Введение.
Осаждение полупроводниковых плёнок с использованием ионных пучков возникло на стыке двух больших научно-технологических направлений: ионной имплантации и молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Ионная имплантация в настоящее время является базовой технологией легирования полупроводниковых плёнок. Для ионного легирования, как правило, используют энергии ионного пучка от ЮКэВ до 1 МэВ. Использование такого диапазона энергий определяется требованиями технологического характера, связанными с необходимостью формирования модифицированных ионным пучком слоев кристалла на определённых глубинах от поверхности. Однако, как показывают многочисленные исследования, при таких энергиях формируется высокая плотность дефектов кристаллической структуры (см. например монографии [1,2,3] и ссылки в них). Поэтому существует проблема восстановления структурных свойств кристалла после ионного облучения. Эту проблему традиционно решают отжигом дефектов при высоких температурах. Однако, при высоких температурах происходит диффузионное размытие концентрационных профилей легирования, сформированных ионной имплантацией, что является нежелательным эффектом при создании приборных структур для микро- и наноэлектроники. Если ионное легирование проводить прямо в процессе осаждения плёнок, то можно существенно снизить энергию ионного пучка до величин порядка 100 эВ и ниже [4,5], поскольку в этом случае ионам достаточно внедрится в узкий приповерхностный слой растущей плёнки. Использование низких энергий обеспечивает малый уровень дефектности легированных плёнок, и необходимость в последующем высокотемпературном отжиге отпадает. В ходе выполнения исследовательских работ по ионному легированию растущих плёнок было обнаружено, что ионы легирующей примеси, обладая избыточной энергией, могут существенно влиять на кинетику роста и результирующие свойства эпитаксиальных плёнок [6]. В результате возникла идея использования низкоэнергетических (<1КэВ) ионных пучков для управления процессом роста плёнок. Применительно к
8 полупроводниковым плёнкам пионерские работы в данном направлении были выполнены в
70-х годах в Японии Itoh Т. et al [7] и в СССР Лютовичем А.С. [8] и Александровым Л. Н. с коллегами [9, 10, 11]. В указанных работах была показана связь между значением энергии ионов в пучке и. различными процессами на поверхности при гомоэпитаксии кремния, такими, как разрушение окисного слоя, физическая адсорбция и хемосорбция, поверхностная диффузия. Это позволило сделать выводы о возможных механизмах действия ионного пучка на зарождение и рост эпитаксиальных слоев. Было показано, что в местах соударения иона с кристаллизующейся поверхностью образуются точечные дефекты и локальные области возбуждения атомов, которые становятся центрами зарождения островков новой фазы. Ионы, сталкиваясь с центрами трехмерного роста, могут разрушать их, обеспечивая условия для двумерного роста. Кроме того, ионный пучок энергетически подпитывает процессы диффузии и фазового перехода [11]. Интерес к ионно-стимулированной эпитаксии. обусловлен тем, что исследование роста кристаллов в условиях внешних воздействий способствует лучшему пониманию элементарных актов этого процесса и выяснению условий его оптимизации.
В настоящее время считается установленным, что рост плёнок в присутствии низкоэнергетического ионного облучения (НИО) характеризуется снижением температуры эпитаксии, уменьшением высоты рельефа поверхности, увеличением коэффициента встраивания примеси в растущую плёнку, сменой механизма роста плёнки. НИО успешно применяется для контролируемого изменения механических* оптических, электрических и структурных свойств тонких плёнок различных материалов [12]. В кремниевой технологии НИО используется для ионной очистки и планаризации поверхности [13], для низкотемпературной эпитаксии кремния [14,15] и нанесения диэлектрических покрытий [16], для ионного легирования непосредственно в процессе осаждения плёнок [4,5]. Исследования показывают, что при оптимальном выборе энергии и плотности ионного потока удается получать структурно совершенные слои при температурах значительно меньших, чем в
9 традиционных способах получения плёнок. Но, несмотря на достаточно широкое
использование НИО, его роль в процессах плёнкообразования остаётся мало изученной. Это связано с тем, что ионное воздействие сопровождается целым комплексом сложных физических процессов, происходящих одновременно в приповерхностной области растущей плёнки и взаимно влияющих друг на друга.
