1. Введение поверхностях, близких по ориентации к плотноупакованным. Авторами [6] получено выражение:
В последние годы возрос интерес к процессам распада F1 = 1 L-2, (1) упругонапряженной пленки германия на поверхности кремния в связи с проблемой создания полупроводнигде ковых структур с квантовыми точками из традиционных 4(1 - 2) для микроэлектроники материалов. При этом стоит зада1 = 2 a2, E ча формирования совершенных по структуре островков предельно малых размеров ( 10 нм). Данная пробле- Ч коэффициент Пуассона, E Ч модуль Юнга, Ч поверхностная энергия, a Ч межатомное расстояние, ма успешно решается для гетероструктур на основе L Ч среднее расстояние между ступенями в равновесном соединений AIIIBV, в частности, образование массивов квантовых точек в системе InAs / GaAs(001) [1,2]. Од- состоянии.
В [7] приведена сила, действующая на ступени на нако в системе Ge / Si(001) пока не удается получить поверхности упругонапряженной пленки:
ансамбли нанокластеров с хорошей однородностью по размерам, либо размеры образующихся островков знаF2 = 2 ln L, (2) чительно превышают необходимые для формирования квантовых точек [3].
где При расчете конечного размера островка в основном 2 h2 =, рассматриваются энергетические характеристики проM цесса: минимизация свободной энергии пленки за счет Ч объемное напряжение, h Ч высота ступени, M Ч образования островков, имеющих форму, близкую к модуль упругости.
равновесной, а изменение формы островков в основном Авторы [7] рассматривают образование эшелонов стусвязывается с анизотропией упругих сил в напряженной пеней на поверхности упругонапряженной пленки при кристаллической пленке [4]. Однако в процессах саодновременном действии сил (1) и (2) и показывают, моорганизации важное значение могут иметь процессы что интенсивное развитие ступеней (2D-образований) направленного массопереноса [5]. В этом случае при возможно при значениях параметра Lav/L0 1, где расчете размера островка необходимо знать величину Lav Ч среднее расстояние между ступенями подложки движущей силы, вызывающей массоперенос, и степень (задается ориентацией) и L0 =(1/2)1/2.
выраженности анизотропии поверхностной диффузии.
Цель настоящей работы Ч экспериментальная проверРасчет силы наиболее корректно проводить из наблюка выводов работы [7], расчет силы F2 и, исходя из кидений образования эшелонов ступеней, так как теоренетических особенностей направленного массопереноса, тически этот процесс для разных случаев рассмотрен оценка минимально достижимых размеров островков в наиболее полно [5Ц7].
системе пленка германия на поверхности кремния.
В [6] рассчитана сила, действующая на ступени поСреди характерных особенностей рассматриваемой сиверхности и приводящая к образованию периодической стемы можно выделить очень быстрый переход от стаструктуры (Фестественной шероховатостиФ) за счет подии псевдоморфного двумерного к трехмерному росту нижения поверхностной энергии кристалла. Как правило, при превышении пленкой критической толщины, обычно у большинства металлов и полупроводников образование равной 5-6 монослоям (ML). С учетом последнего Фестественной шероховатостиФ наблюдается только на обстоятельства были проведены исследования образо E-mail: nich@rricnit.ryazan.su вания ступенеподобных неровностей при минимально 608 И.В. Закурдаев, М.В. Байзер, С.Ю. Садофьев, М.М. Рзаев низких температурах (Ts = 200C), позволяющих продлить время формирования островковой структуры. Исследование структурных изменений поверхности пленок проводилось с использованием дифракции быстрых электронов (ДБЭ), а также воздушных вариантов сканирующей туннельной (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ).
2. Эксперимент и результаты В соответствии с поставленными задачами были выполнены исследования структурных изменений поверхности в гетероэпитаксиальной системе Ge / Si(001) в зависимости от эффективной толщины напыленного слоя Рис. 1. СТМ изображение топографии поверхности и профигермания (deff).
ограмма сечения AA. Температура эпитаксии 200C, эффекЭкспериментальные образцы были выращены методом тивная толщина пленки германия 5 ML. Площадь сканирования молекулярно-лучевой эпитаксии на установке ФКатуньФ 740 740.
на подложках КЭФ-4.5 (001), отклоненных на 0.5 к направлению [011]. После стандартной операции очистки поверхности подложки от слоя естественных окислов выращивали 200 нм буферного слоя кремния при температуре 800C. Вслед за этим подложку охлаждали до заданного значения температуры и наносили пленку германия толщиной 6.4, 10, 15 и 20 ML при скорости осаждения 0.22 / с.
