CC BY
81
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лоба невского, 2010, № 2 (1), с. 60-65
УДК 621.382
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2010 г. С.В. Тихое 1, В.Г. Шенгуров 2, Д.А. Павлов 1, П.А. Шиляев 1,
Е.А. Питиримова 1, В.Н. Трушин 2, Е.В. Коротков 1,
С.А. Денисов 2, В.Ю. Чалков 2
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2 Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 08.02.2010
Установлена связь между параметрами осаждения, структурой, топологией поверхности и электрофизическими свойствами тонких слоев и-кремния на сапфире, полученных методом молекулярнолучевой эпитаксии. Обнаружено образование переходного слоя на начальном этапе роста Si толщиной до 0.3 мкм, который является смесью блочно-ориентированных относительно друг друга кристаллитов кремния и аморфной фазы. Электропроводность слоя имеет барьерный механизм с энергией активации 0.10-0.28 эВ и малыми значениями подвижности 30-60 см2/(В-с). Обнаружена зависимость образования глубоких акцепторов в Si от толщины слоев.
Ключевые слова: гетероструктуры, кремний на сапфире, подвижность.
Введение
Для создания устойчивых в отношении радиационного облучения комплементарных транзисторов со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) требуется получение тонких слоев кремния на сапфире (КНС) [1, 2]. Толщина таких слоев должна быть меньше одного микрона. Однако известно, что в столь тонких слоях возможно нарушение сплошности или образование переходного слоя с низкой проводимостью. В ранних работах [3] сообщалось об образовании переходного слоя толщиной 0.2-0.4 мкм в КНС-структурах. Именно субмикронные слои необходимы для создания устойчивых к радиации приборов и схем на основе МДП-структур. Однако химический состав, структура и электрофизические свойства переходного слоя в достаточной мере не были исследованы. Применение современных методов контроля наряду с традиционными методами позволяет получить более достоверную информацию о наличии такого слоя и его свойствах. В настоящей работе исследованы структура, морфология поверхности и некоторые электрофизические свойства тонких слоев КНС разной толщины (0.25-1.8 мкм), полученных методом МЛЭ. Эти исследования позволили определить структуру, толщину переходного слоя и установить его основные электрофизические характеристики.
Методика эксперимента
Слои n-типа кремния на сапфире выращивались методом сублимационной МЛЭ в вакууме не хуже 10-7 мм рт. ст. на подложке из сапфира, ориентированной в плоскости (11 02). В качестве источника паров кремния использовались сублимирующие при 7=1380°C прямоугольные бруски кремния, вырезанные из слитков марки КЭФ-0.005 и КЭФ-15. Температура подложки при осаждении слоев варьировалась от 600 до 700°С. Толщина слоев d зависела от времени осаждения и изменялась в пределах 0.25-1.8 мкм. Часть тонких (~ 0.3 мкм) слоев, полученных из КЭФ-15, подвергалась ионному легированию фосфором и последующей стандартной процедуре отжига. Структура приповерхностных слоев исследовалась на электронографе ЭМР-102 при ускоряющем напряжении ~ 50 кэВ. Структурное совершенство слоев Si определялось по угловой ширине кривой качания (дифракционное отражение (400)) на половине максимума интенсивности Дю1/2. Кривые качания снимались на двухкристальном рентгеновском спектрометре по схеме и, -m (CuKaj-излучение). В качестве кристалла-монохроматора использовался асимметрично установленный монокристалл Ge (111) с плоскостями отражения (511) (20511= 90.05°). Погрешность измерения ДЮ1/2 составляла 2 угл. сек. Морфология поверхности пленок исследовалась на атомном силовом микроскопе «Смена-А».
Кроме того на полученных образцах методом Ван-дер-Пау измерялись усредненные по толщине значения удельного сопротивления р, концентрации равновесных электронов п0 и холловской подвижности электронов [4]. В качестве точечных контактов для измерения тока и напряжения в этом случае использовались вплавленные методом электрического разряда конденсатора вкрапления Sn (10% Sb). Измерялись также температурные зависимости (Т = 77-450 К) удельной поверхностной проводимости и спектральные кривые фоточувствительности £ в диапазоне энергии квантов света ^ 0.6-2.0 эВ [4]. Фоточувствительность измерялась по фотопроводимости между омическими контактами из Sn (10% Sb) или из Аи (10% Sb). Последний контакт формировался методом термического испарения и последующего вплавления в вакууме при температуре эвтектики.
