CC BY
13
УДК 621.315
СОСТОЯНИЕ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РОСТОВОЙ ЯЧЕЙКИ ПОСЛЕ ПРОЦЕССА ЗОННОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ КРЕМНИЯ
© 2013 г. Г.В. Валов
Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону
South Scientific Center RAS, Rostov-on-Don
Исследовано состояние внутренних поверхностей ростовой ячейки после зонной сублимационной перекристаллизации кремния. Выявлены типы и характер распределения образующихся дефектов. Анализ результатов исследований позволил оценить степень влияния остаточной газовой среды вакуумной камеры на качество получаемых слоев кремния.
Ключевые слова: зонная сублимационная перекристаллизация; внутренние поверхности; дефекты.
Growing cell internal surfaces condition after silicon zone sublimation regrowth has been investigated. Formed defects kinds and types have been observed. The analysis of researches results allowed estimating extent of the vacuum chamber residual gas environment influence on received silicon layers quality.
Keywords: zone sublimation regrowth; internal surfaces; defects.
Зонная сублимационная перекристаллизация (ЗСП) [1] является перспективным методом получения однородных слоев полупроводниковых материалов большой площади. В простейшем случае метод ЗСП связан с использованием плоских взаимопараллельных пластин - сублимирующего источника, имеющего температуру T1, и подложки, имеющей температуру T2 < T1, разделенных вакуумным промежутком толщиной I Особенности и достоинства метода ЗСП реализуются при выполнении условий:
■1 □ 1; R
^ □ 1,
l
(1) (2)
где R - радиус подложки; - длина свободного пробега молекулы в вакуумной зоне. Из выражений (1) и (2) следует, что вакуумный зазор при ЗСП должен быть по возможности максимально тонким, практически его величина должна составлять микрометры. Область пространства, ограниченную близкорасположенными поверхностями источника и подложки, называют ростовой зоной, или микроразмерной ростовой ячейкой.
Массоперенос основного вещества в процессе ЗСП происходит в ростовой зоне, в результате чего ограничивающие зону поверхности постоянно эволюционируют. Будучи помещенной в вакуумную камеру высокотемпературной технологической установки, ростовая ячейка участвует в процессе массообмена с веществом остаточных газов окружающей атмосферы, который сводится к выносу основного вещества за пределы зоны и проникновению внешних фоновых примесей из атмосферы камеры в зону через вакуумный зазор. Проникающие примесные атомы взаимо-
действуют с поверхностями зоны. Результатом такого взаимодействия может являться образование разного рода дефектов, отрицательно влияющих на качество получаемого слоя.
Рассмотрим состояние внутренних поверхностей пластин источника и подложки после проведения процесса ЗСП кремния. На основании проведенных исследований морфологии рельефа методами атомно-силовой, конфокальной и электронной микроскопии было установлено, что обеим внутренним поверхностям микроразмерной ростовой ячейки присуща неоднородность в поверхностном распределении и характере образующихся в процессе ЗСП структурных особенностей рельефа. По морфологическим признакам все обнаруженные на внутренних сторонах поверхностные образования можно разделить на три основные группы: каплевидные дефекты, дефекты упаковки и ямки травления.
Выявленные в процессе анализа закономерности позволяют по признаку наличия тех или иных групп поверхностных образований выделить на внутренних поверхностях три области: периферийную, переходную и центральную. Однако необходимо отметить, что поверхностная плотность дефектов каждой из выделенных групп изменяется непрерывно от края пластины к центру.
Поверхность пластины-источника
Основными элементами морфологии периферийной области внутренней поверхности источника являются дефекты каплевидной формы (рис. 1 а). Образование таких дефектов связано с эффектом капиллярной сорбции, проявляющейся в конденсации молекул газовой среды (адсорбцией) на поверхностях ростовой ячейки. Если адсорбируемое вещество смачивает поверхности, то в итоге возникают каплевидные образования [2], что и наблюдалось в данной работе.
Рис. 1. Морфология внутренней поверхности источника: визуализация рельефа для периферийной (а) и переходной (в) областей и графики распределения высот неоднородностей рельефа периферийной (б) и переходной (г) областей
области составляет 1,2-108 см-2. Малые размеры и низкая поверхностная плотность не позволили произвести определение элементного состава дефектов.
