Епітаксиальний зростання простих напівпровідників Si і Ge на поверхні Si (111)

Введення

З фізикою тонких плівокпов'язані досягнення та перспективи подальшого розвитку мікроелектроніки, оптики,приладобудування та інших галузей нової техніки. Успіхи мікромініатюризаціїелектронної апаратури стали можливі завдяки використанню керованогоепітаксійного вирощування тонких шарів напівпровідників, металів ідіелектриків у вакуумі з різних середовищ. Незважаючи на численні йрізносторонні дослідження, процеси епітаксіальної кристалізації не отрималиповного пояснення. Обумовлено це, в першу чергу, складністю проблемпов'язаних з процесами кристалізації в різних системах і середовищах.

В останні рокиспостерігається зростання інтересу до поверхні твердого тіла. Експериментальнідосягнення в цій області пов'язані з розвитком техніки понад високого вакууму,діагностичної апаратури, такий як скануюча тунельна мікроскопія ірозробкою нових спектроскопічних методів дослідження поверхні. Цідослідження забезпечили більш глибоке проникнення в структуру і властивостіповерхневих шарів твердого тіла. Однак уявлення про структуру поверхніі вплив її на епітаксиальний зростання недостатньо розвинені.

У даній роботідосліджується епітаксиальний зростання простих напівпровідників Si і Ge на поверхні Si (111) методом аналізу осциляційдзеркально-відбитого пучка при дифракції швидких електронів.

Огляд літератури

Молекулярно-променеваепітаксії Si і Ge 7

На початку 60-х з великимоптимізмом були розпочаті роботи в області обробки поверхонь пластин кремніюу вакуумі, але через деякий час дослідники цього напрямку втратилипровідні позиції, і в даний час інтегральні схеми виготовляють накремнієвих пластинах методами хімічної обробки. Разом з тим необхідністьстворення інтегральних схем дуже великій мірі інтеграції стала основноюрушійною силою для пониження температур обробки, і поступово технологічніприйоми, пов'язані з фізичними методами, проникають в технологічні лінії длявиготовлення кремнієвих інтегральних схем. У цьому відношенні вирощуван

ня кремнієвихепітаксійних плівок приладового якості в умовах надвисокого вакууму(СВВ) стало важливим кроком вперед. Цей факт відображений в різкому зростанні з тихпір числа публікацій по молекулярно променевої епітаксії (МЛЕ) кремнію.

Високоякіснийпроцес пошарового росту принципово важливий для виробництва матеріалів дляелектроніки за допомогою МЛЕ. Він привертає до себе увагу завдяки рядупритаманних йому переваг, таких як: його гнучкість, забезпечення високої чистоти,можливість ведення всього процесу виробництва в вакуумі, застосовність масок,допустимість істотного варіювання швидкості росту і зниження температурикристалізації, швидкість переходу від осадження одного напівпровідника до іншого.

Використанняепітаксіальної технології в мікроелектроніці вимагає усунення або зведення домінімуму протяжності перехідних шарів між плівками в напівпровідниковихструктурах. Метод осадження з газової фази шляхом хімічних реакцій для Si/Si і Ge/Si має температурну область кристалізації 800-1200 В° С [1]. Притакій температурі істотні процеси об'ємної дифузії між матеріаломпідкладки і осаджується речовиною, що веде до розмиття межі між ними.Характерні температури осадження Si/Si і Ge/Si для отримання епітаксійних плівокметодом МЛЕ лежать в діапазоні 300-800 В° С. Низька температура МЛЕ кремнію ігерманію досягається тим, що цей метод не вимагає ні плавлення, ні хімічноїреакції осадження. У цих умовах вплив дифузії і автолегірованіянезначно, а деформація під час росту мінімальна. Завдяки цьому сталоможливим отримання дельта шарів [2], різких кордонів в гетероструктурах і чіткихпрофілів легування.

Поверхня Si (111)

Дослідження процесівзростання є важливою проблемою МЛЕ, так як точне уявлення про механізмипроцесів, що відбуваються дозволить управляти ними і створювати шари звідтворюваними характеристиками.

Завдяки великомукількості сучасних методик аналізу поверхні таких, наприклад, якдифракція повільних електронів (ДМЕ) [3], фотоелектронна спектроскопія зкутовим дозволом [4], просвітчаста електронна мікроскопія та скануючатунельна мікроскопія (ВТМ) [5-7], дозволили отримати багато корисної інформаціїпро будову поверхні і процесах росту.

Через взаємодіїобірваних зв'язків, атоми в приповерхневій області прагнуть перебудуватися вбільш енергетично-вигідні становища, утворюючи на поверхні двовимірнуперіодичну структуру. Природа і стабільність реконструйованих поверхоньдуже чутлива до умов приготування зразка. Так, поверхня сколу Si (111) реконструюється вметастабільну структуру (2х1), яка при відпалі 380 В° С необоротнотрансформується в структуру (7х7) [8]. При температурі вище 830 В° С поверхню Si (111) має надструктур (1x1) (не має надструктур) [9], цятемпература є точкою фазового переходу для поверхневої реконструкції Si (111).

