WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 6 Самоупорядоченные микрорезонаторы в сверхмелких кремниевых p+-n-переходах © Н.Т. Баграев, А.Д. Буравлев, Л.Е. Клячкин, А.М. Маляренко, С.А. Рыков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 30 декабря 1999 г. Принята к печати 30 декабря 1999 г.) Сканирующая туннельная микроскопия используется для регистрации топографических изображений поверхности (100) сверхмелких диффузионных профилей бора в кремнии. Данная методика позволяет исследовать влияние флуктуаций поверхностного деформационного потенциала, зависящих от толщины предварительно нанесенного слоя окисла, на кристаллографическую ориентацию потоков неравновесных вакансий и собственных межузельных атомов, которые стимулируют обменные механизмы примесной диффузии.

Впервые показано существование самоупорядоченных систем квантовых антиточек, которые формируются вследствие флуктуаций поверхностного деформационного потенциала и представляют собой микродефекты, проникающие сквозь диффузионный профиль легирующей примеси. Установлено, что разброс в размерах квантовых антиточек нивелируется при увеличении температуры примесной диффузии. Кроме того, размеры квантовых антиточек взаимосвязаны с их пространственным распределением, что указывает на фрактальный механизм формирования самоупорядоченных нуль-мерных систем в условиях сильного взаимодействия неравновесных потоков примесных атомов и первичных дефектов. Получение самоупорядоченных квантовых антиточек, встроенных в систему кремниевых квантовых ям, делает возможным создание микрорезонаторов с распределенной обратной связью, наличие которых подтверждается с помощью спектральных зависимостей коэффициентов отражения и пропускания соответственно в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн.

1. Введение режимов неравновесной диффузии процессы самоупорядочения легирующих примесей могут стимулировать В основе формирования всех известных до настоящего формирование как поперечных, так и продольных привремени наноструктур в полупроводниках лежат процес- месных сверхрешеток. Определенное преимущество присы локального самоупорядочения атомов матрицы [1]. месных квантовых ям и сверхрешеток состоит в том, что Между тем самоупорядоченные наноструктуры могут они могут быть реализованы даже в элементарных потакже возникать вследствие анизотропии диффузии при- лупроводниках, например, непосредственно в процессе месных атомов и ионов при их внедрении в полупро- получения кремниевых p-n-переходов и транзисторных водниковую решетку методами ионной имплантации и структур, в которых проявляются эффекты переноса диффузии [2,3]. Подобная самоорганизация примесных одиночных электронов и дырок [7,8].

атомов резко усиливается при использовании метода не- Однако технологическая реализация более сложных равновесной примесной диффузии в условиях контроли- приборов кремниевой наноэлектроники, например разруемой инжекции вакансий или собственных межузель- личных комбинаций одноэлектронных ячеек памяти и ных атомов [3,4]. В этом случае преимущество имеет транзисторных структур, требует воспроизводимого поприменение планарной технологии, в рамках которой лучения контролируемых последовательностей продольможно реализовать режим ускоренной диффузии леги- ных и поперечных квантовых ям, которые в свою очередь рующей примеси, стимулируя обменное взаимодействие определяются формой поверхностного деформационного примесного атома с собственным межузельным атомом потенциала, возникающего в процессе неравновесной (kick-out mechanism, КО-механизм примесной диффу- примесной диффузии. Наиболее сильные флуктуации зии) или вакансией (вакансионный механизм примесной деформационного потенциала наблюдаются в условидиффузии), а также осуществлять резкое торможение ях доминирования КО- или вакансионного механизма примесной диффузии в режиме полной аннигиляции примесной диффузии вследствие пространственного разсобственных дефектов [3].

