WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 Особенности пиролиза молекул на эпитаксиальной поверхности при росте слоев Si1-xGex из гидридов в вакууме ¶ © Л.К. Орлов, С.В. Ивин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 5 мая 2006 г. Принята к печати 19 мая 2006 г.) В рамках кинетического приближения на основе данных ростового эксперимента рассмотрены особенности пиролиза молекул при росте пленок Si1-xGex из гидридов в вакууме. Для схемы распада моногидридов Si и Ge с доминирующей ролью в процессе пиролиза радикалов SiH2 и GeH2 изучен характер решений кинетической задачи в зависимости от значений параметров системы. Впервые показано, что в рассматриваемой системе могут существовать по крайней мере два типа решений, принципиально отличающихся друг от друга скоростью встраивания атомов в растущий слой и степенью заполнения поверхностных состояний продуктами пиролиза молекул. Тип решения, характерный для реального эксперимента, определен из условия сегрегационного накопления атомов Ge на поверхности роста пленки Si1-x Gex. На основании проведенного численного анализа в зависимости от ростовой температуры получена оценка скорости распада моногидридов на ростовой поверхности и значений коэффициентов встраивания адатомов Si и Ge в кристалл.

Для моносилана оценка характерного времени распада в условиях ростовых температур 450-700C соответствует величине 3-4 с, для моногермана — порядка 2 с.

PACS: 68.35.-p, 82.30.Fi, 82.20.Wt В настоящее время развитие кремниевой электроники В настоящее время проблема повышения скорости идет по пути использования полупроводниковых нано- роста слоев в условиях относительно низких температур размерных гетерокомпозиций, выполненных на основе эпитаксиального процесса решается различными спосовсей гаммы элементов IV группы. Наиболее яркие бами. Наиболее активная работа ведется в направледостижения на сегодняшний день связываются с иснии использования более сложных соединений, в том пользованием твердых растворов на основе кремния и числе элементоорганических, с пониженными значениягермания, позволивших в течение относительно коротми энергии связей атомов в молекуле. Анализируется кого времени существенно расширить динамический и возможность использования каталитического влияния частотный диапазоны важнейших элементов кремниевой на процессы роста как самой поверхности [7], так и электроники. В плане дальнейшего развития технологии атомов легирующих добавок, адсорбируемых поверхноактивно обсуждается перспектива применения углерода стью. Привлекательной остается процедура активации в качестве одной из компонент сплавов Si1-x-yGexCy.

процессов пиролиза молекул в реакторе путем примеПри выращивании гетероэпитаксиальных структур наинения дополнительных горячих источников (метод „гоболее востребованными на сегодняшний день являются рячей проволоки“) [8–10] либо путем фотовозбуждения методы газофазной, в частности, гидридной эпитаксии молекул, в том числе непосредственно на ростовой при пониженном либо ультранизком давлении газов в поверхности, с использованием лазеров оптического и реакторе [1–3]. Однако технологические методы, испольинфракрасного диапазонов [11,12], источников синхрозующие пиролиз молекулярных потоков в вакууме, натронного излучения [13] и низкоэнергетической СВЧ талкиваются в ряде случаев на значительные трудности.

плазмы [14].

Последние связаны в основном с высокой степенью покрытия поверхности кремния водородом, что обуслов- Особенно привлекательной для реализации указанных ливает чрезвычайно низкую скорость наращивания слоев выше целей видится идея использования инфракрасного при пониженной температуре роста (Tgr < 500C) [4–6] излучения [12], главным образом в длинноволновой чаметодами UHVCVD [2] и GSMBE [3]. В то же время сти спектра. Именно в этой части спектрального диапаряд наиболее интересных задач микро- и наноэлектрони- зона лежат наиболее характерные линии колебательного ки требуют использования именно низкотемпературных и колебательно-вращательного спектров большинства ростовых методов. К таким задачам, в частности, отмолекул, участвующих в эпитаксиальном процессе и адносятся проблема гетероэпитаксии двойных и тройных сорбируемых ростовой поверхностью. Сам кристалл вне сплавов на основе Si, Ge и C в условиях, исключающих областей собственного поглощения фононными модами эффект карбидообразования в пленках, и задача по характеризуется относительно малым коэффициентом выращиванию однородных массивов квантовых точек Ge экстинкции. В связи с этим резонансные методы ак(Ge1-xCx) на Si без перемешивания компонент соседних тивации высокочастотным излучением адсорбируемого слоев в окрестности гетерограниц.

поверхностью слоя молекул могут сыграть весьма по¶ E-mail: orlov@ipm.sci-nnov.ru лезную роль в решении задач повышения эффективности Особенности пиролиза молекул на эпитаксиальной поверхности при росте слоев Si1-xGex...