Найбільш повнуінформацію про структуру та морфології поверхні дає скануюча тунельнамікроскопія. Зображення поверхні, отримані цим методом, свідчатьпро те, що в залежності від способу приготування зразка, атомарно чистаповерхню Si (111) може містити сумішдекількох надструктур. Так Y.-N. Yang E.D. Williams [10] спостерігали, що для зразканагрітого до 900 В° С і загартованого зі швидкістю 100к/сек., на поверхні Si (111) утворюються крім (7x7) надструктур ще рядметастабільних надструктур як (11x11), (9x9), (2x2), (пѓ– 3x пѓ–3).

Говорячи про поверхневіреконструкціях, мається на увазі двовимірна періодичність на атомарно гладких частинахповерхні. Реальна поверхня кремнію далека від досконалої і міститьрізні дефекти, такі як виходять на поверхню кристала дислокації,дефекти упаковки і забруднення залишилися після предепітаксіальной обробки.

Через неідеальності зрізу,поверхню реального кристала, що пройшов відповідні стадії обробки,складається з чергуються терас, розділених ступенями атомної висоти. Автори [12]отримали зображення ступенів слабо разоріентірованной поверхні Si (111). Звідки видно, що такаповерхня являє собою послідовність майже паралельних і вмежах порядку відрізняються один від одного по ширині терас, розділенихступенями моношаровий висоти.

Епітаксия Si на Si (111)

Епітаксия Si на Si (111)методом МЛЕ вивчена в широкому діапазоні температур, від кімнатної [13], до1000 В° С. Температура епітаксії вибирається залежно від необхідної структуриплівки (наприклад аморфна або монокристалічна) і необхідним рівнемлегування (т.к. коефіцієнт вбудовування атомів легуючої домішки сильнозалежить від температури).

В залежності від розмірівтерас, температури поверхні та пересичення, при пошаровому зростанні розрізняютьдва механізми: східчасто-шарової і двумерно-острівцевих.

У разі зростання посхідчасто-шарів механізм все що впали на поверхню атоми, не утворюючиострівців, вбудовуються в ступені або десорбується. Якщо ж концентраціяадатомів на поверхні досягає деякого критичного значення залежноговід температури і ширини терас, то почнеться освіту двовимірних острівців(Двумерно-острівцевих механізм). Щільність адатомів, навколо існуючихострівців зменшується за рахунок дифузії і вбудовування адатомів в острівець абощабель. І в деякій зоні навколо вже утворилися острівців наступнікритичні зародки утворюватися не можуть.

Зростання йде в основному зарахунок розростання двовимірних зародків.

При підвищенні температуризростання відбувається збільшення розмірів критичних зародків, середніх відстанейміж ними і зон виснаження навколо їх і у ступенів [7,14]. Пропускаючи по пластиніSi (111) електричний струм можнадобитися значного збільшення ширини терас (до декількох мікронів) черезешелонування поверхні [15], внаслідок чого температура переходу віддвумерно-острівкового до східчасто-шарів механізму зсувається в більшвисокотемпературну область.

Дослідження процесівзародження двовимірних острівців на поверхні Si (111) - (7х7) показало, що зародження острівців відбуваєтьсяпереважно на кордонах сверхструктурних доменів [5-7]. У процесі... росту,надструктур моношаровий острівця, що утворюється на поверхні, може невідповідати надструктур підкладки. U.Kohler [13], вивчаючипроцеси зародження та росту Si на Si (111) методом СТМ виявив, що наідеальної поверхні Si (111) - (7x7) утворився моношаровийострівець може мати крім (7x7)надструктур, ще (5x5) і(9x9). В [16] використовуючи ДМЕ, показано,що для Si (111) з разоріентаціей не гірше 0.05градусів в процесі росту, після покриття десятьма моношарами на зростаючуповерхні в температурному діапазоні 650-870 К (380-600 В° C) присутня суміш двохнадструктур (5x5) і (7x7), а при температурах росту вище 870К (600 В° C) спостерігається тільки надструктур(7x7). Причому інтегральна інтенсивністьсверхструктурних рефлексів залежить від температури строго певним чином.

Дослідження зародження Si на майже ідеальної поверхні Si (111) - (7х7) показало, що зародження острівців відбуваєтьсяпереважно на метастабільних реконструкціях і дефектах поверхні вжеутворилися острівців, тому на ідеальній поверхні (7х7) другиймонослой починає утворюватися задовго до завершення першого. Потім острівцідвумонослойной висоти зростаються, після чого йде звичайний пошаровий ріст.

Аналізуючи розміри іщільність острівців в плині або після зростання можна визначити деякіпараметри поверхні, наприклад, такі як енергію активації поверхневоїдифузії. Однак значення цієї енергії в різних роботах коливається від 0.5 до 2еВ, але більшість авторів при моделюванні і розрахунках інших енергетичнихпараметрів поверхні використовують значення 1еВ.

