CC BY
92
МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ КРЕМНИЯ
УДК 621.382
СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ ТОНКИХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2010 г. Д.А. Павлов1, С.В. Тихое1, П.А. Шиляев1, С.А. Денисов1,
В.Ю. Чалкое2, В.Г. Шенгурое2, Е.В. Короткое1, С.В. Турков1
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского
tikhov@phys .unn.ru
Поступила в редакцию 24.05.2010
Выполнены измерения эффекта Холла на тонких (0.2-2 мкм) слоях кремния на сапфире, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре подложки 600-700°С из источников кремния с различными уровнями легирования фосфором. Измерены температурные зависимости удельной поверхностной проводимости и подвижности в эффекте поля.
Ключевые слова: кремний, сапфир, подвижность, эффект поля, проводимость.
Структуры кремний на сапфире (КНС) до сих пор составляют основу радиационностойких, быстродействующих интегральных схем [1]. Кроме того, такие структуры могут быть использованы в оптоэлектронике. В связи с необходимостью совершенствования известных и создания новых, все более сложных, интегральных схем ужесточаются требования к слоям кремния на сапфире по однородности электрофизических характеристик, уровню автолегирования и концентрации донорных примесей, уменьшению влияния переходного слоя на границе кремний - сапфир. Несмотря на большое число исследований, направленных на улучшение свойств тонких слоев кремния на сапфире при выращивании их методом газофазной эпитаксии, протяженность переходной области менее 0.5 мкм достичь не удалось. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) наиболее приемлем для гетероэпитаксии КНС-структур, поскольку температуру роста в нем можно снизить до 650°С с сохранением высокого структурного совершенства слоев и качества поверхности. Проведение электрофизических исследований в тонких нелегированных слоях затруднено из-за полного отсутствия в них квазинейтральной области. Для этих целей необходимо создание слоев с высокими уровнями легирования с концентра-
1П18 -3
цией равновесных электронов п0 ~ 10 см .
Целью данной работы было исследование электрофизических свойств сильнолегированных слоев кремния на сапфире, выращенных методом сублимационной МЛЭ.
Выращивание слоев кремния толщиной 0.22 мкм на сапфировых подложках (1102) проводилось по методике, описанной в [2]. Поток атомов кремния и легирующей примеси формировался путем сублимации из источника, вырезанного в виде прямоугольного бруска из монокристаллов кремния, легированных фосфором до разных уровней (использовались источники из кремния марки КЭФ с удельным сопротивлением от 0.1 до 0.005 Омсм). Перед осаждением слоев подложку отжигали при температуре 1400°С в течение 30 минут. Осаждение слоев проводилось при температурах подложки 7^=600-700°С со скоростью 0.5 мкм/час.
Как показали исследования методом эффекта Холла, все слои имели проводимость п-типа и при толщинах а>0.5 мкм, по данным электронографии на отражение, представляли собой совершенные монокристаллы (на электроно-граммах присутствовали Кикучи-линии). Поверхность слоев была зеркально-гладкая: среднеарифметическая шероховатость, по данным атомно-силовой микроскопии, составляла Яа = = 0.7^1.8 нм. По данным рентгеновской дифракции, полуширина кривой качания Дю1/2 в этих образцах увеличивалась от 12.2 до 32.4,
Таблица
Параметры сильнолегированных слоев КНС в зависимости от их толщины, температуры роста и уровня легирования источника
Тип источника о о d, мкм р, Ом-см ц„, см2/В-с в объемном кремнии, см2/В-с [4] и0,см-3
КЭФ-0.005 650 0.5 1.810-2 194 170 2.91018
КЭФ-0.005 650 1.0 1.3 10-2 164 150 5.7-1018
КЭФ-0.005 700 1.8 1.910-2 174 170 3.4-1018
КЭФ-0.01 600 0.5 7.810-2 160 260 9.8-101'
КЭФ-0.01 600 1.0 5.0 10-2 260 260 9.71017
КЭФ-0.01 600 2.0 3.810-2 260 250 1.21018
КЭФ-0.1 600 0.2 1.5 47 600 1.7-101'
при уменьшении толщины слоя от 2 до 0.5 мкм. Тонкие слои (толщиной 0.2 мкм) имели мозаичную структуру с двойникованием. Шероховатость поверхности тонких слоев возрастала до значений 6.9^17.4 нм.
