CC BY
83
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университете] им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 2, с. 49-54
УДК 621:375-592:546.289
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РОСТ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2009 г. С.А. Денисов, В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков,
ЕА. Питиримова, В.Н. Трушин
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
Пиступвла вредаоцвю 14.02.2009
Методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии были выращены монокристаллические слои кремния с высоким структурным совершенством. По данным рентгеновской дифракции и электронографии, совершенные по структуре слои кремния на сапфире (П02) растут в интервале температур 600-850°С. Предложены пути улучшения качества КНС-структур: послеростовой отжиг КНС-структур и осаждение при температуре, близкой к комнатной, тонкой прослойки кремния перед ростом основного слоя кремния.
Ключевые слива: кремний на сапфире, кремний на изоляторе, молекулярно-лучевая эпитаксия.
Введение
Изготовление больших интегральных схем (БИС) на основе структур «кремний на сапфире» (КНС) имеет ряд преимуществ по сравнению с изготовлением их на подложке объемного кремния, таких как быстродействие, снижение расхода мощности, высокая плотность упаковки элементов и повышенная радиационная стойкость [1]. Однако при высокотемпературном газофазном эпитаксиальном росте КНС-структур из-за значительного различия коэффициентов термического расширения кремния и сапфира (35-10-7 против 80-10-7 град-1) в слоях кремния при их росте возникают большие механические напряжения и это приводит к низкому качеству гетероэпитаксиальных слоев кремния: плотность дислокаций в слоях составляет 10-1012 см- . Кроме того, в процессе роста кремния на сапфире методом газофазной эпи-таксии происходит автолегирование слоя кремния алюминием.
Решение этих проблем многие исследователи связывают с выращиванием слоев кремния на сапфире при низких температурах [2-4]. В частности, методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) были выращены эпитаксиаль-ные слои кремния на сапфире при температуре подложки TS = 750°С [2]. Предварительно подложки отжигали в камере роста при температуре ^ = 1400-1450°С [3].
Известно также, что в методе МЛЭ при испарении кремния из сублимирующего источни-
ка можно выращивать эпитаксиальные слои кремния при более низкой температуре кремниевой подложки, чем при испарении кремния из расплава, сформированного с помощью электронной пушки [5].
Целью данной работы являлось исследование возможности выращивания эпитаксиальных субмикронных слоев кремния на сапфире методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии.
Методика эксперимента
Выращивание КНС-структур проводили в сверхвысоковакуумной установке методом сублимационной МЛЭ по методике, описанной в работе [6]. В качестве подложки использовали пластины сапфира ориентации (1102) размером 35^35 мм2. Перед наращиванием слоя кремния в камере роста проводился отжиг подложки при температуре TS = 1400°С в течение 30 минут. После снижения температуры подложки до заданной (500-850°С) проводили осаждение слоя кремния со скоростью ~ 1 мкм/час. Некоторые выращенные КНС-структуры после их исследования вновь загружали в камеру роста и проводили их отжиг при температуре 850°С в течение двух часов. Давление в камере роста в процессе экспериментов не превышало ~10-7 Торр.
Структурное совершенство слоев оценивалось с помощью метода рентгеновской дифракции (ДР) по ширине кривой качания, а также с
использованием метода электронографии. Дифракционные кривые снимались на двухкри-стальном рентгеновском спектрометре по схеме (n; -n) с использованием CuKaj-излучения. Электронограммы от исследуемых образцов снимались на отечественном электронографе ЭМР-102 при ускоряющем напряжении, равном 50 кВ в режиме «на отражение». Морфология поверхности слоев исследовалась с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) на приборе СЗМ «Смена».
Результаты экспериментов и их обсуждение
1. Зависимость структуры эпитаксиаль-ных слоев кремния на сапфире от температуры роста. По данным метода электронографии установлено, что монокристаллические слои кремния толщиной 0.5 мкм растут в интервале температур 550-850°C. На электроно-граммах присутствовали только Кикучи-линии. На электронограммах, снятых от слоев, которые были выращены при TS = 550°C, резкость Кику-чи-линий ухудшается. Осаждение кремния ниже 500°C приводило к росту поликристаллических пленок. В диапазоне температур подложки приблизительно TS = 850-925°C наблюдалось фасетирование растущего слоя кремния. При осаждении на подложку сапфира, нагретую выше 925°C, происходило ее травление.
Методом рентгеновской дифракции определены значения ширины кривой качания на половине максимума интенсивности рентгеновского пика (Дюу2) от слоев Si(100), выращенных на подложках сапфира. Эти данные для КНС-структур, выращенных при разных температурах, приведены на рис. 1. Видно, что наиболее
совершенные по структуре слои кремния растут в интервале температур 700-750°С. Величина ширины кривой качания Дю/ в этих структурах составляет 18 угл. мин. При снижении температуры роста наблюдается увеличение значения этого параметра. Ухудшение структурного совершенства наблюдается и в слоях, выращенных при более высоких температурах (> 800°С). Отметим, что такой же немонотонный характер зависимости Дю/2 от температуры роста наблюдался и для КНС-структур с большей толщиной слоя кремния (й = 1 мкм) (на рисунке эти данные не приведены). Причем для слоев кремния данной толщины величина ширины кривой качания Дю./2 при Т5 = 700°С составляет 12 угл. мин.