Результаты и обсуждение
В таблице 1 приведены значения ширины кривых качания Дю1/2 для КНС-структур, полу-
ченных при разных технологических параметрах роста. Видно, что полученные значения ширины (Дю1/2=11-23 угл. мин) соответствуют структуре монокристалла. Значения ширины кривой качания зависят от температуры осаждения и толщины выращенных слоев. Наиболее совершенные слои толщиной ~ 1 мкм растут при температуре осаждения 700°С. По мере уменьшения толщины структурное совершенство плавно ухудшается, по-видимому, из-за возрастания сжимающих напряжений вблизи границы сапфир/кремний. Известно, что постоянная решетки сапфира на 10% больше постоянной решетки кремния [5]. Электронография на отражение дает для слоев толщиной 0.5 и 1 мкм линии Кикучи, соответствующие высокосовершенным монокристаллам. Однако уже для толщин меньших 0.3 мкм получаются электронограммы с точечными рефлексами, соответствующие мозаичному монокристаллу кремния. На некоторых электроно-граммах присутствует также фон, соответствующий фазе аморфного кремния. При последующем уменьшении толщины число точечных рефлексов
Таблица 1
Значения ширины кривой качания на половине максимума интенсивности слоев КНС в зависимости от параметров роста
№ образца Температура отжига подложки, °С (время отжига, мин) Источник Температура подложки, °С Время роста, мин Толщина слоя, мкм Дю1/2, угл. мин
12-128 1440 (30) КЭФ-0.005 700 60 1.08 11
12-129 1440 (30) КЭФ-0.005 650 60 1.08 19.7
12-131 1440 (30) КЭФ-0.005 600 60 1.08 14.8
12-132 1440 (30) КЭФ-0.005 700 30 0.54 16.5
12-133 1440 (30) КЭФ-0.005 700 18 0.27 23.3
Рис. 1. Топография поверхности слоя КНС толщиной 0.54 мкм (образец 12-132). Шероховатость поверхности Ra = 4.3 нм, максимальный размах высот = 42 нм
Рис. 2. Топография поверхности слоя КНС толщиной 0.27 мкм (образец 12-133). Шероховатость поверхности Ra = 33.9 нм, максимальный размах высот = 226 нм
Рис. 3. Топография поверхности слоя КНС толщиной 0.3 мкм (образец 12-64) после ионной имплантации фосфором и отжига дефектов. Шероховатость поверхности Ra = 4.1 нм, максимальный размах высот = 42 нм
и их интенсивность уменьшаются, а интенсивность фона, соответствующего аморфной фазе кремния, увеличивается.
На рис. 1-3 показана морфология поверхности пленок КНС толщиной 0.54, 0.27 и 0.3 мкм, электронограммы которых давали линии Кикучи и точечные рефлексы с размытыми кольцами.
Видно, что поверхность толстого слоя (рис. 1) была относительно гладкой со средней шероховатостью Ra = 4.3 нм и максимальный размах высот ~ 42 нм был почти на порядок меньше по сравнению с номинальной толщиной пленки. Тонкий слой (рис. 2) характеризовался шероховатостью Ra=33.9 нм и максимальным размахом высот ~ 226 нм, практически совпадающим с номинальной толщиной пленки. Эти результаты свидетельствуют о сплошности слоев КНС толщиной более 0.3 мкм и несплошности менее тонких слоев. Последние представляют собой сросшиеся зерна монокристаллитов кремния со средним диаметром 1 мкм. Электронографические исследования показали, что эти зерна правильно ориентированы относительно друг друга, так же как в блочном монокристалле. После ионной имплантации фосфором и последующе-
го отжига радиационных дефектов топография поверхности тонких слоев, предварительно полученных из КЭФ-15, несколько трансформировалась. Она показана на рис. 3.
В таблице 2 приведены усредненные по толщине значения удельного сопротивления, концентрации равновесных электронов п0 (бралось значение, вычисленное для Холл-фактора = 1) и холловской подвижности электронов ци для пленок Si разной толщины, полученных в разных режимах. Образцы, отраженные в верхних шести строках таблицы, получены из источника КЭФ-0.005. В двух нижних строках представлены данные для образцов, полученных из источника КЭФ-15 и легированных фосфором методом ионной имплантации. Из таблицы видно, что наибольшая холловская подвижность до 350 см2/(В-с) наблюдалась в относительно толстых слоях Si (0.54-2.00 мкм), выращенных на сапфире при температуре 700-750°С. В тонких слоях (< 0.3 мкм) подвижность резко падала до 30-60 см2/(В-с). Для того чтобы выяснить причины этого падения, были измерены температурные зависимости проводимости слоев Si в интервале температур 77-
Таблица 2
Усредненные по толщине пленки кремния параметры удельного сопротивления, концентрации и холловской подвижности для пленок Si разной толщины, полученных в разных режимах
№ образца Температура осаждения, °С Толщина, мкм р, Ом-см И0 , см-3 Ци, см2/(В-с)
11-271 700 2.00 0.60 1.0-1017 200
12-94 700 1.80 0.15 1.2^1017 350
12-128 750 1.08 0.36 8.6^1016 201
12-126 850 1.08 0.27 2.3-1017 100
12-129 750 1.08 0.28 6.9-1016 318
12-132 700 0.54 0.50 4.0-1016 310
12-133 700 0.27 1.62 1.11017 58
12-54 700 0.25 1.55 1.26-1017 32
5
J______і____і_____,_____і_____,_____і_____і_____і_____і_____і_____і_____і
2 4 6 8 10 12 14
103/ Т, К
Рис. 4. Зависимости проводимости от обратной температуры для слоёв Si разной толщины. d, мкм: 1 - 0.27 (12133); 2 - 0.30 (12-64); 3 - 0.54 (12-132); 4 - 1.08 (12-128); 5 - 1.80 (12-94). Образец 12-64 легирован ионами фосфора и отожжен при 800°С
450 К, в котором примесь фосфора полностью ионизована, а изменения проводимости обусловлены механизмом рассеяния носителей заряда в полупроводнике.