В таблице приведены усредненные по толщине эффективные значения удельного сопротивления р, подвижности электронов в эффекте Холла ця и их концентрации п0, измеренные методом Ван-дер-Пау [4], в зависимости от типа источника, температуры роста и толщины слоя. Также в таблице приведены для сравнения значения подвижности в монокристаллическом кремнии с тем же уровнем легирования. Видно, что в слоях толщиной А >1 мкм значения подвижности цп электронов близки к значениям подвижности в монокристаллах с тем же уровнем легирования фосфором [5]. В более тонких слоях (0.2-0.5 мкм) концентрация электронов ниже, чем в толстых. Данные СУ-профилирования КНС-структур показывают, что концентрация электронов убывает по направлению к границе слоя Б1-сапфир. Это, по-видимому, может быть связано и с захватом носителей на ловушках, плотность которых возрастает при приближении к подложке, а также с поверхностной сегрегацией фосфора, которая проявляется при низкотемпературном росте методом МЛЭ [5]. В то же время отметим, что компенсация доноров алюминием, возрастающая при приближении к подложке, маловероятна при наших условиях роста, поскольку рост слоев проводился при относительно низких температурах (<700°С) и, как показали данные послойного исследования КНС-структур, проникновения атомов алюминия в слой кремния не наблюдалось [6].
Как видно из таблицы, в КНС-структурах, выращенных из сильнолегированных фосфором источников, подвижность носителей сравнима с подвижностью в объемном кремнии. При опре-
делении п0 принималось значение Холл-фактора г ~ 1.93, характерное для рассеяния на ионах примеси в монокристаллах [3]. Такое совпадение значений подвижности свидетельствует о незначительном влиянии других видов рассеяния электронов на подвижность в сильнолегированных слоях по сравнению с рассеянием на ионах фосфора. В слоях, выращенных из умеренно легированного источника (КЭФ-0.1), значения подвижности в тонком слое (0.2 мкм) на порядок ниже, чем в объемном кремнии, что можно объяснить сильной дефектностью прилегающего к гетерогранице слоя кремния.
Известно, что сведения о механизмах рассеяния носителей заряда и наличии явлений захвата в слоях полупроводников можно получить из анализа температурных зависимостей проводимости [3] и подвижности в эффекте поля ^ [7]. В конечном счете, эти характеристики могут быть основными для установления качества полученных слоев и возможностей их практического применения. На рисунке приведены зависимости удельной поверхностной проводимости ^1; и подвижности в эффекте поля на частоте 60 Гц от температуры Т для слоев КНС разной толщины, полученных из источников КЭФ-0.01 и КЭФ-0.1. Видно, что в области температур ниже 300 К наблюдается участок степенной зависимости а ~ Т1, показатель степени в которой уменьшается с уменьшением толщины слоя от 3 до 2.5 (кривые 1 и 4). По мере уменьшения толщины слоя протяженность этого участка возрастает, смещаясь в сторону высоких температур. В измеренном диапазоне температур для Б1, легированного фосфором, проводимость соответствует области полной ионизации примеси и, таким образом, ее температурная зависимость должна определяться температурной зависимостью дрейфовой подвижности. Возрастающую с ростом температу-
о
т
Т, К
Рис. Температурные зависимости поверхностной проводимости (1-4) и подвижности в эффекте поля (5-7) в слоях КНС, полученных из источников КЭФ-0.01 (1-3, 5,6) и КЭФ-0.1 (4,7). й, мкм: 1 - 2; 2, 5 - 1; 3, 6 - 0.5; 4, 7 - 0.2
ры дрейфовую подвижность обычно объясняют рассеянием на ионах примеси (степенная зависимость с показателем 3/2) [3] и на заряженных протяженных дефектах [8]. Главной причиной возрастания протяженности степенного участка в температурной зависимости поверхностной проводимости в слоях при уменьшении толщины, по-видимому, могло быть увеличение дефектообразования. Это согласуется с обнаруженным выше ухудшением кристаллографической структуры и увеличением шероховатости поверхности в тонких слоях Б1. Однако это противоречит результатам измерения величины ця при комнатной температуре (таблица), по которым был сделан вывод о преимущественном рассеянии электронов на ионах фосфора. Возможно, это противоречие является кажущимся из-за неучета неоднородного распределения значений подвижности и концентрации электронов по толщине в слоях КНС. Как показали количественные оценки, при толщине слоя 0.2 мкм возможно также влияние на проводимость отрицательной зарядки поверхностей раздела слоя при понижении температуры, которое
характерно для кремниевых МДП-структур [9]. Данный эффект мог приводить к сужению толщины проводящего канала в слое КНС за счет увеличения толщины обедненных электронами приповерхностных областей пространственного заряда (как в полевых транзисторах) и к уменьшению проводимости при понижении температуры, не связанному с уменьшением дрейфовой подвижности.
