WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 5 Исследование процесса распада упругонапряженной пленки германия на поверхности кремния © И.В. Закурдаев¶, М.В. Байзер, С.Ю. Садофьев, М.М. Рзаев Рязанская государственная радиотехническая академия, 390005 Рязань, Россия Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Получена 29 ноября 1999 г. Принята к печати 1 декабря 1999 г.) Представлены результаты исследования начальной стадии процесса самоорганизации поверхности в гетероэпитаксиальной системе Ge / Si(001) от момента образования эшелонов ступеней до зарождения трехмерных неровностей. Выполнен расчет силы, вызывающей направленный дрейф адатомов германия, и, исходя из кинетических особенностей направленного массопереноса, сделана оценка минимально достижимых размеров островков.

1. Введение поверхностях, близких по ориентации к плотноупакованным. Авторами [6] получено выражение:

В последние годы возрос интерес к процессам распада F1 = 1 · L-2, (1) упругонапряженной пленки германия на поверхности кремния в связи с проблемой создания полупроводнигде ковых структур с квантовыми точками из традиционных 4(1 - 2) для микроэлектроники материалов. При этом стоит зада1 = 2 · a2, · E ча формирования совершенных по структуре островков предельно малых размеров ( 10 нм). Данная пробле- — коэффициент Пуассона, E — модуль Юнга, — поверхностная энергия, a — межатомное расстояние, ма успешно решается для гетероструктур на основе L — среднее расстояние между ступенями в равновесном соединений AIIIBV, в частности, образование массивов квантовых точек в системе InAs / GaAs(001) [1,2]. Од- состоянии.

В [7] приведена сила, действующая на ступени на нако в системе Ge / Si(001) пока не удается получить поверхности упругонапряженной пленки:

ансамбли нанокластеров с хорошей однородностью по размерам, либо размеры образующихся островков знаF2 = 2 ln L, (2) чительно превышают необходимые для формирования квантовых точек [3].

где При расчете конечного размера островка в основном 2 · h2 =, рассматриваются энергетические характеристики проM цесса: минимизация свободной энергии пленки за счет — объемное напряжение, h — высота ступени, M — образования островков, имеющих форму, близкую к модуль упругости.

равновесной, а изменение формы островков в основном Авторы [7] рассматривают образование эшелонов стусвязывается с анизотропией упругих сил в напряженной пеней на поверхности упругонапряженной пленки при кристаллической пленке [4]. Однако в процессах саодновременном действии сил (1) и (2) и показывают, моорганизации важное значение могут иметь процессы что интенсивное развитие ступеней (2D-образований) направленного массопереноса [5]. В этом случае при возможно при значениях параметра Lav/L0 1, где расчете размера островка необходимо знать величину Lav — среднее расстояние между ступенями подложки движущей силы, вызывающей массоперенос, и степень (задается ориентацией) и L0 =(1/2)1/2.

выраженности анизотропии поверхностной диффузии.

Цель настоящей работы — экспериментальная проверРасчет силы наиболее корректно проводить из наблюка выводов работы [7], расчет силы F2 и, исходя из кидений образования эшелонов ступеней, так как теоренетических особенностей направленного массопереноса, тически этот процесс для разных случаев рассмотрен оценка минимально достижимых размеров островков в наиболее полно [5–7].

системе пленка германия на поверхности кремния.

В [6] рассчитана сила, действующая на ступени поСреди характерных особенностей рассматриваемой сиверхности и приводящая к образованию периодической стемы можно выделить очень быстрый переход от стаструктуры (”естественной шероховатости”) за счет подии псевдоморфного двумерного к трехмерному росту нижения поверхностной энергии кристалла. Как правило, при превышении пленкой критической толщины, обычно у большинства металлов и полупроводников образование равной 5-6 монослоям (ML). С учетом последнего ”естественной шероховатости” наблюдается только на обстоятельства были проведены исследования образо¶ E-mail: nich@rricnit.ryazan.su вания ступенеподобных неровностей при минимально 608 И.В. Закурдаев, М.В. Байзер, С.Ю. Садофьев, М.М. Рзаев низких температурах (Ts = 200C), позволяющих продлить время формирования островковой структуры. Исследование структурных изменений поверхности пленок проводилось с использованием дифракции быстрых электронов (ДБЭ), а также воздушных вариантов сканирующей туннельной (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

2. Эксперимент и результаты В соответствии с поставленными задачами были выполнены исследования структурных изменений поверхности в гетероэпитаксиальной системе Ge / Si(001) в зависимости от эффективной толщины напыленного слоя Рис. 1. СТМ изображение топографии поверхности и профигермания (deff).

лограмма сечения AA. Температура эпитаксии 200C, эффекЭкспериментальные образцы были выращены методом тивная толщина пленки германия 5 ML. Площадь сканирования молекулярно-лучевой эпитаксии на установке ”Катунь” 740 740.

