Дипломная работа: Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках

Наибольшая плотность дефектов наблюдается вблизи границы раздела CaF₂ – Si для обеих ориентаций подложки [22].

Данные по росту CaF₂ приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Фторид	Ориентация подложки	Ориентация пленки	T роста, о С	Рассогласование, %, (300К)	Тип структуры	cмìин
СaF2	(111)	(111)	600-800	+0.61	В	0.05
CaF2	(100)	(100)	500-600	+0.61	-	0.06

1.2.3 Влияние ориентации подложки на морфологию СaF₂

Из таблицы 1.2 следует, что лучшие результаты по эпитаксии фторидов на Si могут быть получены при использовании CaF₂ . Многие авторы [23,29] ставили своей целью выявление причин более качественного роста пленок CaF₂ на кремниевых подложках Si (111) в отличие от Si(100).

В [29] эпитаксиальные слои CaF₂ толщиной 400 нм выращивались на Si(111) и Si(100) при температурах подложки T_s = 700 и 550⁰ C соответственно. Пленки получались монокристаллическими: параметр каналирования для них не превышал c_мин = 0.05. На рис. 1.3(а) и 1.3(б) представлены микрофотографии полученные РЭМ поверхности структур CaF₂ /Si(111) и CaF₂ /Si(100) соответственно.

На рис. 1.3(а) видно, что поверхность пленки CaF₂ гладкая, и на ней имеются двумерные образования треугольной формы. Такой тип структуры, как правило, образуется при двумерном механизме роста.

Рис.1.3(а) Микрофотография поверхности структуры CaF₂ /Si(111) [29].

Рис.1.3(б) Микрофотография поверхности структуры CaF₂ /Si(100) [29].

Авторы [29] считают, что в их случае реализуется двумерный механизм роста пленки CaF₂ , так как от начала образования первого монослоя до окончания роста пленки ДБЭ не регистрирует трехмерных механизмов роста.

Поверхность CaF₂ /Si(100) имеет ярко выраженную островковую структуру (рис. 1.3(б)). В этом случае тяжи на дифракционной картине отсутствовали, а размытые рефлексы иллюстрировали наличие шероховатой поверхности пленки. Таким образом, при эпитаксии CaF₂ на Si(100) в отличие от CaF₂ /Si(111) наблюдается наличие шероховатой поверхности пленки. Подводя итог, можно сделать вывод: пленки CaF₂ растут более совершенными и в более широком диапазоне температур T_s на подложках кремния с ориентацией (111), чем на кремнии с ориентацией (100). Этот факт объясняется различием в величине свободной поверхностной энергии E_s для (111) и (100) поверхностей. Экспериментальные данные [30] и теоретические расчеты [31] показали, что для CaF₂ (111) величина E_s ~ 450-500 эрг/см² , в то время как для CaF₂ (100) она в 1.5-2 раза выше. Более высокое значение E_s может быть из-за дипольного момента, возникающего перпендикулярно поверхности CaF₂ (100). На рис. 1.4 представлено расположение атомных слоев в направлении {111}. В этом случае отсутствует дипольный момент. В то же время при ориентации поверхности CaF₂ (100) дипольный момент в направлении {100} присутствует всегда (Рис.1.5). За счет энергии электрического поля возникает дополнительное увеличение E_s на поверхности CaF₂ (100) [29]. Таким образом, при эпитаксии CaF₂ /Si(111) в отличие от CaF₂ /Si(100) становится выгодным не двумерно - слоевой, а трехмерный механизм роста.

Рис. 1.4 Структура атомных слоев CaF₂ в направлении <100> [29].

Рис.1.5 Структура атомных слоев CaF₂ в направлении <111> [29].

1.2.4Влияние отжигов на морфологию и структуру пленок CaF₂

В [32] при анализе методом каналирования пленок CaF₂ , выращенных при различных температурах на Si(100) обнаружено, что качественные слои CaF₂ , (c_мин = 0.05) растут в очень узком интервале температур T_s = 590-610⁰ C Отклонение всего лишь на 25⁰ C от оптимальной T_s резко увеличивало число дефектов. Вероятно, это следствие конкуренции процесса химического взаимодействия между CaF₂ и поверхностью кремния при высоких температурах, и процесса островкового роста из-за недостаточной подвижности молекул при низких ростовых температурах [22]. В [32] исследовалось влияние высокотемпературного быстрого отжига в атмосфере аргона на морфологию, структуру и электрофизические свойства слоев CaF₂ . Пленки CaF₂ толщиной 500 нм выращивались при скоростях роста 40-80 А/мин из графитового тигля. Температура роста варьировалась от 300 до 625⁰ С. Отжиг ex situ проводился при температуре 1100⁰ С в течение 20-30 секунд в атмосфере аргона для предотвращения окисления и разрушения эпитаксиального слоя. На рис. 1.6(а) приведена зависимость параметра каналирования c_мин от ростовой температуры T_s для не отожженных пленок CaF₂ /Si(100) (кривая 1) и пленок, отожженных в атмосфере аргона (кривая 2). Видно, что быстрый отжиг значительно улучшает качество пленок, снижая c_мин от 20-25% до 5-7%. В [33] наряду с быстрым отжигом ex situ (вне ростовой камеры) эксперименты по медленному отжигу пленок CaF₂ проводились в ростовой камере (in situ). Температура роста составляла T_s = 585⁰ С, которая после выращивания пленки увеличивалась до необходимой температуры отжига, при которой структура выдерживалась в течение 60 минут. Оптимальная температура отжига T_s , как это следует из рис. 1.6(б), составляет около 700⁰ С.

Рис. 1.6 (а). Зависимость c_мин от Т_s для структуры CaF₂ /Si(100). 1 - до отжига, 2 - после отжига ex situ [32].

Рис. 1.6 (б). Зависимость c_мин от Т_s для структуры CaF₂ /Si(100) после отжига in situ [32].

При отжиге in situ пленки CaF₂ становятся более совершенными. Возможность отжига позволяет снизить требования к точности установления температуры подложки Si в процессе эпитаксии.

Морфология поверхности пленок CaF₂ исследовалась с помощью РЭМ. Неотожженная пленка CaF₂ имела грубую морфологию с поверхностными дефектами размером от 100 до 500 нм. После быстрого отжига ex situ пленки CaF₂ становились более высокого качества по сравнению с пленками, отожженными in situ или неотожженными.

На поверхности пленок иногда видны линии, возникающие после быстрого отжига ex situ, которые появляются, по мнению авторов [33] за счет большого различия в коэффициентах термического расширения (КТP) фторида кальция и кремния, поскольку постоянная решетки Si при нагреве от комнатной температуры до 1100⁰ С изменяется на 0.4%, в то время как у CaF₂ на 2.7%.

Измерения C-V характеристик на структурах Al/CaF₂ /Si(100) [33] показали, что оба вида отжига не влияют на величину плотности поверхностных состояний, которая равна N_ss = 5×10¹¹ см^-2 ×эВ^-1 . Отжиг ex situ приводит к увеличению напряженности поля пробоя до Е_пр = 2×10 ⁶ В×см^-1 , в то время как отжиг in situ не приводит к увеличению Е_пр , значение которого обычно равно Е_пр =(2-5)×10⁵ В/ см.

Важной проблемой сегодня является установление механизма начальной стадии роста гетероэпитаксиальных структур CaF₂ /Si. В то время как при гетероэпитаксии полупроводниковых гетероструктур обычно наблюдается псевдоморфный рост полупроводниковой пленки, в случае гетероэпитаксии CaF₂ на Si(111) механизм начальной стадии остается неясным/

РЕЗЮМЕ