У роботі відмічено щоосвіту острівців на поверхні Si (111) залежить від напрямку сходинки, на якій зароджуються острівці.Для ступенів з напрямком зароджуються на поверхні острівці розташовуютьсяприблизно на рівній відстані один від одного і від краю сходинки. Для ступенів знапрямком на верхній терасі ступені, що зародилися у краю сходинки острівці,не мають зони збіднення з цією ступінню (див. Рис.1). Відмінність цих щаблів полягаєв тому, що для щабля атоми знаходяться в ступені мають одну обірвану зв'язок,а для щабля два обірвані зв'язки.

Острівці, що зароджуютьсяна терасах, завжди мають напрями сторін такі ж, як для щаблів, тобтоатоми стоять на краю острівців мають по дві обірвані зв'язки.

Малюнок 1 Зародженняострівців на терасах з різними напрямками ступенів

Епітаксия Ge на Si (111)

Інтерес до епітаксіїгерманію на кремнії обумовлений як з технологічної, так інауково-дослідної точок зору. Наприклад, виготовлення GaAs фотоприймачів на дешевих кремнієвихпідкладках, через невідповідність їх постійних грат вимагає перехідного шару.Отримання бездефектних Ge шарів можевирішити цю проблему, тому що GaAs і Ge мають близькі значення постійнихрешіток (0.569нм і 0.566нм відповідно).

В даний час сильнозріс інтерес до прямого одержання низькорозмірних GeSi структур [19,20]. Такосвіту тривимірних острівців, наприклад германію на кремнії, відповідноз механізмом зростання Странського-Крастанова [21], може бути використане дляотримання шару квантових точок. При створенні таких структур важливо знатипроцеси відбуваються на поверхні в процесі росту.

Початкова стадія роступри кімнатній температурі на поверхні Si (111) - (7х7) характеризується вбудовуванням атомів Ge в ступені поверхні і зародженнямдвовимірних острівців переважно на кордонах сверхструктурних доменів. Зростання Ge йде пошарово до товщини плівки три монослоя, подальшийнизькотемпературний зростання веде до утворення аморфної плівки [22]. Притемпературі поверхні більше 350 В° C після третього монослоя починається утворення тривимірних острівців [7].Зупинка зростання на трьох монослоях і відпал при температурі більше 300 В° C веде до того, що атоми германію зтретій монослоя переходять в срелаксірованние острівці [5].

Вивчаючигетероепітаксіальний зростання Ge на Si (111) автори [5] визначили енергіюактивації поверхневої дифузії (1.2 еВ) і показали, що вона не залежить відшвидкості росту в інтервалі швидкостей 0.03-0.14 монослоя/сек.

Дифракція швидкихелектронів

Дифракція швидкихелектронів на відображення (ДБЕ) є поширеним методом аналізуструктури поверхні плівок в процесі МЛЕ. Велике поширення цьогометоду пов'язано з простотою використання методики і наявність великого вільногопростору перед зразком. Ще однією з переваг ДБЕ є те, щоза великої відмінності по енергії між пружно розсіяними електронами і фономнепружного розсіяння і достатність енергії первинних електронів дляпорушення світіння люмінесцирующего екрану, в ДБЕ (на відміну від дифракціїповільних електронів) відсутня необхідність ретельної енергетичноїфільтрації і повторному прискоренні.

Крім того, ДБЕ дозволяєбезперервно стежити за зростанням епітаксійних плівок на поверхні, внаслідоктого, що фронтальна частина зразка стає доступною для испаряющихсяджерел. Великий інтерес до МЛЕ, як до способу вирощування матеріалів длянапівпровідникових приладів, надав стимулюючий вплив на застосування ДБЕ.

Крім поліпшеногодоступу до поверхні, забезпечуваного геометрією ДБЕ, в порівнянні з ДМЕ, цейметод володіє і іншими перевагами при вивченні епітаксійного росту іпроцесів на багатошарових поверхнях. Зокрема, використання падіння змалими кутами ковзання робить цей метод чутливим до мікрорельєфуповерхні. Якщо ДМЕ (зазвичай при нормальному падінні) виділяє добревпорядковані області поверхні з орієнтацією, близькою до середньої орієнтаціїповерхні, то електрони при ковзному падінні будуть проникати вшорсткості на поверхні, якщо вона є мікроскопічно гладкою.Очевидно, що це підвищує вимоги до більш ретельного приготуваннязразків для дослідження методом ДБЕ, але в той же час означає, що цейметод може виявити зміни в морфології поверхні. Наприклад, якщоепітаксиальний зростання призводить до зростання острівців на поверхні, то картинаковзного відбиття від плоскої поверхні, яка спостерігалася у відсутностіострівців, зміниться картиною містить дифракційні рефлекси від тривимірнихоб'єктів. Це може використовуватися, наприклад, для визначення критичноїтовщини псевдоморфного плівки, і визначення орієнтацій граней острівців [19].

З іншого боку, ДБЕмає певні недоліки при вивченні двумерно симетричних структур длявипадку мікроскопічно-гладкої поверхні. Наприклад, для виявлення повноїдвовимірної періодичності, зразок необхідно обертати навколо нормалі доповерхні. Зміна періодичності в площині падіння не призводять дозмінам періодичності дифракційної картини.