Исследования центральной области источника показали, что в результате проведения процесса ЗСП эволюция средней части сводится к интенсивному травлению поверхностного слоя, результатом чего является очищение поверхности от примесей и дефектов. Образующаяся поверхность имеет атомарную гладкость.
В некоторых случаях на поверхности наблюдались дефекты в виде микроскопических углублений с поверхностной плотностью о < 106 см-2. Суммарная протяженность дефектных областей поверхности источника не превышала 8/, где / - толщина вакуумного зазора.
Значимых различий в морфологии внутренней поверхности источника при использовании нагревателей разного типа (молибденовый, графитовый) выявлено не было.
Поверхность пластины-подложки
Для периферийной области внутренней стороны подложки характерным является развитая морфология поверхности. Установлено, что определяющими элементами морфологии периферийной области вне зависимости от материала нагревательного элемента являются каплевидные образования (рис. 2 а), по фор-
При параметрах процесса ЗСП t = 50 мин, Т = 1620 К, Р = 10-2 Па было выявлено три группы дефектов (обозначим их со средними значе-
ниями высот <п1> = 3,5 нм, <п2> = 6 нм, <п3> = 9 нм соответственно. Поверхностная плотность дефектов периферийной области составляет 9-108 см-2. На рис. 1 б сплошной линией показан график распределения высот неоднородностей рельефа. Ярко выраженный пик в области 9 нм означает, что близкую к 9 нм высоту имеет подавляющее большинство дефектов периферийной области. Кроме того, на графике имеется менее ярко выраженный пик в области 3,5 нм. Вид графика в диапазоне 3,5-9,0 нм позволяет сделать однозначный вывод о присутствии ещё одного максимума в области 6 нм. Положения пиков вдоль оси абсцисс обозначены вертикальными пунктирными линиями. Преобладающее значение планарного размера В лежит в пределах 50-250 нм при среднем значении <6> = 150 нм.
На рис. 1 в видно, что морфология переходной области внутренней поверхности источника сходна с морфологией периферийной области и отличается лишь размерами образований.
Исследования показали, что для переходной области характерно наличие дефектов группы имеющих размеры 3,5-4,0 нм (рис. 1 г) и диаметр 50100 нм; дефекты групп и не выявлены. Поверхностная плотность каплевидных дефектов переходной
ме сходные с образованиями на внутренней стороне источника. При использовании графитового нагревателя средняя высота каплевидных образований составляет 55-60 нм, преобладающее значение планар-ного размера лежит в пределах 0,02-1,0 мкм (рис. 2 б).
Схожесть геометрических форм каплевидных образований периферийной области внутренней поверхности подложки с аналогичными образованиями, наблюдаемыми на периферийной области внутренней поверхности источника, свидетельствует о том, что процессы дефектообразования, являющиеся результа-
том влияния атомов фоновой примеси на эволюцию внутренних поверхностей, протекают сходным образом. Это объясняется тем, что на эти поверхности в процессе многократного переотражения попадают атомы одних и тех же примесей. Однако образования на внутренней поверхности подложки крупнее, их поверхностная плотность выше и составляет 1,25^ 109 см-2.
Проведенный анализ не выявил признаков регулярности в расположении элементов морфологии периферийной области внутренней поверхности подложки.
д
Рис. 2. Морфология внутренней поверхности подложки: трехмерная визуализация рельефа (а) и график распределения высот каплевидных образований (б) для периферийной области; визуализация рельефа переходной области (в); ступени роста (г);
центральная область (д); дефект упаковки (е)
в
г
е
При использовании нагревателей, изготовленных из молибдена, помимо каплевидных дефектов, аналогичных дефектам, образующимся в случае использования нагревательного элемента из графита, наблюдались каплевидные образования увеличенных размеров, порядка 5 мкм в основании и 1 мкм по высоте (рис. 2 а), имеющие признаки огранки. Поверхностная плотность их составляла 6,43-108 см-2.
Проведенный элементный анализ выявил наличие в составе каплевидного образования 1,5 % молибдена (вставка рис. 2 а). Малые размеры, низкая поверхностная плотность остальных каплевидных дефектов не позволили произвести определение их элементного состава, но можно предположить, что они имеют схожий состав.
При исследовании морфологии поверхности переходной области методами сканирующей зондовой микроскопии (рис. 2 в, г) были обнаружены новые элементы рельефа, не свойственные другим областям. К ним относятся ступени (рис. 2 г) и ямки (рис. 2 в). Появление специфических элементов рельефа объясняется интенсивно протекающими на этой поверхности процессами кристаллизации Si.