на подложках КЭФ-4.5 (001), отклоненных на 0.5 к направлению [011]. После стандартной операции очистки поверхности подложки от слоя естественных окислов выращивали 200 нм буферного слоя кремния при температуре 800C. Вслед за этим подложку охлаждали до заданного значения температуры и наносили пленку германия толщиной 6.4, 10, 15 и 20 ML при скорости осаждения 0.22 / с.

СТМ и АСМ наблюдения проводились на туннельном микроскопе ”Скан-8” и сканирующем зондовом микроскопе Solver P4-SPM-MDT соответственно.

Наблюдения картин дифракции быстрых электронов показали, что при температуре эпитаксии Ts = 200C двумерный рост пленки германия сохраняется вплоть до толщины 15 ML и только на пленках толщиной 20 ML появились признаки формирования трехмерных образований. Тип реконструкции поверхности германия был (2 1). Отличие картин буферного слоя кремния и Рис. 2. СТМ изображение топографии поверхности и проповерхности германия состояло в заметном уширении и филограмма сечения AA. Температура эпитаксии 200C, ослаблении интенсивности рефлексов, что говорит о разэффективная толщина пленки германия 15 ML. Площадь скавитии мелкоструктурной шероховатости на поверхности нирования 740 740.

последнего.

2.1. СТМ наблюдения ния толщиной 5 и 15 ML соответственно, напыленных В качестве острия зонда использовалась золотая про- на кремниевую подложку при температуре эпитаксии волока диаметром 0.28 мм, заостренная методом меха- Ts = 200C. Анологичное изображение получено для нического среза. Несмотря на традиционные трудно- пленки с deff = 10 ML. На всех структурах хорошо сти, связанные с СТМ наблюдением поверхности по- просматриваются ступенеподобные образования, котолупроводников в атмосферных условиях, удалось полу- рые, как правило, наблюдаются на поверхности кристаллов при внешнем воздействии (например, электрочить большое количество устойчивых СТМ изображений термодиффузии атомов [5,8]). Период ступеней измес хорошей воспроизводимостью. Попытки наблюдения няется от 65 до 140 при увеличении эффективной морфологии кремниевой подложки без предварительной обработки (удаления слоя естественных окислов и пас- толщины пленки германия от 5 до 15 ML.

сивации поверхности) не увенчались успехом. Площадь Толщина пленок пропорциональна времени напылесканирования составляла от 300 300 до 1 1мкм.

ния. Построенная по трем точкам зависимость периода На рис. 1, 2 приведены СТМ изображения топографии ступеней от времени формирования дает соотношение поверхности и профилограммы сечений пленок герма- d t.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Исследование процесса распада упругонапряженной пленки германия на поверхности кремния Исследование характерных размеров на пленках тол- 3. Обсуждение щиной 10 ML от начальной стадии образования ступеней Наблюдение начальной стадии развития неровностей при Ts = 200C до роста островков при Ts = 350, на поверхности кремния, покрытого упругонапряженной и 650C показало их экспоненциальную зависимость от пленкой германия, позволило установить:

температуры предположительно по закону d D1/2, s 1) на начальном этапе самоорганизации (кластегде Ds — коэффициент поверхностной диффузии. При ризации) пленки германия при низкой температуре фиксированных времени формирования и эффективной Ts < 350C наблюдается развитие ступенеподобной толщине пленки германия активный процесс формироструктуры с характерными размерами h 2нм и вания островковой структуры наблюдается при темпераd (6.5-14) нм;

турах эпитаксии, превышающих 350C, причем размеры, 2) средняя скорость роста ступеней составляет форма и плотность островков существенно зависят от v 10-8 см/с и более чем в 102 раз превышает используемой температуры эпитаксии и возможных рескорость развития естественной шероховатости при той жимов постростового отжига [9].

же относительной температуре (T 0.2Tm) [10];

3) период следования ступеней зависит от толщины пленки и соответственно времени формирования пленки 2.2. АСМ наблюдения как d h, d t.

По соотношениям (1) и (2) оценим величины АСМ наблюдения проводились в контактной моде и кантилевером с кремниевым зондом, имеющим радиус 2. При расчете 1 взяты следующие значения:

острия менее 10 нм. Характерные площади сканирова- = 0.3, E = 7 · 1011 дин/см2, = 103 дин/см [11] и a = 2.5 · 10-8 см; получено 1 = 10-21 дин · см2. Во ния — от 1 1мкм до 7 7мкм.

втором случае, приняв h = 1нм, = 109 дин/см2 [12] При исследовании поверхности пленок с эффективи M = 1012 дин/см2 [11], получаем 2 = 10-8 дин.