Компьютерное моделирование, которое позволяет учесть одновременно действие нескольких факторов ионного воздействия и их взаимосвязь, является незаменимым в решении данной проблемы. Однако, здесь возникает трудность совместного рассмотрения процессов, вызванных ионным облучением, и процессов, активируемых температурой. Дело в том, что при температурах и скоростях осаждения плёнок, используемых в эксперименте, характерные времена протекания этих процессов могут различаться на 12-15 порядков [17], что сильно ограничивает возможности проведения модельных расчётов в реальном масштабе времени.
К нерешённым проблемам низкотемпературной эпитаксии полупроводников из ионных пучков можно отнести вопрос о механизмах увеличения поверхностной подвижности атомов в условиях ионного облучения. На основе представлений о баллистическом массопереносе или локальном нагреве поверхности не удаётся объяснить экспериментальные зависимости коэффициента поверхностной диффузии от параметров ионного облучения [18]. Другой важной проблемой, требующей решения, является вопрос о роли реконструкции поверхности и, в частности, ионно-стимулированной реконструкции [19] в процессах эпитаксиального роста.
Существенное продвижение в понимании процессов, происходящих при эпитаксии из ионно-молекулярных пучков, может обеспечить импульсное воздействие пучком низкоэнергетических ионов [20]. Кратковременное ионное воздействие в процессе роста плёнок даёт ряд возможностей по сравнению с непрерывным ионным облучением, а именно:
10
• в выбранные моменты времени менять скорости основных процессов на поверхности
растущей плёнки (скорости зарождения, диффузии);
• не вводя значительных нарушений, передавать атомам поверхности дополнительную энергию;
• исследовать эффекты последействия.
Таким образом, импульсное ионное воздействие может стать тем инструментом, который позволит выявить, какой процесс в данный момент является определяющим на поверхности растущей плёнки, и тем самым установить природу происходящих изменений на поверхности.
Цель диссертационной работы состоит в выявлении основных физических процессов, определяющих рост кремниевых слоев при низкоэнергетическом ионном воздействии в условиях эпитаксии из молекулярных пучков. Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Установить методом компьютерного моделирования характер морфологических перестроек поверхности кремния с ориентацией (111) и (100) при взаимодействии с низкоэнергетическими ионами.
2. Провести экспериментальные исследования морфологии и реконструкции поверхности кремния при импульсном воздействии низкоэнергетическими ионами в процессе гомоэпитаксии из молекулярного пучка в зависимости от степени заполнения поверхностного монослоя, соотношения ионного и молекулярного потоков, температуры подложки.
3. Изучить механизмы морфологических перестроек на поверхности кремния, вызванных импульсным воздействием пучком ускоренных частиц в процессе роста из молекулярного пучка.
4. Разработать модель гомоэпитаксии кремния из молекулярного пучка в условиях облучения низкоэнергетическими ионами.
и Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:
1. Решена нестационарная задача морфологической перестройки поверхности кремния с ориентацией (111) и (100), вызванной ударом низкоэнергетического иона Хе (энергия 225 эВ, угол падения относительно нормали к поверхности 60°) в области температур 700-1000 К. Установлено, что единичное воздействие приводит к образованию вакансионного кластера, в котором вакансии сосредоточены преимущественно в первом атомном слое, генерации адатомов и распылению материала.
2. Проведено исследование динамики морфологических изменений поверхности кремния при облучении низкоэнергетическими ионами на основе решения систем дифференциальных уравнений, учитывающих диффузию и взаимодействие адатомов с вакансионными кластерами, вводимыми ионным пучком. Впервые предсказано, что при распылении вицинальной поверхности кремния в определенной области температур, которая зависит от плотности ионного потока, должны наблюдаться осцилляции скорости движения моноатомных ступеней. Установлено, что эти осцилляции обусловлены взаимодействием ступеней с поверхностными вакансионными кластерами, вводимыми ионным облучением.
3. Развит подход к экспериментальному исследованию изменения морфологии/сверхструктуры поверхности в процессе эпитаксии из ионно-молекулярных пучков, заключающийся в импульсном, ионном воздействии на поверхность на различных стадиях роста по количеству осаждённого материала с in situ контролем состояния поверхности методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ). На основе данного подхода впервые экспериментально обнаружен эффект уменьшения шероховатости поверхности растущего слоя после импульсного воздействия пучком низкоэнергетических ионов в процессе эпитаксии Si(lll) из молекулярного пучка.