На рис. 4 показаны зависимости поверхностной проводимости от температуры для слоев Si разной толщины при близких уровнях легирования (~ 1017 см-3). Видно, что слабая степенная зависимость, характерная для относительно совершенного полупроводника, наблюдается только для толстых (1-2 мкм) слоев Si (кривые
4, 5).
Характер этой зависимости типичен для слоев КНС и объясняется рассеянием на заряженных дефектах [3]. В слое толщиной 0.27 мкм (кривая 1) в широком интервале температур наблюдалась экспоненциальная зависимость от температуры с энергией активации ЕВ ~ 0.28 эВ. Такая зависимость характерна для механизма барьерной проводимости в полупроводниках,
которая обычно имеет место в поликристалличе-ских слоях [6]. В слое толщиной 0.3 мкм, легированном ионами фосфора (кривая 2), увеличивалась проводимость, но также сохранялся протяженный экспоненциальный участок барьерной проводимости с меньшим, чем для не легированного ионами слоя, значением ЕВ (0.21 эВ).
В слое толщиной 0.54 мкм (кривая 3), который давал электронограммы с Кикучи-линиями и относительно гладкую поверхность в поле зрения атомного микроскопа, также наблюдался участок барьерной проводимости в низкотемпературной области с энергией активации 0.1 эВ. В пользу барьерного механизма в тонких слоях КНС также прямо свидетельствовали низкие значения подвижности электронов в эффекте Холла (30-60 см2/(В-с)), почти на порядок меньшие значений в толстых пленках (см. таблицу 2) , а также зависимость высоты барьеров от напряжения. Например, для образца 12-64
и
я
о
а
с
/и, эВ
Рис. 5. Спектральные кривые фоточувствительности слоев КНС с омическими контактами Аи (10% Sb). Кривые 2-5 измерены с Si-фильтром для исключения влияния рассеянного света. d, нм (номер образца): 1 - 0.27 (12-133); 2 - 0.27 (12-133); 3 - 1.08 (12-131); 4 - 0.54 (12-132); 5 - 1.08 (12-128)
наблюдалось уменьшение высоты барьеров в направлении электрического поля от 0.21 эВ до 0.13 эВ при росте номинальных значений напряженности поля от 5 В/см до 3000 В/см.
Таким образом, по данным структурных исследований, морфологии поверхности, проводимости и эффекта Холла можно предположить, что переходным слоем в исследованных КНС-структурах является слой, в котором имеет место барьерный механизм проводимости. Этот слой представляет собой блочно-ориентированные монокристаллики Si, погруженные в аморфный Si. Толщина переходного слоя и размеры кристаллитов сильно зависят от параметров роста и условий последующих обработок (ионное легирование и отжиг радиационных дефектов). В оптимальных условиях роста (700°С) в нашем случае толщина его составляет ~ 0.3 мкм. В эквивалентной схеме КНС сопротивление переходного слоя включается параллельно сопротивлению более совершенного слоя в толстых пленках. Шунтирующее его влияние заметно до толщин
0.5 мкм и особенно проявляется при пониженных температурах, когда носители выталкиваются из более совершенного поверхностного слоя в переходный слой из-за отрицательного заряжения поверхности Si. Последнее явление обычно для окисленной поверхности Si. На этом явлении основан температурный метод Грея - Брауна, с помощью которого определяют плотность поверхностных состояний на границе раздела Si/SiO2 в структурах металл - оксид кремния -кремний [7].
На рис. 5 приведены спектры фоточувствительности 5 пленок КНС разной толщины. Для тонких слоев Si (< 0.3 мкм) было характерно наличие фотоотклика при /V ~ 1.5 эВ (показано стрелкой на кривой 1), свойственного а^ [8], что согласуется с присутствием размытых колец от аморфного кремния на электронограммах.