ными толщинами 5 и 10 ML (Ts = 200C) наличие Теперь можно оценить основной параметр теории [6]:

структурных неровностей отмечено не было. На пленL0 = (1/2)1/2 = 3 · 10-7 см. Среднее расстоках с deff = 15 ML были обнаружены волнообразные яние между ступенями вицинальной грани (001)Ge протяженные неровности (рис. 3), свидетельствующие о Lav = 1.5·10-6 см. Таким образом, получаем Lav/L0 > 1, начале процесса формирования локализованных островчто соответствует условию активного развития эшелонов ков. По-видимому, ступенчатая структура, показанная на ступеней [7].

рис. 2, покрывает волнообразные неровности, предстаОсновным моментом проведенных оценок и их соотвленные на рис. 3. С другой стороны, наблюдаемая ветствия экспериментальным результатам является возструктура может быть названа ”ямочной” за наличие можность рассчитать силу, вызывающую направленный характерных углублений диаметром около 450 нм и дрейф адатомов германия. Знание этой силы позволяет глубиной 40. Подобные ”ямки”, но уже существенно оценить минимально достижимые размеры островков в меньших размеров (десятки ангстрем в диаметре), были рассматриваемой системе.

отмечены и при СТМ наблюдениях.

Прежде всего отметим, что наиболее точно силу, действующую на адатом при направленном массопереносе, вызывающем образование ступеней, можно получить из опытов по электропереносу. В случае переходных металлов F = 10-12 дин [8], у полупроводников, например кремния, F = 5 · 10-11 дин [13]. Одновременное наблюдение развития естественной шероховатости и образования структуры под действием электрических сил позволило установить, что сила, вызванная градиентом химического потенциала, приводящая к развитию естественной шероховатости, сравнима с силой электропереноса [10], т. е. в случае полупроводников ее можно оценить как F 10-11 дин. Процесс самоорганизации упругонапряженных пленок протекает значительно активнее, чем в рассмотренных случаях. Учитывая, что при T = const скорость массопереноса пропорциональна действующей силе, то в рассматриваемом случае образование ступеней со скоростью v 10-8 см/с при T = 200C возможно при F > 10-9 дин. Расчет по Рис. 3. АСМ 3D-изображение топографии поверхности.

соотношению (2) дает F2 = 2 ln L = 2 · 10-8 дин для Температура эпитаксии 200C, эффективная толщина пленки германия 15 ML. Площадь сканирования 5 7мкм. L = 20 (размер периода ступеней по отношению к межатомному расстоянию).

7 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 610 И.В. Закурдаев, М.В. Байзер, С.Ю. Садофьев, М.М. Рзаев тивоположном случае действие внешней силы и силы, вызванной лапласовским давлением, складываются, что приводит к нивелированию (разглаживанию) поверхности. Развитие на поверхности пленки германия на начальной стадии образования островков ступенчатой структуры приводит к усилению структурной анизотропии (диффузия атомов преобладает вдоль фронта ступеней, т. е. по направлению [110]). Именно с этим фактором можно связать наблюдаемое авторами [14] образование протяженных Ge1-xSix волнообразных островков на поверхности Si(100). Подтверждение определяющей роли анизотропии коэффициента поверхностной диффузии в процессах самоорганизации мы видим и в опытах развития структуры на поверхности чистого кристалла (например, молибдена) при одновременном воздействии двух сил, вызывающих электроперенос и термоперенос атомов. На рис. 4 показаны виды структур на поверхности вицинальной грани Mo(112), от клоненной на 3 к направлению [110] в зависимости от направления действия сил. При противоположном действии сил в зоне, где следовало ожидать равнодействия сил, наблюдается распад ступеней на отдельные островки (рис. 4, b). Подобное возможно, на наш взгляд, когда заметно проявление структурной анизотропии, обеспечивающей движение атомов под большими углами к направлению действия сил [5]. Во всяком случае здесь нет оснований включать в рассмотрение упругие силы, и наблюдаемое изменение поверхностной структуры связано только с особенностями анизотропии поверхностной диффузии в поле внешРис. 4. Оптическое изображение топографии поверхности них сил.

вицинальной грани (112)Mo после отжига постоянным тоВернемся к соотношению (3) и оценим величину d ком j = 5 · 103 А / см2 в поле градиента температуры T = 2000 град/см в течение 150 ч при T = 2100 K: a — минимально достижимого размера островков германия действие сил, вызывающих электроперенос и термоперенос с учетом диффузионной кинетики. Беря минимальное атомов, совпадает; b — противоположно.

значение Ds/(Ds/) 1, = 10-23 см3 и силу F = 10-8 дин, получаем d 60 нм, что соответствует экспериментально наблюдаемым результатам [9,14,15].

Исходя из общих соотношений термодинамически не- Из формулы (3) видно, что уменьшение размера островобратимых процессов в работах [5,8] получены одина- ка возможно за счет увеличения силы F или подбора ковые соотношения для оценки периода самоорганизую- кристаллографической ориентации подложки (уменьшещихся неровностей:

ние коэффициента поверхностной диффузии атомов при увеличении ее анизотропии). Качественно влияние обоих 1/факторов наблюдали авторы [14].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.