СТМ и АСМ наблюдения проводились на туннельном микроскопе ФСкан-8Ф и сканирующем зондовом микроскопе Solver P4-SPM-MDT соответственно.
Наблюдения картин дифракции быстрых электронов показали, что при температуре эпитаксии Ts = 200C двумерный рост пленки германия сохраняется вплоть до толщины 15 ML и только на пленках толщиной 20 ML появились признаки формирования трехмерных образований. Тип реконструкции поверхности германия был (2 1). Отличие картин буферного слоя кремния и Рис. 2. СТМ изображение топографии поверхности и проповерхности германия состояло в заметном уширении и филограмма сечения AA. Температура эпитаксии 200C, ослаблении интенсивности рефлексов, что говорит о разэффективная толщина пленки германия 15 ML. Площадь скавитии мелкоструктурной шероховатости на поверхности нирования 740 740.
последнего.
2.1. СТМ наблюдения ния толщиной 5 и 15 ML соответственно, напыленных В качестве острия зонда использовалась золотая про- на кремниевую подложку при температуре эпитаксии волока диаметром 0.28 мм, заостренная методом меха- Ts = 200C. Анологичное изображение получено для нического среза. Несмотря на традиционные трудно- пленки с deff = 10 ML. На всех структурах хорошо сти, связанные с СТМ наблюдением поверхности по- просматриваются ступенеподобные образования, котолупроводников в атмосферных условиях, удалось полу- рые, как правило, наблюдаются на поверхности кристаллов при внешнем воздействии (например, электрочить большое количество устойчивых СТМ изображений термодиффузии атомов [5,8]). Период ступеней измес хорошей воспроизводимостью. Попытки наблюдения няется от 65 до 140 при увеличении эффективной морфологии кремниевой подложки без предварительной обработки (удаления слоя естественных окислов и пас- толщины пленки германия от 5 до 15 ML.
сивации поверхности) не увенчались успехом. Площадь Толщина пленок пропорциональна времени напылесканирования составляла от 300 300 до 1 1мкм.
ния. Построенная по трем точкам зависимость периода На рис. 1, 2 приведены СТМ изображения топографии ступеней от времени формирования дает соотношение поверхности и профилограммы сечений пленок герма- d t.
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Исследование процесса распада упругонапряженной пленки германия на поверхности кремния Исследование характерных размеров на пленках тол- 3. Обсуждение щиной 10 ML от начальной стадии образования ступеней Наблюдение начальной стадии развития неровностей при Ts = 200C до роста островков при Ts = 350, на поверхности кремния, покрытого упругонапряженной и 650C показало их экспоненциальную зависимость от пленкой германия, позволило установить:
температуры предположительно по закону d D1/2, s 1) на начальном этапе самоорганизации (кластегде Ds Ч коэффициент поверхностной диффузии. При ризации) пленки германия при низкой температуре фиксированных времени формирования и эффективной Ts < 350C наблюдается развитие ступенеподобной толщине пленки германия активный процесс формироструктуры с характерными размерами h 2нм и вания островковой структуры наблюдается при темпераd (6.5-14) нм;
турах эпитаксии, превышающих 350C, причем размеры, 2) средняя скорость роста ступеней составляет форма и плотность островков существенно зависят от v 10-8 см/с и более чем в 102 раз превышает используемой температуры эпитаксии и возможных рескорость развития естественной шероховатости при той жимов постростового отжига [9].
же относительной температуре (T 0.2Tm) [10];
3) период следования ступеней зависит от толщины пленки и соответственно времени формирования пленки 2.2. АСМ наблюдения как d h, d t.
По соотношениям (1) и (2) оценим величины АСМ наблюдения проводились в контактной моде и кантилевером с кремниевым зондом, имеющим радиус 2. При расчете 1 взяты следующие значения:
острия менее 10 нм. Характерные площади сканирова- = 0.3, E = 7 1011 дин/см2, = 103 дин/см [11] и a = 2.5 10-8 см; получено 1 = 10-21 дин см2. Во ния Ч от 1 1мкм до 7 7мкм.
втором случае, приняв h = 1нм, = 109 дин/см2 [12] При исследовании поверхности пленок с эффективи M = 1012 дин/см2 [11], получаем 2 = 10-8 дин.
ными толщинами 5 и 10 ML (Ts = 200C) наличие Теперь можно оценить основной параметр теории [6]:
структурных неровностей отмечено не было. На пленL0 = (1/2)1/2 = 3 10-7 см. Среднее расстоках с deff = 15 ML были обнаружены волнообразные яние между ступенями вицинальной грани (001)Ge протяженные неровности (рис. 3), свидетельствующие о Lav = 1.510-6 см. Таким образом, получаем Lav/L0 > 1, начале процесса формирования локализованных островчто соответствует условию активного развития эшелонов ков. По-видимому, ступенчатая структура, показанная на ступеней [7].