Крім аналізу структуриповерхні плівок, реєстрація осциляцій дзеркально-відбитого пучка швидкихелектронів від поверхні зростаючої плівки дає можливість вимірювати швидкістьросту плівок і контролювати їх склад і товщину. Аналізуючи характеросциляцій можна вивчати реалізовані механізми росту, визначати параметриповерхневої дифузії і вбудовування адатомів [23].

Осциляції інтенсивностімають місце при реалізації двумерно-шарового зростання. За рахунок періодичногозміни шорсткості, інтенсивність дзеркального рефлексу осцилює відстежуючигладкість поверхні. Однак зі збільшенням товщини плівки вихідна поверхняз атомно-гладкими терасами трансформується в поверхню зі стаціонарноюступенем шорсткості. Це в свою чергу веде до загасання амплітудиосциляцій. Перша причина такої трансформації полягає в тому, що в мірузростання плівки по двумерно-шарів механізму, тобто за рахунок освіти ірозростання двовимірних зародків, дворівнева поверхню, характерна дляідеального двумерно-шарового зростання, стає багаторівневою. Друга причина вдесинхронізації зародження двовимірних зародків на різних терасах. Використовуючиреєстрацію осциляцій, автори [24] запропонували ідею синхронізації освітидвомірних зародків, розширивши тим самим можливості методу МЛЕ.

Амплітуда осциляцій і їхформа залежать від азимута і кута падіння електронного пучка, тобто від такзваних дифракційних умов. В умовах резонансу дифрагованого хвилязазнає багатократне віддзеркалення від атомних площин паралельнихповерхні і має максимальну чутли...вість до морфології поверхні,тому в умовах поверхневого резонансу осциляції мають максимальнуамплітуду.

Автори показали, що пригомоепітаксіі Si на Si (100) осциляції інтенсивності залежать від азимута падінняелектронного пучка. Для напрямки одна осциляція дзеркального рефлексувідповідає покриттю в один моношар, а для [110] Одна осциляція відповідаєтовщині плівки в два монослоя. Причину цього вони вбачають у відмінностідіфрагірованія на черзі мінливих реконструкціях поверхні (2x1) і (1x2), через присутність виділеного напрямку в геометріїострівців на цих поверхнях.

Багато авторів вважають,що при двумерно-шаровому зростанні один період осциляції дзеркально відбитогопучка електронів точно відповідає одному (або двом для відповідногоазимута Si (100)) монослой плівки виросла заце час.

Автори експериментально ікомп'ютерним моделюванням показали, що на поверхні Si (001) при незмінному потоці атомів напідкладку період осциляцій збільшується зі збільшенням температури росту.Пояснення цього явища полягала в тому, що при підвищенні температури більшачастина атомів починає вбудовуватися в ступені, вибувши тим самим з процесівперіодичної зміни шорсткості поверхні, тому до моменту зрощенняострівців, тобто за один період осциляції, виростає плівка завтовшки більшемонослоя.

Інші дослідникистверджували протилежне. В [29] була запропонована модель процесу зростаннякристала, з якої випливає, що в області переходу від двомірної-шарового досхідчасто-шарів механізму росту період осциляцій зменшується із збільшеннямтемператури росту. В роботі [30] автори виміряли температурну залежністьперіоду осциляцій для Ge на Ge (111).Тобто при

Метою цієї роботина поверхню.Вимірювання

комп'ютер.даних.

Установка молекулярно-променевої

Автоматизованабагатокамерна установка молекулярно-променевої епітаксії "Катунь"призначена для отримання багатошарових епітаксійних плівкових структур вумовах надвисокого вакууму. Схема використовуваної в роботі частини установки

Малюнок 2.

установки.

тиску.мм.

Транспортний вузолпризначений для переміщення рейки з підкладками з мЗв на камеру росту.

нагрівачем призначений для захоплення підкладки та орієнтування її відносномолекулярних пучків і аналітичних приладів, а також для нагріву і обертанняпідкладки під час епітаксії.і кріопанель. ЕЛІ дозволяє отримувати молекулярні потоки речовин, що маютьвисоку температуру випаровування або вимагають випаровування з автотіглей черезвеликої хімічної активності. Осередки Кнудсена створюють молекулярний потік заКонструкція осередків дозволяє отримуватитемператури на тиглі випарника в діапазоні 0-1300 С, з точністю підтримкитемператури п‚± 0.5 С.

Основні частини ЕЛІматеріал).

Застосування магнітногополя для фокусування електронного пучка дозволяє зробити катодний вузолневидимим з місця розташування підкладок.плівки.

дифрактометрії швидкихелектронів

дифрактометрії швидкихелектронів призначений для спостереження структури тонких плівок в процесі їхнанесення методом МЛЕ, а так само для спостереження структури поверхні підкладок в

Дія дифрактометраплівки.плівки.

У даній роботішвидкості росту плівок алюмінію, тому частота внутрішнього генераторапідібрана так, щоб зміна показань приладу на одиницю відповідало

Підготовка зразків

Предепітаксіальнаяочищення поверхні кремнію є стандартною процедурою, якою користуються

1) Хімічне очищення:

2) Видалення оксиду

Температура підкладкиПотікПри цьому ведеться спостереження дифракційної картини поверхні підкладки. Принормальному ході процесу очищення, після закінчення близько двох хвилин починаєзникати дифузний фон, і збільшується яскравість основних рефлексів. Завершення

Для згладжуваннямакронеровностей залишилися після шліфування і попередніх етапів обробкиповерхні вирощується буферний шар кремнію товщиною порядку 100нм.зростання.

поверхні.

Проводячи одноманітном експериментом, ми припускаємо, що передкожним новим зростанням поверхня має однакову геометрію (висоти інапрямків ступенів, розкид ширин терас) і такі ж енергетичніхарактеристики. Про що свідчить характерна дифракційна картина (7х7)реконструйованої поверхні (рис.3), яка спостерігається після всіхпредепітаксіальних підготовок.

Малюнок 3 Характернакартина ДБЕ поверхні Si (111)-7x7

Результати експерименту.

1. Поведінка формиосциляцій від температури.

В роботі дослідженометодом ДБЕ зростання шарів кремнію на кремнії в діапазоні температур від 300 до 680 В° C

На малюнку 4 показанохарактерна поведінка осциляцій при різних температурах епітаксії кремніюна поверхні Si (111)-7x7.

Малюнок 4 Осциляціїінтенсивності ДБЕ при епітаксії Si на Si (111)

При низьких температурахепітаксії спостерігається відсутність першого максимуму осциляцій. Зародженняострівців відбувається переважно на метастабільних реконструкціях ідефектах поверхні вже утворилися острівців, тому на ідеальнійповерхні (7х7) другий монослой починає утворюватися задовго до завершенняпершого, а потім зростання відбувається пошарово.

Для високих температурадатомів мають більш високу енергію, внаслідок чого вони стають меншчутливі до поверхневих дефектів і метастабільним реконструкціям, томузростання йде помонослойно починаючи з першої осциляції.

Чутливістьзароджуються острівців до поверхневих дефектів так само спостерігається дляепітаксії германію.

Малюнок 5 Осциляціїінтенсивності ДБЕ при епітаксії Ge на Si (111)

Методом ДБЕ, так самодосліджений зростання шарів германію на кремнії в діапазоні температур від 300 до 500 Про С.Спочатку зростання здійснюється по двумерно-острівкової механізму, про щосвідчать осциляції інтенсивності дзеркального рефлексу (рис.5). Притовщині плівки більше трьох моношарів (МС) осциляції припиняються іінтенсивність виходить на стаціонарне значення. З четвертого шару починаютьутворюватися тривимірні острівці (механізм Странського-Крастанова), про щосвідчить характерна дифракційна картина об'ємної дифракції (замістьтяжей від плоскої поверхні з'являються рефлекси).

На малюнку 5 показанохарактерна поведінка осциляцій при різних температурах епітаксії германіюна поверхні Si (111)-7x7. Для всіх представлених температурепітаксії перший максимум осциляції не спостерігається. Амплітуда другогоосциляції збільшується з підвищенням температури росту, аналогічно першійосциляції для кремнію. Після зростання першої монослоя змінюється реконструкціяповерхні 7х7-5х5. Реконструкція 5х5 є стабільною для поверхні Ge (111) Тому можна зробити висновок, щоперший монослой германію повторює структуру поверхні, перебудовується,після чого зростання йде аналогічно гомоепітаксіальному і на величину амплітудидругий осциляції в разі епітаксії германію впливають ті ж механізми, що й дляепітаксії кремнію.

Третій максимумосцилляций з підвищенням температури зменшується і розширюється. Пов'язано це з тим,що з підвищенням температури зменшується ефективна товщина плівки, починаючи зякої здійснюється тривимірний зростання.

2. Температурназалежність товщини плівки виростала за один період осциляції ДБЕ.

На малюнках 6 і 7 представленітемпературні залежності товщини епітаксіальної плівки кремнію, що виростала заодин період осциляції інтенсивності дзеркально-відбитого пучка швидкихелектронів, для різних зразків Si (111).

Малюнок 6 Температурназалежність товщини плівки Si виростала заодин період осциляції

Малюнок 7 Температурназалежність товщини плівки Si виростала заодин період осциляції

Швидкість осадженнякремнію в різних експериментів змінювалася в силу нестабільності тривалоїроботи ЕЛІ, і коливалася в межах 0.1 В± 0.05монослоя в секунду (1 монослой = 0.314 нм). За час проведення одногоексперименту (однієї точки на графіку) швидкість потоку атомів на підкладку можнавважати постійною.

Для з'ясування впливушвидкос...ті росту на точність експериментів, виміряна залежність товщини плівки,виростала за один період осциляції від швидкості осадження при постійнійтемпературі. На малюнку 8 представлена ​​ця залежність при температурі росту500 В° C.

Як видно із залежності,в діапазоні зміни швидкостей 0.1 В± 0.05мс/сек., впливом відмінності швидкостей росту в різних експериментах можназнехтувати, вважаючи при цьому швидкість осадження постійної (хоча при обчисленнітовщини плівки береться точне значення швидкості). Вплив швидкості осадження натовщину плівки так само становить інтерес, але в даній роботі це питання нерозглядається.

Малюнок 8 Залежністьтовщини плівки виростала за один період осциляції від швидкості росту при 500 o C

На малюнках 9 і 10 представлені характернітемпературні залежності товщини епітаксіальної плівки германію на кремніївиростала за один період осциляції.

Точність експериментівдля епітаксії германію трохи нижче, в порівнянні з кремнієм через неточностівизначення періоду. Для епітаксії кремнію період визначався шляхом вимірюваннячасу десяти осциляцій і розподілі його на їх кількість. При цьому змінаперіоду з номером осциляції в межах точності не виявлено. Для епітаксіїгерманію період визначався по другому піку осциляції, так як третій максимумможе бути зміщений через близькість переходу режиму росту до тривимірного.

молекулярнийепітаксії кремній плівка

Малюнок 9 Температурназалежність товщини плівки Ge виростала заодин період осциляції

Малюнок 10 Температурназалежність товщини плівки Ge виростала заодин період осциляції

Обговорення результатів температурноїЗалежно

Як видно звищевказаних залежностей, при високих температурах епітаксії товщина плівкивиростала за один період осциляції ДБЕ не відповідає одному моношар, імаксимальне відхилення сягає 25%. Ззбільшенням температури величина відхилення зростає і досягає максимальногозначення в області температур переходу від двумерно-острівкового досхідчасто-шарів механізму росту. Подальше збільшення температури призводитьдо зникнення осциляцій.

При цьому для однихзразків залежність йде вниз, тобто при підвищенні температури виростаєплівка ефективною товщиною меншою монослоя, а для інших, залежність зростає,що відповідає плівки з ефективною товщиною більше монослоя. Причому характерповедінки залежностей для епітаксії кремнію і германію на одних і тих жезразку однаковий.

Криві із зменшеннямефективної товщини плівки від температури добре описуються в рамках моделізростання, використовуваної в роботі [30]. Хоча в даній спрощеної моделі не врахованаформа двовимірних острівців і передбачається рівноймовірно вбудовування адатомів вщабель знизу і зверху, вона якісно пояснює причину зміни періодуосциляцій.

У початковий моментчасу, який на малюнку 10 відповідає положенню (0) двовимірних острівцівні, шорсткість мінімальна і інтенсивність дзеркального пучка маємаксимальне значення. Після початку зростання на терасі формуються двовимірніострівці, що зароджуються на відстані рівному подвоєною довжині міграції адатомів(L) як один від одного, так і від крающаблі. У процесі росту двовимірні острівці розростаються, а край сходинкипереміщується у бік зростання з тією ж швидкістю, що і край острівця. У моментчасу (2) шорсткість максимальна і інтенсивність дзеркального рефлексумає мінімум. При зрощенні двовимірних острівців краї сходинок і двовимірнихострівців просунутися на відстань, рівну довжині міграції адатомів l. Це відповідає стануповерхні, показаної для випадку (4) на рис.11. Інтенсивність дзеркальногорефлексу знову досягне максимально значення, але край сходинки не будезбігатися з початковим становищем.

Малюнок 11 Модель зростання длявипадку зменшення товщини плівки при підвищенні температури

Таким чином, за час,дорівнює періоду осциляцій, край сходинки переміститься на відстань, якаменша довжини тераси на величину, рівну довжині міграції. Переміщення крающаблі на величину (ll) відповідає зростанню плівки зефективною товщиною менше одного моношару.

Для пояснення прямопротилежної поведінки залежно було відмічено, що: згідно з публікаціямиіснує різниця в зародженні острівців і міграції адатомів для різнихнапрямків ступенів на поверхні кремнію (111). Так згідно [31], пригазофазної епітаксії Si на Si (111) для щабля [`1` 1 2] на верхній терасі, що зародилисябіля краю сходинки острівці, не мають зони збіднення з цієї щаблем. Однакприсутність водню на зростаючій поверхні в методі газофазної епітаксіїможе змінити енергетику поверхні в порівнянні з ростом методом МЛЕ.

Відмінність для міграціїадатомів через щаблі пов'язано з існуванням бар'єру Швебель -додаткового енергетичного бар'єру для переходу адатомів з верхньої терасина нижню. За розрахунками для щаблів на поверхні Si (111) - (1х1) ці бар'єри складають 0.16 В± 0.07 та 0.61 В± 0.07 еВ для івідповідно.

При меншому бар'єрі,через наявність стоку на ступенях, рівноважна концентрація адатомів, в початковиймомент зростання, сильно спадає до кордонів ступенів, тому, при зародженніострівців, між утворилися острівцями і ступенем існує областьзбіднення острівців. Наявність великої енергетичного бар'єру призводить до того,що концентрація адатомів на верхній терасі поблизу краю сходинки залишаєтьсявеликий, унаслідок чого йде зародження острівців поблизу верхнього крающаблі.

Виходячи з цихміркувань, запропонована модель (рис.12), що пояснює зростання температурноїЗалежно товщини плівки.

У даному випадку частинаострівців зароджується на краю сходинки. До моменту зрощення (випадку 4 на рис.12)край сходинки переміститься на відстань, яка більше довжини тераси навеличину, рівну довжині міграції.

Малюнок 12 Модель зростання длявипадку збільшення товщини плівки при підвищенні температури

Для перевірки даного припущення,методом рентгено структурного аналізу була виміряна разоріентація поверхнізразків. Для різних зразків разоріентація мінялася від 6 до 10 хвилин. Донаше глибоке жаль, визначити напрям разоріентаціі даним методомне вдалося, в силу дуже малих кутів разоріентаціі.

Величина, що характеризуєзменшення або збільшення періоду ДБЕ осциляцій, визначається довжиною міграціїадатомів, яка може бути обчислена за формулою:

пЃ¬ пЂЅ L '(1-d/d 111 ) - для випадкузростання плівки товщиною менше монослоя (за один період), і пЃ¬ пЂЅ L '(d/d 111 -1) - для випадкузростання плівки більшою монослоя

Де L - ширина тераси, d - ефективна товщина плівки, d 111 - товщина монослоя (d/d 111 = частка монослоя). Таким чином, по зміні періодуосциляцій, знаючи кут разоріентаціі підкладки, можна визначити значення l.

Однак існуєобмеження на застосовність цієї формули при близьких значеннях d і d 111 , у зв'язку з великим збільшеннямпохибки визначення пЃ¬ при прагненні пЃ¬ до нуля. Тому межа застосовності можна записати як: пЃ¬/L> (відносна похибка вимірювання d).

В обох випадкахмаксимальне значення ефекту становить 25%, що відповідає пЃ¬ = L/4. При великих значеннях пЃ¬ зростання здійснюється по східчасто-шарів механізму, щоведе до зникнення осциляцій.

Процеси беруть участь узародженні острівців носять активаційний характер, тому за температурноюЗалежно товщини плівки, що виростала за один період, можна визначитихарактеристичну енергію процесу зародження острівців. Ладу температурніЗалежно пЃ¬ в Ареніусових координатах знаходитьсяенергії активації процесу утворення двовимірних зародків E m .

Рисунок 13 Залежністьдовгі міграції адатомів Si на Si (111) від зворотноготемператури (дані рис.6)

Малюнок 14. Залежністьдовгі міграції адатомів Si на Si (111) від зворотноготемператури (дані рис.7)

Малюнок 15 Залежністьдовгі міграції адатомів Ge на Si (111) від зворотноготемператури (дані рис.9)

+

Рис...унок 16 Залежністьдовгі міграції адатомів Ge на Si (111) від зворотноготемператури (дані рис.10)

На малюнках 13-16представлені графіки залежності довжини міграції для систем Si/Si (111) і Ge/Si (111). При цьому для першого зразкаенергія активації довгі міграції склала 1.45 В± 0.1 еВ при епітаксії кремнію і 1.1 В± 0.1еВ при епітаксії германію. Для другого зразка енергія активації склала 0.91 В± 0.1 еВ при епітаксії кремнію і 0.49 В± 0.1 еВ при епітаксії германію.

Міграції адатомів визначаєтьсякоефіцієнтом поверхневої дифузії і величиною падаючого потоку. Енергіяактивації формування двомірних острівців складається з енергії активаціїповерхневої дифузії та енергії утворення двовимірного зародка. Крім тогомає істотне значення мінімальна кількість атомів, які утворюютьцей зародок. Тому отримане значення енергії активації міграції адатомівзв'язати однозначно з енергією активації поверхневої дифузії і величиноюпотоку атомів на поверхню можна тільки з урахуванням зазначених параметрів. Але вониневідомі для досліджуваної нами системи.

Однак, оскільки потік атомівна поверхню, температура епітаксії, послідовність підготовки зразків -однакові, плюс близьке значення кутів разоріентаціі, тому можнаприпустити, що енергія активації поверхневої дифузії, розмір і енергіяосвіти двовимірних зародків однакова для цих зразків. Виникає питання,з чим пов'язано відмінність у активаційних енергіях для різних зразків?

Зауважимо що, дляепітаксії кремнію і германію, відмінність активаційних енергій різних зразків вмежах точності збігається (0.4 еВ).

Тому ми припускаємо,що ця відмінність пов'язана з різницею бар'єрів для міграції адатомів через щабельдля різних ступенів. Різниця бар'єрів Швебель за розрахунками [32] для щаблів [-211]і [-1-12] на поверхні Si (111) - (1х1)становить 0.45 еВ. Проте дані розрахунки наведені для (1х1) реконструкціїповерхні, а в наших експериментах добре спостерігалася реконструкція (7х7)яка може дещо змінити значення цих бар'єрів.

Висновки

Зарезультатами проведених досліджень вимірювання температурної залежностітовщини епітаксіальної плівки, при молекулярно-променевої епітаксії на Si (111)можна зробити наступні висновки:

1).Перевірено, що період осциляції дзеркально відбитого пучка швидких електронівне завжди відповідає зростанню плівки моношаровий товщини, і це невідповідністьможе досягати 25% в області температур переходу від двумерно-острівковогодо східчасто-шарів механізму росту.

2). Вимірянатемпературна залежність товщини плівки, що виростала за один період осциляціїпри молекулярно-променевої епітаксії кремнію і германію на слабо відхиленоюповерхні Si (111).

3). Виявлено,що з підвищенням температури ефективна товщина плівки виростала за одинперіод осциляції може як збільшуватися, так і зменшуватися.

4).Запропоновано модель, що пояснює можливість різного поведінки отриманихтемпературних залежностей ефективної товщини плівки.

5). Визначена енергіяактивації довгі міграції адатомів на поверхні, яка склала приепітаксії кремнію 1.45 В± 0.1 еВ та 0.91 В± 0.1 еВ, при епітаксії германію 1.1 В± 0.1 еВ та 0.49 В± 0.1 еВ длязразків з різним поведінкою температурних залежностей відповідно.

Подяки

Висловлюю величезнуподяку моєму науковому керівнику к.ф.-м.н. Нікіфорову А.І. за частіобговорення питань безпосередньо пов'язаних з моєю дипломною роботою, за заохоченняі допомога при прояві мною ініціативних починань, а так само за дружнійдух який панує в його робочій групі.

Хочу подякувати так самок.ф.-м.н. Маркова В.А. за отримані від нього знання та початкові навички роботина установці молекулярно-променевої епітаксії.

Хочу сказати великеспасибі аспіранту Колеснікову .. за проведені ним вимірювання кутівразоріентаціі зразків.

Особливо хочуподякувати к.ф.-м.н. Чікічева С.І. за цікаві, цікаві спецсемінариі систематичну стимуляцію написання дипломної роботи.

Cписок літератури

1. Г.А. Абдурагімов В«Поверхностькристала і епітаксії В»Видавництво Ростовського Університету Ростов-на-Дону1987р.

2. Б.З. Кантер, А.І. Никифоров, В.П. ПоповВ«Дослідження надграток на основі шарів Sb, отриманих за допомогою МЛЕ кремнію, методом резерфордовскогозворотного розсіювання В»/ /В« Напівпровідники В»Збірник наукових праць ВОВ« Наука В»Новосибірськ 1993 стор.81

3. В«Спектроскопія і диффракцияелектронів при дослідженні поверхні твердих тіл В»Москва, Наука 1985

4. Physical Review Lettersv.74 № 14 1995 p.2756

5. B.Voigtlander,M.Kastner В«'' In vivo'' STM studies of the growth Germanium and Silicon onSilicon В»//Appl. Phys. A 63,577-581 (1996)

6. Bert Voigtlander andThomas Weber В«Nucleation and growth of Si/Si (111) observed by scanningtunneling microscopy during epitaxy В»//Physical Review B v.54 ​​№ 8 p.1-4

7. Bert Voigtlander, AndreZinner and Thomas Weber В«High temperature scanning tunneling microscopy duringmolecular beam epitaxy В»//Rev.Sci.Instrum. 67 (7), July 1996 p.2568-2572

8. Е.Зенгуіл В«Фізика поверхніВ»Москва В«МирВ» 1990р.

9. В.А. Зінов'єв, В.Ю. Баландін, Л.Н.Александров В«Швидкість руху ступенів при зростанні поверхні (111) в умовахсверхструктурного фазового переходу (7х7) - (1х1) В»/ /В« Напівпровідники В»Збірникнаукових праць ЦЕРІС Новосибірськ 1994 стр.219

10. Y.-N. Yang and E.D.Williams В«High atom density in the (1x1) phase of metastable reconstruction onSi (111) В»//Physical review Letters v.72 № 12 (1994) 1862-1865

11. Л.С. Палатник, І.І. ЦигаркоВ«Епітаксіальні плівкиВ» Москва В«НаукаВ» 1971р.

12. M.Ichikawa and T.DoiВ«Microprobe Reflection High-Energy Electron DiffractionВ»// RHEED andReflection Electron Imagine of surfaces 1988 p.343-369

13. U. Kohler, J.E. Demuthand R.J. Hamers В«Scfnning tunneling microscopy study of low-temperatureepitaxial growth of silicon on Si (111) - (7x7) В»//J.Vac.Sci.Thecnol. A 7 (4), Jul/Aug1988 2860-2866

14. Bert Voigtlander,Andre Zinner, Thomas Weber and Hans P.Bonzel В«Modification of growth kineticsis surfactant mediated В»//Physical Review B v.51 № .12 (1995) pp.7583-7591

15. А.В. Латишев, А.Б. Красильников,А.Л. Асєєв В«Структура анти-ешелонів ступенів на віцинальних поверхні Si (111) в умовах нагріву пропусканням

16. M.

17.

18.

19. V.A.

21. Тому3.1980р.

22.

23.

24. V.A.

25. М.А.

26.

27.

28.

29. Pchelyakov, I.G.

30. A.I.

31. M.

32. S. E.

33.