Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках (стр. 4 из 8)
Рис. 1.4 Структура атомных слоев CaF2 в направлении <100> [29].
Рис.1.5 Структура атомных слоев CaF2 в направлении <111> [29].
1.2.4Влияние отжигов на морфологию и структуру пленок CaF2
В [32] при анализе методом каналирования пленок CaF2, выращенных при различных температурах на Si(100) обнаружено, что качественные слои CaF2, (cмин = 0.05) растут в очень узком интервале температур Ts = 590-6100C Отклонение всего лишь на 250C от оптимальной Ts резко увеличивало число дефектов. Вероятно, это следствие конкуренции процесса химического взаимодействия между CaF2 и поверхностью кремния при высоких температурах, и процесса островкового роста из-за недостаточной подвижности молекул при низких ростовых температурах [22]. В [32] исследовалось влияние высокотемпературного быстрого отжига в атмосфере аргона на морфологию, структуру и электрофизические свойства слоев CaF2. Пленки CaF2 толщиной 500 нм выращивались при скоростях роста 40-80 А/мин из графитового тигля. Температура роста варьировалась от 300 до 6250С. Отжиг ex situ проводился при температуре 11000С в течение 20-30 секунд в атмосфере аргона для предотвращения окисления и разрушения эпитаксиального слоя. На рис. 1.6(а) приведена зависимость параметра каналирования cмин от ростовой температуры Ts для не отожженных пленок CaF2/Si(100) (кривая 1) и пленок, отожженных в атмосфере аргона (кривая 2). Видно, что быстрый отжиг значительно улучшает качество пленок, снижая cмин от 20-25% до 5-7%. В [33] наряду с быстрым отжигом ex situ (вне ростовой камеры) эксперименты по медленному отжигу пленок CaF2 проводились в ростовой камере (in situ). Температура роста составляла Ts = 5850С, которая после выращивания пленки увеличивалась до необходимой температуры отжига, при которой структура выдерживалась в течение 60 минут. Оптимальная температура отжига Ts, как это следует из рис. 1.6(б), составляет около 7000С.
Рис. 1.6 (а). Зависимость cмин от Тs для структуры CaF2/Si(100). 1 - до отжига, 2 - после отжига ex situ [32].
Рис. 1.6 (б). Зависимость cмин от Тs для структуры CaF2/Si(100) после отжига in situ [32].
При отжиге in situ пленки CaF2 становятся более совершенными. Возможность отжига позволяет снизить требования к точности установления температуры подложки Si в процессе эпитаксии.
Морфология поверхности пленок CaF2 исследовалась с помощью РЭМ. Неотожженная пленка CaF2 имела грубую морфологию с поверхностными дефектами размером от 100 до 500 нм. После быстрого отжига ex situ пленки CaF2 становились более высокого качества по сравнению с пленками, отожженными in situ или неотожженными.
На поверхности пленок иногда видны линии, возникающие после быстрого отжига ex situ, которые появляются, по мнению авторов [33] за счет большого различия в коэффициентах термического расширения (КТP) фторида кальция и кремния, поскольку постоянная решетки Si при нагреве от комнатной температуры до 11000С изменяется на 0.4%, в то время как у CaF2 на 2.7%.
Измерения C-V характеристик на структурах Al/CaF2 /Si(100) [33] показали, что оба вида отжига не влияют на величину плотности поверхностных состояний, которая равна Nss = 5×1011 см-2×эВ-1 . Отжиг ex situ приводит к увеличению напряженности поля пробоя до Епр = 2×10 6 В×см-1, в то время как отжиг in situ не приводит к увеличению Епр, значение которого обычно равно Епр =(2-5)×105 В/ см.
Важной проблемой сегодня является установление механизма начальной стадии роста гетероэпитаксиальных структур CaF2/Si. В то время как при гетероэпитаксии полупроводниковых гетероструктур обычно наблюдается псевдоморфный рост полупроводниковой пленки, в случае гетероэпитаксии CaF2 на Si(111) механизм начальной стадии остается неясным/
РЕЗЮМЕ
На основании приведенных материалов можно сделать следующие выводы:
1. На Si(111) пленки CaF2 при оптимальных температурных режимах растут монокристаллическими в двойниковой позиции по отношению к подложке (эпитаксия В-типа) с хорошей гладкой поверхностью. Структурное совершенство пленок CaF2 сильно зависит от материалов тиглей и чистоты используемого шихтового фторида кальция.
2. При отклонении ростовых условий от оптимальных или увеличении рассогласования постоянных решеток подложки Si и пленоки CaF2 в них возникают микродвойники - области, развернутые на 180о относительно матричной области пленки (А-типа). Наибольшая плотность дефектов наблюдается вблизи границы раздела CaF2 – Si для обеих ориентаций подложки.