Кроме того, на поверхности переходной области присутствуют и каплевидные дефекты, но их плотность невелика (~1,7-107 см-2). Проведенный анализ размеров каплевидных дефектов не позволил выделить обнаруженные дефекты в группы. Было установлено также, что среднее значение их высоты составляет 12 нм. Присутствие каплевидных дефектов на обеих внутренних поверхностях ячейки показывает сходство процессов их эволюции.
Как показывают исследования, ступени, обнаруженные в переходной области внутренней поверхности подложки (рис. 2 г), имеют высоту в несколько атомных слоев (0,5-2,0 нм) кремния и очевидно являются проявлением механизма послойного роста при формировании эпитаксиального слоя из молекулярных потоков основного ростового вещества. Исследование таких объектов, имеющих малый перепад высот (например, рассматриваемые ступени), сопряжено с рядом трудностей, связанных с повторным наведением в исследуемую область, для преодоления которых применялся метод позиционных меток, предложенный в [3].
Исследования размеров ямок показали, что величина диаметра ямок у поверхности лежит в пределах от 0,2 до 3,0 мкм. Установлено также, что для ямок с диаметром, близким к 3 мкм, сохраняется отношение глубины к диаметру, равное в среднем 1:500. Причиной возникновения дефектов такого рода для поверхностей источника и подложки может являться процесс локального травления в местах скопления атомов
Поступила в редакцию
кислорода, проникающих в ростовую зону и локально окисляющих поверхность растущего эпитаксиального слоя с образованием оксида кремния, более летучего при температурах процесса кристаллизации. Другой причиной может выступать неравномерно растворенный в материале источника кислород, выходящий с подвергающейся термическому травлению поверхности источника и локально окисляющий растущий эпитаксиальный слой. Образовавшийся оксид кремния сублимирует с поверхности с образованием углубления.
Средняя суммарная протяженность периферийной и переходной областей на поверхности подложки не превышает 10/.
Центральная область внутренней поверхности подложки после процесса ЗСП обладает высоким совершенством (рис. 2 д). На ней могут присутствовать дефекты упаковки (рис. 2 е). Наличие ранее наблюдавшихся образований, таких как каплевидные дефекты, ступени роста и ямки, для данной области не характерно. Установлено, что типичный уровень величины поверхностной плотности дефектов упаковки составляет 105 см-2, перепад высоты рельефа при неполном проявлении дефекта упаковки лежит в пределах 5-10 нм, а при полном проявлении для поверхности (100) составляет 15-25 нм.
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что геометрические параметры микроразмерной ростовой ячейки для ЗСП, выраженные условиями (1) и (2), обеспечивают высокую защиту внутренней области ростовой зоны от негативного воздействия атмосферы вакуумной камеры технологической установки. Протяженность дефектных областей при типичных для ЗСП значениях вакуумного зазора / = 50-150 мкм не превышает 1,5 мм при том, что радиус пластин может достигать 300 мм. Следовательно, основное влияние на качество получаемых методом ЗСП эпитаксиальных слоев будет оказывать лишь степень чистоты исходной поверхности подложки, которая может быть существенно увеличена непосредственно в процессе ЗСП, благодаря возможности очистки в режиме in situ.
Литература
1. A/eksandrov /.N. Lozovskii S.V., Knyazev S.Yu. Silicon Zone Sublimation // Regrowth. Phys. Stat. Sol. (a). 1988, Vol.107. P. 213 - 223.
2. Рамм В.М. Адсорбция газов: 2-е изд., переработ. и доп. М., 1976. 656 с.
3. Лозовский В.Н., Чеботарев С.Н., Ирха В.А., Валов Г.В. Получение и использование позиционных меток в сканирующей зондовой микроскопии // Письма в «Журн. техн. физики». СПб., 2010. Т. 36, № 16. С. 1-6.
19 ноября 2012 г.
Валов Георгий Владимирович - мл. науч. сотр., лаборатория «Кристаллы и структуры для твердотельной электроники», Южный научный центр РАН. Тел. (863)250-98-05 (118). E-mail: [email protected]
Valov Georgy Vladimirovich - Junior Researcher, Southern scientific centre RAS. Ph. (863)250-98-05 (118). E-mail: [email protected]_