десорбции водорода с поверхности и ускорения процесса системы кинетических уравнений, связывающих изменепиролиза в условиях пониженных ростовых температур. ния безразмерных концентраций атомов и молекул i, Очевидно, что первой задачей, которую необходимо адсорбируемых ростовой поверхностью, с атомарными решить в цепочке задач, составляющих общую про- и молекулярными потоками веществ, поступающих к блему, является выявление типа химических реакций, подложке, и температурой последней. Для достижепротекающих на горячей поверхности, и определение ния поставленных выше целей наибольший интерес состава продуктов распада на всех стадиях процесса представляет определение поверхностных концентраций пиролиза молекул. При этом важно знать не только продуктов распада гидридов, а также нахождение либо поверхностные концентрации и скорости распада отдель- уточнение значений констант, входящих в кинетические ных радикалов молекул, но и скорости ухода адатомов уравнения и ответственных за скорость протекания того из связанных состояний на поверхности в связанные со- или иного процесса на поверхности роста. Некоторые стояния в объеме кристалла либо в свободные состояния из этих констант можно найти, если в число основных в объеме реактора. уравнений системы включить выражения, определяющие Другой проблемой при построении как кинетических, скорость роста и состав пленки в зависимости от так и численных, на базе метода Монте-Карло, моделей температуры процесса. Окончательный выбор рабочей при росте пленок в вакууме из газовой фазы является системы уравнений, используемой для анализа процесса чрезвычайно высокое число параметров модели, включа- пиролиза и кристаллизации, задается составом испольющих как скорости распада молекул, частоты десорбции зуемых газов, а также выбором конкретной схемы их и коэффициенты поверхностной диффузии различных распада.

компонент распадающихся молекул, так и константы Общая система уравнений, описывающая влияние кивзаимодействия их между собой. До конца не поняты- нетики распада гидридов на поверхности эпитаксиальми остаются и пути распада молекул на поверхности ной пленки на стационарный рост слоя Si1-xGex, была роста, особенно для высокомолекулярных соединений. рассмотрена нами ранее в работе [15]. В самом общем Для адекватного описания процессов на поверхности, случае система содержит большое число уравнений, для прогнозирования роста пленок и правильного вы- задаваемых типом поверхностных реакций, включающих числения поверхностных концентраций продуктов рас- как мономолекулярную, так и бимолекулярную схемы пада с целью объяснения вида технологических кривых распада [16], с чаще всего неизвестными кинетическими требуется проведение дополнительных экспериментов коэффициентами. Проводимый анализ основывался на по определению этих параметров и их зависимости от предположении, что лимитирующим полное время расусловий ростового эксперимента. Во многих случаях пада молекулы является процесс пиролиза ее радикалов даже уже найденные для простейших газов константы, только одного типа (SiHn, GeHn, n = 1-3) с одним такие, например, как коэффициенты десорбции водо- конкретным значением n. Всеми остальными процессами рода, скорости распада и энергии активации молекул, и взаимодействиями на поверхности роста при этом и особенно коэффициенты кристаллизации адатомов, пренебрегалось. Выбор данного приближения, равно как зависящие как от температуры, так и степени запол- и выбор конкретного типа радикала, основывался на нения поверхностных состояний продуктами распада анализе термодесорбционных спектров, позволяющих с молекул, требуют во многих случаях их доопределения некоторой достоверностью судить по крайней мере о и уточнения на базе более сложных и полных моделей. начальных стадиях процесса. Несмотря на многочисЦель данной работы — рассмотреть в кинетическом ленные исследования, ход протекания реакций пиролиза приближении с учетом накопившихся за последние годы гидридов на ростовой поверхности продолжает оставатьэкспериментальных данных особенности пиролиза моно- ся неоднозначным, вследствие чего по данному вопросу гидридов кремния и германия. Основной упор при этом до сих пор нет единого мнения у разных авторов. При делается на анализе кинетических коэффициентов, от- обсуждениях часто предлагаются самые разнообразные ветственных за процессы пиролиза, десорбции и встраи- как мономолекулярные, так и бимолекулярные схемы вания атомов в растущий слой. Расчеты и последующий распада гидридов.

анализ, направленный на выявление наиболее вероятных Расчеты, проводимые нами ранее в рамках кинедолгоживущих элементов цепочки распада гидридов на тического приближения [15] с доминирующим на поростовой поверхности, проводились одновременно на верхности радикалом SiH3, не дают полной уверенбазе нескольких различных, наиболее употребительных ности в правильности выбора исходной модели.