деления встречных потоков собственных межузельных Исследование угловых зависимостей спектров цикло- атомов или вакансий [3]. В этом случае следует ожидать, тронного резонанса электронов и дырок, а также кван- что собственные дефекты, не участвующие в процестованной проводимости [3,5] показали, что сверхмелкие се неравновесной примесной диффузии, могут образодиффузионные профили бора (глубиной 5–20 нм по дан- вывать микродефекты, которые насквозь пронизывают ным вторично-ионной масс-спектрометрии [4,6]), полу- сверхмелкие диффузионные профили. Таким образом, ченные таким образом, состоят из двумерных сильно кроме упорядоченных квантовых ям в процессе неравлегированных барьеров, между которыми сформированы новесной примесной диффузии может возникать самоорсамоупорядоченные квантовые ямы. В зависимости от ганизованная система микродефектов (антиточек), споСамоупорядоченные микрорезонаторы в сверхмелких кремниевых p+-n-переходах Рис. 1. Схема получения сверхмелких диффузионных профилей легирующей примеси в условиях инжекции собственных межузельных атомов I (a, d) и вакансий V (c, f ) при наличии предварительно нанесенного слоя окисла только на рабочей поверхности (a–c) и на обеих сторонах подложки (d–f ). CI и CV — неравновесные концентрации собственных межузельных атомов и вакансий соответственно.

Рис. 2. Сверхмелкие профили концентрации бора N(B) по глубине x в кремнии n-типа проводимости, полученные при разных температурах диффузии Td после предварительного нанесения слоя окисла толщиной dSiO2 на обе стороны пластины кремния ориентации (100). dSiO2/d0 = 1 — 0.17, 2 —1.0, 3 — 1.28. Td, C = a — 800, b — 900, c — 1100. Толщина слоя окисла dSiOопределялась временем окисления кремниевой пластины; d0 соответствует средней толщине слоя окисла, при которой достигается паритет между КО- и вакансионным механизмами примесной диффузии.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 728 Н.Т. Баграев, А.Д. Буравлев, Л.Е. Клячкин, А.М. Маляренко, С.А. Рыков собная оказывать влияние на динамику баллистического транспорта неравновесных носителей внутри сверхмелких диффузионных профилей.

В настоящей работе представлены результаты исследования поверхности диффузионных профилей бора в Si (100), полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Сначала рассматривается влияние температуры примесной диффузии и толщины предварительно осажденного слоя окисла, задающей величину и форму поверхностного деформационного потенциала, на характеристики микродефектов, формирующихся внутри сверхмелкого диффузионного профиля. Далее анализируется взаимосвязь размеров микродефектов и их пространственного распределения, которая лежит в основе фрактального механизма самоорганизации нульмерных систем в процессе неравновесной примесной диффузии. Поскольку самоупорядоченные системы микродефектов — антиточек, встроенные в примесные сверхрешетки, могут быть основой для образования микрорезонаторов, с целью идентификации их характеристик изучаются спектральные зависимости коэффициентов отражения и пропускания в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. В заключение впервые демонстрируется усиление люминесценции из квантовой ямы и внутрицентровой люминесценции точечного дефекта, находящихся внутри подобного микрорезонатора.

Рис. 3. a — планарная структура, используемая для изучения самоупорядоченных систем антиточек внутри сверхмелкого диффузионного p+-профиля с помощью STM-спектроскопии;

2. Сверхмелкие диффузионные Utunn — прикладываемое напряжение. b — трехмерное изображение одноэлектронной зонной схемы продольных и поперечпрофили бора в кремнии ных квантовых ям, сформированных между диффузионными p+-барьерами внутри самоупорядоченного микрорезонатора;

В качестве основы при получении сверхмелких дифпоказаны границы зоны проводимости (Ec), валентной зофузионных профилей бора использовались пластины моны (Ev) и уровень Ферми (EF).

нокристаллического кремния ориентации (100) n-типа проводимости толщиной 350 мкм с удельным сопротивлением 1.0 Ом · см. Предварительно обе стороны пластины окислялись в атмосфере сухого кислорода при диффузии бора, а также установить критерии их паритемпературе 1150C. Толщина слоя окисла определялась тета. Высокий уровень генерации первичных дефектов, временем окисления. Следует отметить, что предвариобеспечивающих увлечение или торможение примесных тельное окисление обеих сторон пластины применялось атомов, достигался не только благодаря их предварив первую очередь для накопления в подложке как собтельному накоплению в подложке, но и с помощью доственных межузельных атомов (рис. 1, d), так и вакансий бавочной подпитки борсодержащей газовой фазы сухим (рис. 1, f ), что достигается при наличии на кремниевой кислородом и хлористыми соединениями.