рис. 2, покрывает волнообразные неровности, предстаОсновным моментом проведенных оценок и их соотвленные на рис. 3. С другой стороны, наблюдаемая ветствия экспериментальным результатам является возструктура может быть названа ФямочнойФ за наличие можность рассчитать силу, вызывающую направленный характерных углублений диаметром около 450 нм и дрейф адатомов германия. Знание этой силы позволяет глубиной 40. Подобные ФямкиФ, но уже существенно оценить минимально достижимые размеры островков в меньших размеров (десятки ангстрем в диаметре), были рассматриваемой системе.
отмечены и при СТМ наблюдениях.
Прежде всего отметим, что наиболее точно силу, действующую на адатом при направленном массопереносе, вызывающем образование ступеней, можно получить из опытов по электропереносу. В случае переходных металлов F = 10-12 дин [8], у полупроводников, например кремния, F = 5 10-11 дин [13]. Одновременное наблюдение развития естественной шероховатости и образования структуры под действием электрических сил позволило установить, что сила, вызванная градиентом химического потенциала, приводящая к развитию естественной шероховатости, сравнима с силой электропереноса [10], т. е. в случае полупроводников ее можно оценить как F 10-11 дин. Процесс самоорганизации упругонапряженных пленок протекает значительно активнее, чем в рассмотренных случаях. Учитывая, что при T = const скорость массопереноса пропорциональна действующей силе, то в рассматриваемом случае образование ступеней со скоростью v 10-8 см/с при T = 200C возможно при F > 10-9 дин. Расчет по Рис. 3. АСМ 3D-изображение топографии поверхности.
соотношению (2) дает F2 = 2 ln L = 2 10-8 дин для Температура эпитаксии 200C, эффективная толщина пленки германия 15 ML. Площадь сканирования 5 7мкм. L = 20 (размер периода ступеней по отношению к межатомному расстоянию).
7 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 610 И.В. Закурдаев, М.В. Байзер, С.Ю. Садофьев, М.М. Рзаев тивоположном случае действие внешней силы и силы, вызванной лапласовским давлением, складываются, что приводит к нивелированию (разглаживанию) поверхности. Развитие на поверхности пленки германия на начальной стадии образования островков ступенчатой структуры приводит к усилению структурной анизотропии (диффузия атомов преобладает вдоль фронта ступеней, т. е. по направлению [110]). Именно с этим фактором можно связать наблюдаемое авторами [14] образование протяженных Ge1-xSix волнообразных островков на поверхности Si(100). Подтверждение определяющей роли анизотропии коэффициента поверхностной диффузии в процессах самоорганизации мы видим и в опытах развития структуры на поверхности чистого кристалла (например, молибдена) при одновременном воздействии двух сил, вызывающих электроперенос и термоперенос атомов. На рис. 4 показаны виды структур на поверхности вицинальной грани Mo(112), от клоненной на 3 к направлению [110] в зависимости от направления действия сил. При противоположном действии сил в зоне, где следовало ожидать равнодействия сил, наблюдается распад ступеней на отдельные островки (рис. 4, b). Подобное возможно, на наш взгляд, когда заметно проявление структурной анизотропии, обеспечивающей движение атомов под большими углами к направлению действия сил [5]. Во всяком случае здесь нет оснований включать в рассмотрение упругие силы, и наблюдаемое изменение поверхностной структуры связано только с особенностями анизотропии поверхностной диффузии в поле внешРис. 4. Оптическое изображение топографии поверхности них сил.
вицинальной грани (112)Mo после отжига постоянным тоВернемся к соотношению (3) и оценим величину d ком j = 5 103 А / см2 в поле градиента температуры T = 2000 град/см в течение 150 ч при T = 2100 K: a Ч минимально достижимого размера островков германия действие сил, вызывающих электроперенос и термоперенос с учетом диффузионной кинетики. Беря минимальное атомов, совпадает; b Ч противоположно.
значение Ds/(Ds/) 1, = 10-23 см3 и силу F = 10-8 дин, получаем d 60 нм, что соответствует экспериментально наблюдаемым результатам [9,14,15].
Исходя из общих соотношений термодинамически не- Из формулы (3) видно, что уменьшение размера островобратимых процессов в работах [5,8] получены одина- ка возможно за счет увеличения силы F или подбора ковые соотношения для оценки периода самоорганизую- кристаллографической ориентации подложки (уменьшещихся неровностей:
ние коэффициента поверхностной диффузии атомов при увеличении ее анизотропии). Качественно влияние обоих 1/факторов наблюдали авторы [14].
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам