Получение слоев GexSi1-x на кремнии методом вакумных микроразмерных ростовых ячеек

НАНОСЛОИ  Ge_x Si_1-x НА КРЕМНИИ, ПОЛУЧЕНЫЕ МЕТОДОМ МИКРОРАЗМЕРНЫХ РОСТОВЫХ ЯЧЕЕК

 

Кремний – наиболее доступный, всесторонне исследованный и широко используемый в полупроводниковой электронике материал. Хорошо налажено получение кремниевых плоскопараллельных пластин диаметром до 300 мм и более с различно ориентированной поверхностью, обработанной до 14-го класса чистоты. Такие пластины являются подложечным материалом для формирования гетероструктур микро- и оптоэлектронного назначения и массово используются при получения эпитаксиальных слоёв кремния в производстве интегральных микросхем. Однако использование подложек кремния для получения совершенных гетероструктур ограничено его недостаточной кристаллографической совместимостью с большинством других перспективных полупроводниковых материалов, например, c германием и соединениями A³B⁵ [1]. Наиболее распространённый метод решения этой проблемы заключается в нанесении на их поверхность тонкого переходного слоя твердого раствора переменного состава, например, Ge_x Si_1-x Постоянная решетки кристаллического слоя Ge_x Si_1-x изменяется от 0,543072 нм (при x=0) до 0,565754 нм (при x=1), то есть на 4%). Ge_x Si_1-x – гетероструктуры представляют и самостоятельный интерес, так как находят широкое применение в оптоэлектронике. В определенных условиях тонкие слои германия на кремнии преобразуются в системы квантовых точек. Такое направление использования твёрдого раствора Ge_x Si_1-x также является в настоящее время весьма актуальным. Существует несколько широко используемых способов нанесения слоёв Ge_x Si_1-x необходимого состава на кремниевую подложку. Их общий недостаток – снижение эффективности получения однородных слоёв при увеличении размера подложки. Этот недостаток входит в противоречие с общей тенденцией промышленного производства эпитаксиальных гетероструктур приборного назначения (переход к использованию подложек всё большей площади). Поэтому разработка методов получения слоев Si-Ge/Si остается актуальной задачей п/п технологии.

В настоящей  статье показана возможность получения однородных слоёв твердого раствора Ge_x Si_1-x различного состава на кремниевых подложках большого диаметра методом микроразмерных ростовых ячеек.

В методе микроразмерных ростовых ячеек источником ростового вещества служит сублимирующая пластина необходимого состава, а плоскопараллельная ей пластина - подложка расположена на достаточно малом расстоянии l (см рисунок 1, а). Сэндвич «источник – подложка» находятся в температурном поле и помещены в вакуумную камеру. Для реализации этого метода необходимо выполнение условий R >> l и λ >> l (λ – средняя длина свободного пробега атомов в вакуумном зазоре между источником и подложкой). Чем больше радиус пластин источника и подложки R (при заданном l), тем существеннее проявляются достоинства метода микроразмерных ростовых ячеек. К этим достоинствам относятся: возможность получения однородных совершенных слоёв и структур на положках на подложках большой площади, полный перенос ростового вещества от источника к подложке, существенное снижение требований к уровню вакуума в рабочей камере [2].

Для получения  нанослоёв Ge_x Si_1-x методом микроразмерных ростовых ячеек достаточно иметь германиевый источник. Осадок германия на кремнии диффузионно насыщается кремнием в процессе температурного отжига. Основная трудность реализации такого подхода заключается в том, что давление паров германия до температуры его плавления слишком мало, а перевод пластины германия в расплавленное состояние затрудняет сохранение плоскопараллельности зазора между источником и подложкой из-за капиллярных эффектов.

В настоящей  работе предложен путь устранения указанной трудности. Он сводится к замене сплошного твердого германиевого источника на совокупность расплавленных локальных источников, расположенных на поверхности некоторой пластины (см. рисунок 1, б). Проблема заключается в выборе материала пластины, оптимизации радиуса источников, их взаимного расположения, поверхностной плотности распределения на пластине, расстояния от пластины до подложки l. Указанная оптимизация должна обеспечивать приемлемую однородность выращиваемого слоя.

 

1. Обоснование выбора материала для пластины.

 

2. Выбор распределения дискретных источников; коэффициент заполнения    (рис.1, в).

 

3. Формула для расчёта однородности слоя – её обоснование и обсуждения.

 

4. Результаты расчёта, их обсуждение    (рис. 2, а,б,в)

 

5. Натурные иллюстрации (включая однородные островковые структуры) –     (рис. 3, а,б,).

 

6. Заключение

 

7. Литература

 

[1] Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний – материал наноэлектроники. – М.:Техносфера, 2007.– 352с.

[2] Aleksandrov L.N., Lozovskii S.V., Knyazev S.Y. Silicon Zone Sublimation Regrowth // Phys. Stat. Sol.(a), 1988. – V.107., P.213-223.

 

Обоснование выбора материала  для пластины.

Пластина, в  приповерхностном слое которой формируется  совокупность расплавленных дискретных источников, по сути является тиглем ростового  вещества. Поэтому при выборе материала для такой пластина нужно учитывать все требования предъявляемые п/п технологией к тиглям ростового вещества. Типичными являются следующие требования:

1. низкое давление пара при температуре процесса
2. низкая растворимость материалом источника
3. хорошая смачиваемость
4. хорошая механическая обрабатываемость
5. удовлетворительная стоимость

Из-за специфики использования тигля в данной работе требования предъявляемые к смачиваемости не являются столь критичными. Действительно, в большинстве случаев хорошая смачиваемость должна обеспечивать либо хороший тепловой контакт расплавленного источника ростового вещества с тиглем, либо требуемую геометрическую форму расплава. Однако, в данной методике хороший тепловой контакт будет обеспечен лучистым теплообменом, а требуемую геометрическую форму капля ростового вещества и так приобретет в большем диапазоне соотношений поверхностных энергий.

С другой стороны к механические свойства материала пластины должны быть предъявлены более жесткие требования. Это связано с возможностью созданием сложного рисунка на поверхности пластины.

В данной работе для получения экспериментальных  данных использована графитовая матрица. Давление паров графита при температуре  процесса не превышает 10^-11 мм.рт.ст., графит практически не растворяется в германии и достаточно легко механически обрабатывается.

 

Выбор распределения дискретных источников, коэффициент заполнения.

Очевидно, что наиболее равномерному распределению осаждаемого материала  на подложке будут соответствовать  равноотстоящие друг от друга одинаковые по форме и размеру фрагменты  испаряющегося вещества. На плоскости  имеются две схемы расположения таких фрагментов (рис. 1):

а)	б)
Рис. 1- Типы дискретных источников

 

а) дискообразные фрагменты вещества диаметром d расположены с 
шагом s в узлах плоской решетки с квадратной ячейкой;.

б) дискообразные фрагменты вещества диаметром d расположены в 
узлах плоской решетки, ячейки которой представляют собой равносторонние треугольники с ребром s; таким образом, получается структуры типа «соты».

Поверхность дискретного источника покрыта ростовым веществом только частично, а количество испаряющегося материала при заданной скорости испарения пропорциональна площади испаряющейся поверхности. Поэтому удобно ввести некоторый коэффициент, назовем его коэффициентом заполнения, равный отношению суммарной площади испаряющихся фрагментов к общей площади дискретного источника и показывающий во сколько раз уменьшается количество испаряющегося материала при заданной скорости испарения при переходе от сплошного источника к дискретному. Для дискретного источника с квадратной ячейкой коэффициент заполнения равен ,

с треугольной - . Отметим, что s ≥ d.

 

 

Формула для расчёта  однородности слоя – её обоснование  и обсуждение.

При использовании дискретного источника ростового вещества неоднородность напыляемого слоя на подложке может быть вызвана двумя причинами. Во-первых, конечные размеры источника ростового вещества обуславливают монотонное уменьшение толщины слоя от центра подложки  к ее периферийной части. Такую неоднородность назовем радиальной. Во-вторых, дискретная структура источника ростового вещества вносит свою неоднородность, характер которой повторяется, переходя от одной ячейки к другой. Такую неоднородность назовем периодической, или неоднородностью в пределах ячейки.