Плёнки диэлектриков, выращиваемые для приборных структур, должны обладать такими параметрами как высокая электрическая прочность, хорошая морфология поверхности, а также, в ряде случаев, малая толщина для обеспечения туннельной прозрачности диэлектрика. Исходя из этого, ростовые процессы следует производить на подложках Si(111). Поскольку при данной ориентации подложки возможно выращивание монокристаллических плёнок CaF2 , обладающих высоким структурным совершенством. При этом рост может осуществляться в более широком диапазоне температур по сравнению с ориентацией подложки (100).
2. экспериментальная часть
2.1 Методика проведения эксперимента
2.1.1 Установка МЛЭ "Катунь"
Выращивание гетероструктур GeSi/Si(001) и CaF2/Si производилось в установке молекулярно-лучевой эпитаксии "Катунь".
Автоматизированная многокамерная установка молекулярно-лучевой эпитаксии "Катунь" предназначена для получения многослойных эпитаксиальных пленочных структур в условиях сверхвысокого вакуума. Схема одной из трёх аналогичных камер установки показана на рисунке 2.1.
Модуль загрузки-выгрузки (МЗВ) предназначен для загрузки, выгрузки и транспортировки полупроводниковых подложек в сверхвысоковакуумную установку. В модуле так же производится первичное обезгаживание подложек. МЗВ состоит из вакуумной камеры, вакуумных насосов, двух манипуляторов с кассетами для подложек, натекателя и датчиков давления. Модуль позволяет одновременно загрузить 20 подложек диаметром до 100 мм.
Транспортный узел предназначен для перемещения рейки с подложками из МЗВ в камеру роста.
Модуль эпитаксии моноатомных полупроводников позволяет производить эпитаксиальный рост моноатомных полупроводников, тугоплавких металлов и осуществлять легирование в процессе роста. Модуль содержит в себе следующие устройства: вакуумная камера, система насосов, манипулятор с нагревателем, блок испарителей, датчик масс-спектрометра, криопанель, датчики давления, дифрактометр быстрых электронов, кварцевый измеритель толщины.
Вакуумная система нужна для создания необходимого рабочего давления в модулях и состоит из насосов форвакуумного, адсорбционного, сублимационного и магниторазрядного, обеспечивая предельное остаточное давление 1*10-8 Па.
Манипулятор с нагревателем предназначен для захвата подложки и ориентировки ее относительно молекулярных пучков и аналитических приборов, а также для нагрева и вращения подложки во время эпитаксии. Нагрев подложки осуществляется тепловым излучением нагревателя, который окружен системой многослойных экранов для уменьшения излучения на стенки камеры. Максимальная температура нагрева подложек 1200 °С.
Рис. 2.1 Схема установки МЛЭ "Катунь"
1. Люминесцентный экран.
2. Криопанель.
3. Нагреватель.
4. Манипулятор.
5. Транспортная рейка.
6. Шиберный затвор.
7. Шлюзовая камера.
8. Кассеты с подложками.
9. Система регистрации ДБЭ.
10. Кварцевый измеритель толщины.
Блок испарителей является одним из основных узлов технологических модулей и предназначен для получения молекулярных пучков. Блок включает в себя два электронно-лучевых испарителя (ЭЛИ) Si, две молекулярных ячейки Кнудсена и криопанель. ЭЛИ позволяет получать молекулярные потоки веществ, имеющих высокую температуру испарения или требующих испарения из автотиглей из-за большой химической активности. Ячейки Кнудсена создают молекулярный поток за счет нагрева тигля с испаряемым веществом. Конструкция ячеек позволяет получать температуры на тигле испарителя в диапазоне 0 – 1300 °С, с точностью поддержания температуры 0.5 °С.
Для контроля за процессом эпитаксии применяется кварцевый измеритель толщины (КИТ), монополярный масс-спектрометр и система дифракции быстрых электронов (ДБЭ). При помощи масс-спектрометра контролируется состав остаточных газов в ростовой камере, а также состав и интенсивность потоков кремния и легирующих примесей. Датчик КИТ используется для измерения скорости осаждения и толщины плёнки, посредством определения собственной частоты колебаний кварца, которая изменяется при напылении полупроводниковых материалов. Сам датчик смонтирован в водоохлаждаемом корпусе для термостабилизации. Контроль структуры поверхности подложки осуществляется при помощи визуального наблюдения дифракционной картины на люминесцентном экране системы ДБЭ или путём записи рефлексов на телевизионную компьютерную систему "ФОТОН-Микро".