Морфологические свойства нано- и микроструктур, сформированных на подложках кристаллического и пористого кремния

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников

морфологические свойства нано- и микроструктур, сформированных на подложках кристаллического и пористого кремния

Горлачев Егор Сергеевич

Ульяновск - 2008

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники в ГОУ ВПО Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова.

Защита состоится « 28 » марта 2008 г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.01 при Ульяновском государственном университете по адресу: ул. Набережной р. Свияга, 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом - на сайте университета www.uni.ulsu.ru.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу:

432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, УлГУ, управление научных исследований.

Автореферат разослан « » февраля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. физ.-мат. наук, доцент Сабитов О.Ю.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. В современной технологии полупроводников крайне важным вопросом является изучение физических процессов, имеющих место в тонких пленках и гетероэпитаксиальных структурах в ходе процессов формирования и обработки. Напряжения и деформации в гетероструктурах являются актуальной темой исследований в последние годы. Релаксация напряжений способна привести к микро- и наноструктурированию пленок, что позволяет целенаправленно формировать микро- и наноструктуры с заданными свойствами, представляющими фундаментальный интерес и широкие перспективы практического использования. кристаллический напряжение свинец пористый

Одной из главных проблем современной полупроводниковой технологии является создание высококачественных гетероэпитаксиальных систем на кремниевых основаниях, что позволяет совместить рабочие элементы и блок обработки информации в рамках одного кристалла. Как правило, материалы, выращиваемые на кремниевой подложке, имеют рассогласование постоянных решеток и температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР). Это приводит к появлению значительных механических напряжений в пленках и как следствие возникновению ряда структурных дефектов, таких как дислокации, которые серьезно сказываются на качестве работы полупроводниковых приборов. Напряжения в гетероструктуре могут быть релаксированы посредством деформации податливого пористого буферного слоя [1 и др.]. С другой стороны, пористые слои могут сами выступать в качестве активных элементов полупроводниковых приборов, в связи с чем актуальными становятся вопросы роста и изучения физических свойств пленок полупроводников, металлов и других материалов на пористых основаниях. Наибольший интерес с данной точки зрения представляет пористый кремний (ПК), совместимый с традиционной Si-технологией. Высокая упругость ПК наряду с сохранением монокристаллической структуры кремния при невысокой пористости позволяет использовать ПК в качестве буферных слоев для эпитаксии.

Актуальной задачей является исследование свойств гетероэпитаксиальных структур, содержащих пленки полупроводниковых материалов А⁴В⁶, активно применяемых при производстве оптоэлектронных устройств ИК-диапазона [2]. Полупроводники А⁴В⁶ представляют особый интерес при получении структур пониженной размерности. Использование материалов А⁴В⁶, в частности халькогенидов свинца PbTe, PbSe, PbS, позволяет осуществить переход к размерному квантованию при характерных размерах элементов 25-50 нм (для сравнения, для Si боровский радиус экситона ~5 нм) [3]. Аномально высокая величина диэлектрической проницаемости (~10³) халькогенидов свинца приводит к высокой степени локализации электронов и отсутствию флуктуаций потенциала в наноструктурах [4]. Квантовые точки (КТ) А⁴В⁶ актуальны для фундаментальных и прикладных исследований, поскольку позволяют наблюдать размерные эффекты в относительно протяженных наноструктурах и использовать их в системах оптической связи. Важной задачей, решение которой позволит производить нано- и оптоэлектронные устройства в рамках традиционной технологии, является создание массивов КТ А⁴В⁶ на кремниевых подложках.

Таким образом, исследование морфологических особенностей пленок на пористых подложках, изучение релаксационных процессов при внешних воздействиях в гетеросистемах с буферными слоями ПК, разработка методов формирования наноструктур А⁴В⁶ на кремниевых подложках являются актуальными проблемами, решение которых позволит создавать электронные и оптоэлектронные устройства с высокими техническими характеристиками.

Цель работы - исследование морфологии поверхности полупроводниковых пленок А⁴В⁶, халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) и алюминиевой металлизации на пористых и монокристаллических кремниевых подложках, изучение физических особенностей процессов поверхностной модификации пленок при плазменной обработке и термическом отжиге.

Для достижения данной цели были решены следующие задачи:

Исследована морфология поверхности эпитаксиальных пленок А⁴В⁶ различного состава на кристаллических и пористых кремниевых подложках, изучены характер и физические основы изменения морфологии пленок А⁴В⁶ при сухом травлении в аргоновой плазме.

Разработаны режимы формирования полупроводниковых наноструктур А⁴В⁶ методами сухого травления.

Исследована морфология пленок Al и ХСП на пористых и кристаллических подложках. Изучены особенности релаксации напряжений в исследуемых структурах и происходящие процессы модификации поверхности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

Впервые обнаружена роль пронизывающих дислокаций и террас на поверхности структур А⁴В⁶/CaF₂/Si(111) в формировании микрорельефа поверхности в ходе плазменной обработки.

Впервые показана возможность формирования наноструктур полупроводников А⁴В⁶ по технологии “top-down” путем плазменной обработки.

Впервые показано, что при высокотемпературном отжиге имеет место явление порообразования в алюминиевой металлизации на пористом кремнии.

Практическая ценность диссертационной работы:

Систематизированы экспериментальные данные о структуре пленок А⁴В⁶ на сплошных и пористых подложках, что может быть использовано при формировании гетероэпитаксиальных структур, меза-элементов и полупроводниковых устройств на их основе.

Изучены особенности морфологии, имеющие место в пленках Al и ХСП на макропористом кремнии, что позволяет выработать приемы по устранению нежелательного эффекта порообразования в таких пленках и уменьшению высот хиллоков.

Установлены закономерности плазменного травления пленок А⁴В⁶ в аргоновой плазме, определены технические параметры распыления.

Впервые получена экспериментальная методика формирования наноструктур А⁴В⁶ путем обработки пленок А⁴В⁶ на подложках CaF₂/Si(111) в аргоновой плазме.

Проведенные исследования позволяют вынести на защиту следующие положения:

Алюминиевая металлизация толщиной 1 мкм на макропористом кремнии является сплошной за счет формирования мостиков над порами. Высокотемпературный отжиг 550°С в инертной среде в течение 10-60 минут приводит к разрушению мостиков и порообразованию в алюминиевых пленках.

Травление в плотной индукционной аргоновой плазме низкого давления поликристаллических пленок А⁴В⁶, полученных на подложках пористого кремния, является однородным.

При обработке пленок А⁴В⁶/CaF₂/Si(111) и А⁴В⁶/BaF₂(111) в аргоновой плазме при реализации эффекта микромаскирования пронизывающие дислокации являются местом локализации микровыступов на поверхности.

Углы нанотеррас на поверхности пленок А⁴В⁶/CaF₂/Si(111) при травлении в аргоновой плазме приводят к появлению ансамбля нановыступов, что позволяет формировать наноструктуры А⁴В⁶ с фиксированными геометрическими параметрами.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 7-й, 8-й, 9-й международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2005, 2006, 2007); международной конференции «Микро- и наноэлектроника - 2007 (ICMNE-2007)» (Звенигород, 2007); научно-практической межрегиональной конференции «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника» (Ярославль, 2007); 18-й международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2007)» (Звенигород, 2007); международной научно-технической конференции «Молодые Ученые - 2006» (Москва, 2006); 45-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006); Харьковской нанотехнологической Ассамблее-2006 (Харьков, 2006); 5-й международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2006); 5-й международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2006); международной научной конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2006); международной научной конференции «Пленки-2005» (Москва, 2005); 7-й, 8-й, 9-й научных молодежных школах по твердотельной электронике «Нанотехнологии и нанодиагностика» (Санкт-Петербург, 2004, 2005); 6-й, 7-й всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2004, 2005) и др.

Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением высокоточных современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, сравнением полученых научных результатов с литературными данными, согласием предложенных моделей с результатами экспериментальных исследований.

Личное участие автора. В диссертации изложены результаты, полученные как лично автором под научным руководством проф. Зимина С.П., так и в сотрудничестве с Герке М.Н. (АСМ-исследования), Амировым И.И. (плазменная обработка). Подготовка эксперимента, обработка и интерпретация всех полученных экспериментальных данных, построение зависимостей и физических моделей, ряд АСМ-исследований проводились соискателем самостоятельно. Научным руководителем проф. Зиминым С.П. была оказана помощь в планировании эксперимента и построении физических моделей. Ряд гетероэпитаксиальных структур предоставил Цогг Х. (ETH, Цюрих).

Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 28 работ, из них 5 - статьи в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 121 страницу текста, включая 43 рисунка, 6 таблиц. Список литературы включает 128 наименований.

2. Краткое содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель работы, кратко излагаются основные решаемые задачи и полученные результаты, включая научную и практическую значимость работы, выдвигаются основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор научных данных по теме исследований. Проведен анализ публикаций, посвященных формированию пленок различных материалов на пористых основаниях, основным методикам микро- и наноструктурирования поверхности, свойствам структур с пониженной размерностью, физическим свойствам и применению полупроводников А⁴В⁶. Представленный обзор научных публикаций позволяет говорить о том, что пористый кремний может выступать в качестве универсального буферного слоя при гетероэпитаксии, позволяющего получать пленки со сниженными механическими напряжениями и в том числе полностью бездефектные. Однако требуют продолжения исследования структурных особенностей пленок А⁴В⁶ на ПК, являющихся перспективными с точки зрения интеграции ИК-оптоэлектронных устройств в традиционную кремниевую технологию. В научной литературе практически отсутствует информация о структурных свойствах металлических и аморфных пленок на подложках ПК, об исследовании морфологии пленок на макропористых основаниях.

На момент выполнения дисертационной работы подробно исследованы процессы роста и характеристики квантовых точек А⁴В⁶, формируемых на различных подложках методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и коллоидной химии (технологии “bottom-up”). Однако не разработаны методики формирования наноструктур полупроводников А⁴В⁶ в рамках “top-down” технологии, при том, что ионно-плазменная обработка является одним из ключевых процессов при производстве интегральных полупроводниковых устройств и представляется наиболее эффективным и экономичным методом модификации и наноструктурирования поверхности.