поверхности соответственно тонкого и толстого слоев Анализ полученных профилей концентрации бора в окисла. Подобного эффекта не удается достигнуть при кремнии ориентации (100), проведенный методом массокислении только рабочей поверхности, что соответ- cпектрометрии вторичных ионов (рис. 2), показывает, ствует режиму геттерирования остаточных примесей, что паритет между КО- и вакансионным механизмами, в рамках которого собственные межузельные атомы и приводящий к резкому замедлению примесной диффувакансии формируют микродефекты вблизи обратной зии, устанавливается при Td = 900C. Кроме того, поверхности подложки (рис. 1, a, c). После окончания вследствие интенсивной аннигиляции собственных межокисления на рабочей стороне пластины с помощью узельных атомов и вакансий следует ожидать, что при фотолитографии вскрывались окна для проведения крат- данной температуре и наличии слоя окисла средней ковременной диффузии бора из газовой фазы.

толщины могут быть минимизированы флуктуации поВарьируя температуру диффузии (Td = 800, 900 и верхностного деформационного потенциала. В случае 1100C) и толщину предварительно осажденного слоя доминирования как КО- (Td = 1100C), так и ваканокисла dSiO2, удалось определить оптимальные условия сионного (Td = 800C) механизмов диффузии бора для доминирования КО- и вакансионного механизмов в кремнии, максимальные флуктуации поверхностного Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Самоупорядоченные микрорезонаторы в сверхмелких кремниевых p+-n-переходах деформационного потенциала, по-видимому, возникают при наличии соответственно тонкого и толстого слоев окисла.

Данное положение получило подтверждение при анализе угловых зависимостей циклотронного резонанса [3,5], которые позволили идентифицировать продольные квантовые ямы внутри сверхмелкого диффузионного профиля бора, полученного в условиях паритета КОи вакансионного диффузионных механизмов, тогда как поперечные квантовые ямы, перпендикулярные плоскости сверхмелкого профиля, доминируют при использовании Td = 800 и 1100C. Далее влияние флуктуаций поверхностного деформационного потенциала на характеристики сверхмелких профилей бора в кремнии (100) анализируется на основании данных, которые были получены с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) с электромагнитной системой грубого подвода образца к острию (рис. 3, a), работающего как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого гелия. Настоящее исследование выполнено при комнатной температуре.

3. Сканирующая туннельная микроскопия самоупорядоченных микродефектов на поверхности сверхмелких диффузионных профилей бора в кремнии (100) На рис. 4–6 представлены при разном пространственном разрешении трехмерные STM-изображения топографии фрагментов поверхности диффузионных профилей бора в кремнии (100), полученных при различных температурах диффузии (Td) итолщинахслояокисла (dSiO2).

Как было сказано выше, применение высоких температур диффузии (Td = 1100C) резко ускоряет диффузию бора, проникающего в кремниевый монокристалл в условиях доминирования КО-механизма. В свою очередь, если диффузия проводится при низких температурах (Td = 800C), то основную роль играет вакансионный механизм, заключающийся в увлечении атомов бора неравновесными вакансиями. Кроме того, при средних температурах (Td = 900C) можно достигнуть паритета двух механизмов примесной диффузии, вызывая полную аннигиляцию собственных межузельных атомов и вакансий и обеспечивая резкое торможение диффузии легирующей примеси. Скорость диффузии также сильно зависит от толщины слоя окисла (dSiO2), поскольку она определяет доминирующий тип избыточных дефектов.

Вакансии стимулируют примесную диффузию преимущественно при больших значениях dSiO2, тогда как при Рис. 4. Трехмерные STM-изображения поверхности сверхмелмалых толщинах окисла примеси увлекаются в основном ких диффузионных профилей бора в кремнии (100), полученсобственными межузельными атомами.

ных при температуре диффузии Td = 800C и при наличии Таким образом, при температуре Td = 800C и налипредварительно нанесенного слоя окисла: a — толстый слой, чии толстого слоя предварительно нанесенного окисла dSiO2/d0 = 1.28; b — слой средней толщины, dSiO2/d0 = 1.0;

легирование бором проводилось в условиях доминироваc —тонкий слой, dSiO2/d0 = 0.17. X [001], Y [010].

ния вакансионного механизма примесной диффузии [4].

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 730 Н.Т. Баграев, А.Д. Буравлев, Л.Е. Клячкин, А.М. Маляренко, С.А. Рыков Это означает, что в кристалле в начальный момент проведения диффузии было большое число вакансий. Однако они были распределены неравномерно по кристаллу.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.