Анализ особенностей спектральных зависимостей в виде максимумов (показаны стрелками на кривых 2-5) методом Луковского [9] показал, что они обусловлены откликом от глубоких дискретных уровней в пленках Si. Эти уровни можно отнести к объему, так как они проявлялись независимо от состояния поверхности пленки полупроводника. Это состояние изменялось нанесением на поверхность Si пленки SiO2 и изменением приповерхностного изгиба зон в структуре внешним напряжением.
В образцах, полученных при разных условиях роста, и разной толщины обнаруживались уровни с усредненными энергетическими порогами 0.75; 0.85 и 0.95 эВ. Для появления фотоотклика эти уровни должны лежать под равновесным уровнем Ферми и, следовательно, имеют энергетическое положение от потолка валентной зоны Si Еу +0.35; Еу +0.25; Еу +0.15 эВ, соответственно, и являются глубокими акцепторами. Указанные значения глубины залегания акцепторов близки к значениям, которые дают вакансии и дивакансии в монокристаллическом кремнии [10]. Появление или отсутствие глубоких уровней в пленках Si очень существенно зависело от параметров роста. Яркой иллюстра-
цией этого являются кривые спектральной чувствительности, приведенные на рис. 5. Например, в пленках разной толщины, режим нанесения которых различался только временем нанесения (кривые 2, 3, 5), получались разные результаты по обнаружению глубоких уровней. В пленке толщиной 0.27 мкм обнаруживался только уровень с Еу +0.35 эВ, в пленке толщиной 0.54 мкм вообще не было отклика от глубоких ловушек, а в пленке толщиной 1.08 мкм наблюдался отклик от всех трех уровней. Изменение температуры осаждения (от 700 до 600°С) практически не влияло на дефектообра-зование (ср. кривые 3 и 5). Зависимость дефек-тообразования от толщины, вероятно, свидетельствует о преимущественной роли механических напряжений в возникновении глубоких акцепторов, обнаруживаемых в исследованных пленках.
Заключение
Установлена связь между параметрами осаждения, структурой, топологией поверхности и электрофизическими свойствами тонких слоев кремния на сапфире, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Обнаружено образование переходного слоя на начальном этапе роста Si толщиной до ~ 0.05-0.3 мкм в зависимости от условий осаждения. Этот слой является смесью блочно-ориентированных относительно друг друга кристалликов кремния с аморфной фазой. Электропроводность переход-
ного слоя характеризуется барьерным механизмом проводимости с энергией активации 0.10— 0.28 эВ и малыми значениями подвижности 3060 см2/(В-с). Обнаружена зависимость образования глубоких акцепторов в Si от толщины слоев.
Работа выполнена при поддержке гранта Рособразования РНП 2.1.1/3626.
Список литературы
1. Wilk G.D., Wallace R.M., and Anthony J.M. // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 5243.
2. International Technology Roadmap for Semiconductor // 2001 ed. (Semiconductor Industry, San Jose, CA, 2001). P. 216.
3. Обзоры по электронной технике. Серия 6 «Материалы». М.: ЦНИИ «Электроника», 1980. Выпуск 2 (705). С. 1.
4. Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1997.
5. Панков В.С., Цыбульников М.И. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. М.: Энергия, 1979.
6. Petritz R.L. // Phys. Rev. 1956. V. 104. P. 1508.
7. Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука, 1984.
8. Lagowski J. // J. Electrohem.: Solid-State Science and Technology. 1981. V. 128. N. 12. P. 2665-2670.
9. Lucovsky G. // Sol. St. Commun. 1965. V. 3. P. 299.
10. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. М. : Радио и связь, 1981.
ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF THIN SILICON-ON-SAPPHIRE LAYERS PRODUCED
BY MOLECULAR-BEAM EPITAXY
S. V. Tikhov, V.G. Shengurov, D.A. Pavlov, P.A. Shilyaev, E.A. Pitirimova, V.N. Trushin,
E. V. Korotkov, S.A. Denisov, V. Yu. Chalkov
The relations between the parameters of deposition, structure, surface morphology and electrophysical properties of MBE grown thin n-silicon on sapphire films have been established. A transitional layer has been found to form at the initial stages of silicon growth. This layer of thickness up to 0.3 |Jm is a mixture of block oriented crystallites and amorphous phase of silicon. The layer electrical conductivity has a barrier mechanism with an activation energy of 0.1-0.28 eV and small values of mobility 30-60 cm2/Vs. The dependence of formation of deep acceptors in silicon on layer thickness has been discovered.
Keywords: heterostructures, silicon on sapphire, mobility.
