличие от CaF₂/Si(100) становится выгодным не двумерно - слоевой, а трехмерный механизм роста.