4. Впервые экспериментально обнаружен сверхструктурный фазовый переход (5х5)=>(7х7) под действием импульсного ионного воздействия в условиях эпитаксии Si(l 11) из молекулярного пучка.
12 5. Предложена модель морфологических изменений на поверхности Si(lll) при
импульсном воздействии пучком низкоэнергетических ионов в процессе гомоэпитаксии из молекулярного пучка. В основе модели лежит представление об увеличении коэффициента поверхностной диффузии адатомов в результате ионно-стимулированной реконструкции от (5x5) к (7x7).
Практическая значимость работы.
Исследованный класс явлений фактически обеспечивает развитие метода молекулярно-лучевой эпитаксии с синхронизацией структурных превращений импульсным ионным воздействием. Этот метод позволяет получать более резкие границы при росте модулированных структур, а также управлять размерами островков при гетероэпитаксии, например Ge на Si при создании структур с квантовыми точками [21].
Полученные в работе результаты моделирования морфологических перестроек поверхности кремния под действием ионного облучения могут быть полезны при рассмотрении процессов плазмо-химического и ионного травления поверхности кремния, а также эпитаксии из ионно-молекулярных пучков. Созданный пакет программ позволяет моделировать процессы на поверхности при ионно-стимулированной эпитаксии и выделять определяющие факторы при различных условиях ионного облучения. Это дает возможность проводить предварительное моделирование экспериментальной ситуации и оптимизировать условия воздействия ионным пучком в процессе МЛЭ.
13 На защиту выносятся:
1. Развитый подход к экспериментальному исследованию изменения морфологии/сверхструктуры поверхности кремния в процессе эпитаксиального роста с одновременным облучением низкоэнергетическими ионами, заключающийся в импульсном ионном воздействии на различных стадиях заполнения поверхностного монослоя с контролем in situ состояния поверхности с помощью метода дифракции быстрых электронов.
2. Эффект снижения шероховатости ростовой поверхности под действием кратковременного (0.5-1 с) воздействия пучком низкоэнергетических (80-145 эВ) ионов Кг+ в процессе МЛЭ Si(lll) в области малых доз ионного облучения (10п-г-1012см'2) и экспериментальные результаты по зависимости обнаруженного эффекта от степени заполнения поверхностного монослоя, температуры подложки и количества осаждённых монослоёв:
- шероховатость поверхности растущего слоя уменьшается, если импульсное ионное воздействие проводится при степени заполнения поверхностного монослоя в в области от 0.5 до 1. Максимальный эффект достигается при в» 0.8. Для начальных стадий заполнения монослоя (0<О.5) эффект отсутствует;
- эффект усиливается с ростом температуры до 400°С, а затем - ослабляется и при температуре выше 500°С эффект практически исчезает;
- по мере увеличения числа осаждённых монослоёв эффект сглаживания рельефа поверхности растущей плёнки импульсным ионным воздействием ослабевает.
3. Обнаружение сверхструктурного фазового перехода на поверхности Si(lll) под действием импульсного ионного воздействия от смеси сверхструктур (5x5) и (7x7) к преимущественно одной сверхструктуре (7x7) в условиях МЛЭ и экспериментальные результаты по зависимости ионно-стимулированной реконструкции от температуры:
14
— доля поверхностной фазы (7x7), вводимая ионным облучением, увеличивается с ростом
температуры и достигает максимума при 400°С, выше этой температуры относительный вклад ионно-стимулированной реконструкции уменьшается.
4. Модель морфологической перестройки поверхности Si(lll) под действием импульсного воздействия пучком низкоэнергетических ионов в процессе гомоэпитаксии из молекулярного пучка. Модель учитывает генерацию адатомов и поверхностных вакансионных кластеров и изменение поверхностной сверхструктуры в результате ионного облучения поверхности. В основе модели лежит представление об увеличении коэффициента поверхностной диффузии адатомов в результате ионно-стимулированной реконструкции (5х5)=>(7х7).
5. Результаты моделирования распыления вицинальной поверхности кремния низкоэнергетическими ионами:
— в определенной области температур, зависящей от плотности ионного потока, наблюдаются осцилляции скорости движения моноатомных ступеней и степени заполнения поверхностного слоя;
— осцилляции скорости движения ступеней и степени заполнения поверхностного слоя обусловлены взаимодействием ступеней с поверхностными вакансионными кластерами, вводимыми ионным облучением.