Все слои кремния, выращенные в исследуемом интервале температур, имели ориентацию (100), лишь при снижении температуры роста до 550°С эти слои имели дополнительную ориентацию (110). О появлении дополнительной ориентации в слоях кремния при выращивании их на сапфире при низких температурах роста сообщалось и в работе [4]. При этом отмечалось, что в слоях, выращиваемых при низкой температуре, скорость зарождения зерен с ориентацией (110) выше скорости зарождения зерен с ориентацией (100).
Ухудшение структурного совершенства слоев кремния на сапфире с понижением температуры роста можно объяснить уменьшением подвижности адатомов кремния на поверхности растущего слоя, что затрудняет их встраивание в решетку кристалла. При высоких температурах ухудшение структурного совершенства, по-видимому, связано с химической реакцией кремния с подложкой, в результате которой образуется оксид SiO и А1 [4]. Также увеличивается диффузия атомов алюминия в кремниевый слой.
24
22
5
20
s
<
18
16
600 650 700 750 800 850
Температура, °С
Рис. 1. Зависимость ширины кривой качания на половине максимума интенсивности рентгеновского пика слоя Si( 100) на сапфире от температуры роста. Толщина пленок 0.5 мкм
Отметим, что в работе [4] минимальная температура роста слоев Si(100) на сапфире такой же ориентации равна 600°C, т.е. выше, чем в наших экспериментах. Это, вероятно, связано с худшими условиями in situ отжига подложки перед ростом слоя кремния в работе [4] по сравнению с нашими.
Нами было исследовано и структурное совершенство слоев кремния в зависимости от их толщины. На рис. 2 приведена зависимость величины Дюу2 от толщины слоев Si, выращенных при TS = 700°C. Видно, что структурное совершенство слоев улучшается при увеличении их толщины, на что указывает уменьшение ширины кривой качания Si(100). При этом отметим, что даже тонкие слои (0.2 мкм) остаются монокристаллическими: на электронограммах, снятых с их поверхности, наблюдаются Кикучи-линии и слои сохраняют ориентацию (100).
2. Отжиг выращенных КНС-структур.
С целью улучшения структурного совершенства слоев кремния, выращенных при низких температурах (550-600°C), был проведен послеросто-вой отжиг КНС-структур при температуре 850°C в течение 120 мин. Результаты исследования КНС-структур методом РД до и после отжига, приведенные в таблице, показывают, что в слоях происходят существенные изменения при их нагреве. Так, для слоя, выращенного в опыте № 1 при 550°C, наблюдалось уменьшение ширины пика Si(100) в два раза. Кроме того, если до отжига слой имел двойную ориентацию (100) и (110), то после отжига сохранилась лишь ориентация (100).
В структуре, выращенной в опыте № 2 при 550°C, слой Si по сравнению с опытом № 1 имел только ориентацию (110). Это связано,
вероятно, с меньшей толщиной слоя в опыте № 2. После отжига слоя № 2 его ориентация сменилась на (100). Отметим также, что после отжига КНС-структур с двойной ориентацией слоев сохранялась лишь ориентация (100). В слое, выращенном при 600°С (опыт № 3), ориентация слоя Si(100) сохранилась и после отжига, а значение параметра Дюу2 не изменилось. Это означает, что зерна с ориентаций (110) могут существовать в тонком пограничном слое, смежном с подложкой сапфира. С увеличением толщины слоя совершенство слоя Si(100) улучшается, вероятно, за счет за-ращивания разориентированных зерен.
На начальные стадии зародышеобразования в слое влияют всякого рода неоднородности на подложке (шероховатости, скопления примесей и точечных дефектов и т.д.). Формирование слоя носит явно островковый характер. Ориен-тационная связь между подложкой и эпитакси-альным слоем становится менее четкой и однозначной. Следствием этого является возможность реализации не одного, а нескольких ори-ентационных соотношений. Появление в слоях кремния на сапфире нескольких ориентаций наблюдается при низкотемпературном режиме роста. Существенные изменения совершаются в них при нагреве [7]. Преимущественными становятся более равновесные ориентировки (100) и (111), обладающие меньшей поверхностной энергией. В нашем случае это ориентация (100).
3. КНС-структуры, выращенные на поверхности сапфира, покрытого тонким слоем аморфного кремния. Для улучшения морфологии эпитаксиальных слоев кремния нами использовалось предварительное осаждение тонкого слоя кремния на сапфировую подложку при комнатной температуре.
U
28
24
20
I 16
12
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
d, мкм
Рис. 2. Зависимость структурного совершенства от толщины слоя кремния, выращенного при Т$ = 700°С
Для этого после высокотемпературного отжига температуру подложки снижали до температуры, близкой к комнатной, и на различные части подложки осаждали тонкие слои кремния разной толщины в течение 5, 10 и 15 секунд. Для этого через каждые 5 секунд часть подложки закрывали заслонкой. После этого температуру подложки поднимали до 700°C и на всю поверхность подложки осаждали основной слой толщиной ~ 0.5 мкм.