Так, физико-химических моделей распада. в рамках используемой в [15] схемы распада вычисИспользованная при расчетах кинетическая модель ляемые значения поверхностной концентрации силена базируется на общепринятых представлениях и вклю- SiH3 практически при всех допустимых значениях пачает в себя различные стадии ростового процесса в раметров системы превышают концентрацию незаблоусловиях молекулярного течения газов: адсорбцию мо- кированных свободных связей. Принятие этого факта лекул ростовой поверхностью, их пиролиз и процессы требует отказа от условий блокировки поверхностных десорбции, процессы кристаллизации и сегрегации. Ре- состояний всеми атомами водорода в адсорбированной шение задачи проводилось методом численного решения молекуле, общепринятых на сегодняшний день. Поэтому Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 58 Л.К. Орлов, С.В. Ивин далее нами детально рассмотрена схема пиролиза смеси на то что анализ состава адсорбируемых продуктов силан–герман, основанная на иных физико-химических распада моносилана, проводимый с использованием мереакциях тодов температурно-программируемой десорбции водорода [18] либо Фурье-спектроскопии [19], показывает SiH4(g) +1 SiH2 + H2(g), SiH2 + 2 Si + 2H, большую вероятность накопления на поверхности, по крайней мере в этих экспериментах, радикалов SiHH (1/2)H2(g), Si Si(cr), либо даже SiH. К сожалению, любые методы монитоGeH4(g) +1 GeH2 + H2(g), GeH2 + 2 Ge + 2H, ринга состава молекул, адсорбируемых поверхностью, выполненные в условиях, отличающихся, а по больH (1/2)H2(g), Ge Ge(cr), (1) шей части даже весьма далеких от условий ростового и системе кинетических уравнений, определяющих процесса, не дают полной уверенности в правильности поверхностные концентрации i при росте пленок выбора модели, основанной на результатах измерений Si1-xGex, этими методами. Более того, анализ распада дигидридов M2H6 (M = Si или Ge) показывает [20], что в качеSSiH FSiH nbl - 6SiH SiH fr = 0, 4 4 2 стве первого звена в цепочке реакций распада может выступать как реакция M2H6 2MH3, так и реакция SGeH FGeH nbl - 6GeH GeH fr = 0, 4 4 2 M2H6 MH2 + MH4. Поэтому теоретический анализ 6SiH SiH fr - rSiSi = 0, (2) ростового процесса на основе всех возможных схем 2 2 распада молекул может быть полезен для выявления 6GeH GeH fr - rGeSi = 0, 2 особенностей, которые могли бы помочь идентифици12(SiH SiH + GeH GeH )fr - HH = 0, 2 2 2 2 ровать характер протекания физико-химических реакций на поверхности роста пленки.

SiH + GeH + Si + Ge + H + fr = 1, 2 Используя схему расчета (1), проанализируем харак1.23(rSiSi + rGeGe) - Vgr = 0;

теристики системы в условиях роста пленок твердого раствора Si1-xGex из двухкомпонентной смеси силан– nbl = fr - 2SiH - 2GeH.

2 герман, определив исходные параметры модели следуюВ реакциях (1) подчеркивание химического символа щим образом:

указывает на связь атома с поверхностью; подчеркнутая цифра — число свободных связей на поверхности, ESi требуемых для протекания реакции; (g) — газообразная SiH = SiH exp -, ESi = 0.08 эВ;

kTgr форма, (cr) — кристаллическая. В соотношениях (2):

SSiH и SGeH — коэффициенты захвата поверхностью 4 EGe молекул SiH4 и GeH4; FSiH и FGeH — потоки мо- 4 GeH = GeH exp -, EGe = 0.04 эВ.

лекул SiH4 и GeH4; i — безразмерные концентра- kTgr ции, отнесенные к концентрации поверхностных свяРассмотрим следующие конкретные условия ростовозей ns = 6.78 · 1014 см-2; fr — концентрация свободных го эксперимента: давление силана в камере PSiH = „болтающихся“ связей; nbl — концентрация неблокиро= 0.3 мТорр; поток молекул силана к подложке, отнесенванных связей; SiH, GeH — частоты распада радикалов 2 ный к плотности поверхностных состояний ns, связан с гидридов; rSi, rGe — коэффициенты встраивания атомов давлением газа формулой в растущий слой, где ESi, EGe — энергии активации соответствующих процессов распада [7], i0 — множители, FSiH [c-1] =526.5 PSiH.

слабо зависящие от температуры; H — коэффициент де- 4 сорбции водорода с поверхности пленки; Vgr —скорость Для молекул моногермана соответственно имеем роста пленки.

Мы предполагаем, что лимитирующей по времени FGeH [c-1] =341.6 PGeH.

является реакция распада радикала SiH2; десорбция во- 4 дорода с поверхности идет как на первой, так и последКоэффициенты захвата поверхностью молекул силана и ней стадиях процесса; для радикала SiH2 выполняются германа выберем равными SSiH = 0.007 и SGeH = 0.02.

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.