Неоднородность слоя на некотором  участке подложки будем характеризовать  величиной δ=1-h_min/h_max, где h-толщина слоя. В условиях полной конденсации толщина слоя h в некоторой точке пропорциональна молекулярному потоку j в эту точку. Поэтому формулу для неоднородности слоя запишем как

                          δ=1-j_min/j_max.                                (1)

Радиальная неоднородность.

При рассмотрении радиальной неоднородности не будем обращать внимание на дискретную структуру источника ростового  вещества. Поэтому можно воспользоваться формулой для молекулярного потока от сплошного плоского круглого источника [2]:

 

где – молекулярный поток выраженный в относительных единицах, l-толщина вакуумной зоны, x- расстояние от точки пересечения подложки с осью источника до точки, в которой определяется молекулярный поток, - радиус дискретного источника. Как видно из формулы напротив оси источника, т.е. в точке x=0, величина молекулярного потока будет максимальной, и будет монотонно уменьшаться при удалении от этой точки. Заданной неоднородности δ будет отвечать часть подложки с центром в точке x=0 и радиусом x_δ. Подставляя эти значения в формулу (1) и разрешая полученное равенство относительно x_δ можно получить следующее выражение:

 

Таким образом, при уменьшении радиуса  источника r и увеличении толщины зоны l уменьшается часть подложки удовлетворяющей заданной неоднородности или увеличивается неоднородность при заданной площади подложки.

Неоднородность в пределах расчетной  ячейки.

Дискретный источник ростового вещества состоит из определенного числа фрагментов. При условии того, что молекулярные потоки не взаимодействуют друг с другом, молекулярный поток от дискретного источника в целом будет представлять собой алгебраическую сумму молекулярных потоков от всех его фрагментов:

 

где – молекулярный поток от дискретного источника в целом, x_i- расстояние от точки пересечения подложки с осью i-го фрагмента источника до точки, в которой определяется молекулярный поток, r- радиус фрагмента дискретного источника. В декартовой системе координат эта формула выглядит следующим образом:  

Задавая местоположение всех i фрагментов координатами (x_i,y_i) можно получить значение молекулярного потока дискретного источника в произвольной точке с координатами (x,y).

 

Результаты расчёта, их обсуждение.

Из приведенных выше формул вытекает, что основными технологическими параметрами, влияющими на равномерное распределение молекулярного потока на подложке, являются толщина вакуумной зоны l, радиус дискретного источника в целом (как правило, совпадает с радиусом подложки), радиус фрагмента дискретного источника r, расстояние между центрами соседних фрагментов s. 

а	б
Рис.2. Зависимость однородности слоя δ от параметров l и r для дискретного источника с треугольной ячейкой.

 

На рис. 2 представлена зависимость однородности слоя δ от параметров l и r для дискретного источника с треугольной ячейкой. Для дискретного источника с квадратной ячейкой результаты аналогичны, но с худшими значениями δ. Все значения указаны в миллиметрах. Расстояние между центрами соседних фрагментов s=2r+1.Т.е. границы соседних фрагментов отстоят друг от друга на 1мм. Для графитовой матрицы это достаточный технологический запас прочности перегородки между соседними фрагментами, позволяющий, во-первых, надежно ее изготавливать, а, во-вторых, многократно использовать в дальнейшем. Отметим, что зависимость однородности получаемого слоя от величины этой перегородки достаточно резкая, поэтому здесь уместен поиск материалов, позволяющих уменьшать размеры перегородки.  Как видно из рисунка δ уменьшается с ростом l и увеличивается с ростом r. Этот результат легко объясняется.

Таким образом, для получения однородных по толщине пленок, нужно по возможности уменьшать размеры фрагментов дискретных источников и расстояние между ними. Для параметра толщины вакуумной зоны l существует оптимальное значение, так как с уменьшение l увеличивается неоднородность, вызванная дискретной структурой ростового вещества, а с ростом l увеличивается радиальная неоднородность. Не следует также забывать, что с ростом l уменьшается коэффициент переноса ростового вещества (k_пер ≈ 1- l/) и увеличивается коэффициент загрязнения (_).