Структурное совершенство слоев кремния, выращенных на различных участках подложки, выявили методом электронографии. На участке слоя кремния, выращенном при 700°C непосредственно на сапфире, наблюдались точечные рефлексы и Кикучи-линии (рис. 3 а). Рост пленки кремния на аморфной прослойке кремния, выращенной в течение 5 секунд, приводил к мозаичной структуре (рис. 3б). Слои кремния, выращенные на прослойке аморфного кремния, время роста которой > 10 секунд, имели поликристаллическую структуру (рис. 3в).
Исследования с использованием АСМ показали, что слой, выращенный на прослойке
кремния, имеет более гладкую поверхность (рис. 4а) по сравнению с шероховатой поверхностью слоя кремния, выращенного непосредственно на сапфире (рис. 4б).
Наши результаты исследований согласуются с результатами, приведенными в статье [8], где указывается, что морфология поверхности слоя кремния, выращенного методом пиролиза сила-на на прослойке аморфного кремния толщиной 20 А, лучше, чем у слоя Si, выращенного непосредственно на сапфире.
В работе [9] был исследован механизм эпи-таксиального роста кремния на промежуточном тонком слое Si при анализе начальной стадии выращивания нанесенного на подложку CaF2. Результаты этих исследований показали, что промежуточный слой кремния, имеющий, вероятно, аморфную структуру, переформировывается в почти эпитаксиальный слой путем твердофазной эпитаксии при подъеме температуры от комнатной до температуры роста основного слоя кремния. Это способствует в дальнейшем эпитаксиальному росту основного слоя кремния при повышенной температуре.
Рис. 4. Морфология поверхности слоев Si, выращенных при 700°С на прослойке аморфного кремния (а) и непосредственно на сапфире (б)
Таблица
Влияние послеростового отжига на изменение параметров структуры слоев кремния, выращенных при пониженных температурах
№ опыта Температура роста Тз,°С До отжига После отжига
Ориентация слоя Si ДЮ1/2, угл. мин. Ориентация слоя ДЮ1/2, угл. мин.
1 550 (100) ~ 60.0 (100) 31.6
(110) ~ 42.0
2 550 (110) 23.4 (100) 25.0
3 600 (100) 31.6 (100) 31.6
Заключение
Исследовано структурное совершенство слоев кремния, выращенных методом сублимационной МЛЭ на подложках сапфира, в зависимости от температуры роста. Установлено, что совершенные по структуре эпитаксиальные слои кремния растут в интервале температур подложки 600-850°C. У слоев кремния, выращенных при более низкой температуре (~550°C), после дополнительного отжига в сверхвысоком вакууме при TS = 850°C в течение двух часов наблюдалось улучшение их структурного совершенства и установление одной основной ориентации (100). При наращивании кремния на подложку сапфира, покрытую тонким слоем кремния, осажденного при комнатной температуре, морфология поверхности слоя кремния значительно глаже, чем в слоях, выращенных без прослойки.
Авторы выражают благодарность Е.В. Ко-роткову за измерения на АСМ.
Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы»
(проект РНП.2.1.1.3626).
Список литературы
1. Папков В.С., Цыбульников М.Б. Эпитаксиаль-ные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. М.: Энергия, 1979. 88 с.
2. Richmond E.D. // Thin Solid Film. 1990. № 192. P. 287-294.
3. Richmond E.D., Twigg M.E., Qadri S. et al. // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 56. № 25. P. 2551-2553.
4. Chang C.C. // J. Vac. Sci. Technol. 1971. V. 8. P. 500.
5. Шенгуров В.Г. // Поверхность. Физика. Химия. Механика. 1994. № 10-11. С. 44-50.
6. Денисов С.А., Шенгуров В.Г., Светлов С.П. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2005. № 11. С. 32-39.
7. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988. 574 с.
8. Ishida М., Yasuda Y., Ohyama H. еt al. // J. Appl. Phys. 1986. V. 59. № 12. P. 4073-4078.
9. Asano T., Ishiwara H. // J. Appl. Phys. 1984. V. 55. № 10. P. 3566-3570.
LOW-TEMPERATURE GROWTH OF SILICON LAYERS ON SAPPHIRE BY SUBLIMATION-SOURCE MOLECULAR-BEAM EPITAXY
S.A. Denisov, V.G. Shengurov, S.P. Svetlov, V.Yu. Chalkov, E.A. Pitirimova, V.N. Trushin
Structurally perfect, single-crystal silicon layers have been grown on (1102) sapphire by sublimation-source molecular-beam epitaxy. X-ray and electron diffraction data demonstrate that silicon-on-sapphire (SOS) epitaxy occurs at substrate temperatures from 600 to 850°C. The following ways to improve the SOS-structure quality have been proposed: (1) post-growth annealing of the SOS-structures and (2) room-temperature deposition of a thin silicon interlayer prior to the growth of the main silicon layer.
Keywords: silicon on sapphire, silicon on insulator, molecular-beam epitaxy.