Подвижность в эффекте поля является важнейшей характеристикой слоев КНС, так как ее значение определяет основную характеристику полевых транзисторов - крутизну управления
по току. Согласно теории [10], при монополяр-ном захвате свободных носителей на ловушки в полупроводнике связана с дрейфовой подвижностью цд формулой =в •Цд, где 0 - фак-
тор захвата на ловушки. При отсутствии захвата фактор 0 равен единице и = цд. При сильном захвате на объемные или ловушечные центры фактор 0 <<1. Как выяснилось из анализа температурных зависимостей цр, представленных на рисунке (кривые 5-7), в исследованных слоях КНС такой захват отсутствует во всем измеренном интервале температур. Значения 0 при комнатной температуре, найденные с учетом соотношения холловской и дрейфовой подвижностей электронов Цп =ГЦд [10], не превышали 0.5. То есть значения подвижности в эффекте поля были близки к значениям дрейфовой подвижности. Характер температурных зависимостей зависел от толщины слоев. В относительно толстых слоях (1,
2 мкм) величина возрастала при низких и высоких температурах (кривая 5). На слоях толщиной 0.2 и 0.5 мкм (кривые 6, 7) наблюдалось довольно сильное уменьшение (в 5-7
раз) при понижении температуры ниже 150 К, связанное с захватом электронов. Заметим, что в том и другом случае захват происходил на поверхностные состояния, локализованные на поверхности слоя Бі, так как нанесение диэлектрика и другие воздействия на поверхность слоя КНС существенно меняли значения и характер ее температурной зависимости. Таким образом, в работе показано, что для слоев КНС толщиной больше 1 мкм подвижность совпадает с подвижностью в объемном кремнии, а для тонких слоев подвижность падает из-за возрастания рассеяния на дефектах.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Рособразования РНП 2.1.1.36/26.
Список литературы
1. Папков В.С., Цыбульников М.В. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. М.: Энергия, 1979.
2. Денисов С.А., Светлов С.П., Чалков В.Ю. и др. // Неорганические материалы. 2007. Т. 43. № 4.
С. 391-398.
3. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1987.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984.
5. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. М.: Высшая школа, 1984.
6. Шенгуров В.Г., Светлов С.П., Чалков В.Ю. и др. // ФТП. 2006. № 2. С. 188-194.
7. Карпович И.А., Тихов С.В., Истомин Л.А., Хапугин О.Е. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2008. № 1. С. 25-29.
8. Обзоры по электронной технике. 1980. Серия 6 «Материалы». Вып. 2(705). С. 1-38.
9. Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука, 1984.
10. Пека Г.П. Физика поверхности полупроводников. Изд-во Киевского университета, 1967.
STRUCTURAL AND ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF HEAVILY DOPED SILICON-ON-SAPPHIRE LAYERS GROWN BY MOLECULAR BEAM EPITAXY
D.A. Pavlov, S.V. Tikhov, P.A. Shilyaev, S.A. Denisov, V.Yu. Chalkov, V.G. Shengurov, E.V. Korotkov, S.V. Turkov
The Hall effect measurements have been carried out on thin (0.2-2 micron) silicon-on-sapphire layers grown by sublimation molecular beam epitaxy at substrate temperature 600-700°C from Si sources with different P doping level. The temperature dependences have been measured of specific surface conductance and carrier mobility in field effect.
Keywords: silicon, sapphire, mobility, field effect, conductivity.