15
Глава 1. Эпитаксия из ионно-молекулярных пучков. (Обзор литературы).
§ 1.1. Физические предпосылки для управления процессом роста плёнок с помощью ионных пучков.
Традиционный способ управления морфологическими и структурными свойствами растущих плёнок, получаемых осаждением из газовой фазы или молекулярных пучков, состоит в изменении температуры подложки и скорости осаждения материала [22,23,24]. Есть дополнительные возможности управления в рамках стандартных способов роста плёнок: осаждение на ростовую поверхность примеси со специальными свойствами (сурфактантов) [24,25,26], использование в качестве подложек вицинальных поверхностей с различной плотностью моноатомных ступеней [24,27,28]. Однако развитие современной микроэлектроники требует дополнительных, более прецизионных методов управления процессом роста.
Независимую возможность в управлении процессом роста плёнки способно дать воздействие пучком ионов на её поверхность во время эпитаксии. [14,15,29,30,31,32]. При этом к уже существующим параметрам управления добавляются энергия ионного пучка, его плотность и длительность воздействия. Меняя эти параметры, можно эффективно влиять на процессы на поверхности растущей плёнки.
1.1.1. ЭНЕРГИЯ ИОННОГО ПУЧКА.
Энергия ионного пучка - основной параметр, определяющий взаимодействие ионов с поверхностью. При достаточно больших энергиях воздействие пучком может привести к генерации протяженных дефектов в объёме растущей плёнки, поэтому энергию пучка выбирают меньше определенной критической энергии, но большей по сравнению с «тепловой» энергией частиц, которая определяется характерной температурой источника
16
молекулярного потока и составляет величину порядка 0.1эВ. Использование «сверхтепловых» частиц при осаждении плёнок приводит к ускорению диффузии и к эффективному "отжигу" дефектов кристаллической структуры в растущих плёнках в области низких температур. Требование к понижению температуры эпитаксии возникает при выращивании многослойных полупроводниковых структур с максимально резкими профилями легирования и границами раздела между слоями.
В работах Рабалайса и др. (Rabalais et al.) [14,15] методами обратного резерфордовского рассеивания, просвечивающей электронной микроскопии и дифракции быстрых электронов исследовалась зависимость степени кристалличности плёнок кремния, выращиваемых методом прямого осаждения из ионного пучка на Si(100) подложку от энергии ионов и температуры подложки. Было установлено, что при энергии ионного пучка близкой к 20 эВ наблюдается наибольший эффект в снижении температуры эпитаксии кремния. При данном значении энергии рост совершенных кристаллических плёнок кремния наблюдался вплоть до температуры 160° С. Авторы отмечают, что для той же температуры в отсутствии низкоэнергетического ионного облучения наблюдается рост полностью разупорядоченных аморфных слоев кремния. Для сравнения, температура аморфизации кремния при обычной эпитаксии из молекулярного пучка составляет около 350°С [33]. Зависимость эффекта кристаллизации от энергии ионного пучка достаточно сильна. При отклонении энергии от оптимального значения (20 эВ) на величину больше 10 эВ наблюдается существенное уменьшение доли кристаллической фазы в выращиваемых слоях кремния. При повышении температуры требование к точности задания энергии пучка ослабляется.
Значение оптимальной энергии напрямую связано с зависимостью процесса дефектообразования от энергии ионов (см. рис.1). С увеличением энергии ионного пучка концентрация вводимых дефектов растёт, причем зависимость имеет сильно немонотонный характер. При достижении некоторой пороговой энергии скорость введения дефектов быстро возрастает. Для низкотемпературной эпитаксии Si величина оптимальной энергии
17 оказывается близкой по величине к пороговой энергии смещения, то есть к энергии,
необходимой для формирования стабильной пары дефектов вакансия — междоузлие (пары Френкеля) [34,35].
Энергия ионного пучка влияет не только на кристаллическую структуру, но и на морфологию поверхности выращиваемых плёнок. Исследования с помощью метода ДБЭ процесса гомоэпитаксии кремния из ионного пучка, выполненные работе [14], показали, что при оптимальной энергии ионов высота поверхностного рельефа минимальна, и рост происходит по двумерно-слоевому механизму. Тогда как для энергий ионного пучка больше и меньше оптимального значения поверхность характеризуется трёхмерным рельефом, высота которого быстро возрастает по мере осаждения кремния.
|