Рисунок 1

Вторая глава посвящена описанию технологических процессов получения экспериментальных образцов, методик их исследования. Сводная характеристика исследуемых структур и процессов их обработки приведена на рис. 1. Слои ПК толщиной 5-50 мкм с пористостью 5-28% получены анодированием при использовании метода жидкостного контакта Унно-Имаи в электролитах на основе HF при плотности тока анодирования 5-10 мА/см². В главе описываются технологические режимы получения эпитаксиальных пленок А⁴В⁶ на подложках монокристаллического и пористого кремния, на кристаллах фторида бария методами МЛЭ и вакуумного осаждения. Приведены условия формирования алюминиевой металлизации и слоев As₂Se₃ на подложках ПК с различной величиной пористости.

Обработка поверхности пленок А⁴В⁶ в аргоновой плотной плазме высокочастотного индукционного разряда (ВЧИ-плазме) низкого давления проводилась при давлении аргона 0,07-1,2 Па. Плазма зажигалась с помощью ВЧ-генератора (800 Вт, 13,56 МГц), мощность ВЧ-смещения составляла 300-500 Вт. Исследование морфологии поверхности осуществлялось с использованием методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) на АСМ SMENA и NTEGRA PRIMA (NT-MDT), Omicron UHF AFM/STM. Дополнительные исследования и контроль поверхности проводились на электронном микроскопе JEOL JSM-5400 и оптическом микроскопе ELSAM. Толщина распыленных слоев определялась с помощью профилометра TALYSTEP, исследование элементного состава поверхности проводилось с помощью методов вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС) на установке CAMECA IMS-4f, исследование кристаллической структуры проводилось на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.

В третьей главе описаны результаты исследований поверхностной морфологии и структуры пленок различных материалов на монокристаллических и пористых подложках. Пленки А⁴В⁶ (PbTe, PbSe) толщиной 0,5-3 мкм формировались на ПК с пористостью 5-28% методом вакуумного осаждения при температурах подложки 70-350°С. На основании проведенных исследований было установлено, что пленки А⁴В⁶ на буферных слоях пористого кремния являются сплошными, однородными, какие-либо особенности, связанные с порами подложки, отсутствуют. Установлено, что в зависимости от условий выращивания пленки могут быть блочными (100)-текстурированными или поликристаллическими с размерами кристаллитов 150-1500 мкм.

Эпитаксиальные пленки А⁴В⁶ (PbTe; PbSe; Pb_1?xEu_xSe, x=0,05-0,16) толщиной 1,5-5 мкм выращивались методом МЛЭ (ЕТН, Цюрих) на подложках CaF₂/Si(111) при температуре подложки 400-420°С при скорости роста ~1 мкм/час. Буферные слои CaF₂ имели толщину 2-4 нм и применялись для решения проблемы большого рассогласования постоянных решеток халькогенидов свинца и кремния [5]. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что на поверхности пленок присутствуют ямки выхода дислокаций с латеральными размерами 250-300 нм (плотность лежит в интервале 2•10⁷-4•10⁸ см^?2) и характерные террасы высотой 1,5-2 нм (плотность выступающих вершин треугольных ступеней составляет ~10⁹ см^?2). Типичное АСМ-изображение поверхности на примере эпитаксиальной пленки PbTe/CaF₂/Si(111) показано на рис. 2. Наблюдаемая морфология поверхности соответствует модели Цогга, описанной в [5]. Образование террас на поверхности обусловлено процессами пластической релаксации механических напряжений в эпислоях А⁴В⁶(111), вызванных значительным несоответствием ТКЛР материалов пленки и подложки, происходящей путем скольжения дислокаций вдоль направлений <011>.

Для тонких пленок А⁴В⁶ толщиной 200-300 нм, выращенных на CaF₂/Si(111), впервые наряду со ступенями террас на поверхности наблюдались изогнутые ступени высотой до 50 нм, локализующиеся на местах выхода одной или нескольких дислокаций и являющиеся следствием особенностей спирального роста пленки в области дислокаций. В качестве тестовых структур в работе применялись также системы PbTe/BaF₂(111), полученные методом МЛЭ (НПО «Орион», Москва). В результате близких ТКЛР пленки и подложки особенностью их поверхности являлось отсутствие нанотеррас треугольной формы.

Формирование алюминиевой металлизации на буферном слое макропористого кремния с пористостью 6-8% и латеральными размерами пор на поверхности 0,5-2,5 мкм проводилось методом термовакуумного напыления. Было показано, что пленка Al толщиной 1 мкм является поликристаллической, сплошной и не имеет сквозных пор. Экспериментально было установлено, что на поверхности Al на макропористом ПК наблюдались ровные участки и участки с углублениями. Число этих углублений соответствовало числу выходов макропор на исходной поверхности ПК. Глубина ямок достигала 140 нм, а латеральные размеры в верхней части - до 2 мкм. Появление таких углублений объясняется тем, что сплошная пленка металла мостиком нависает над макропорами. При этом в области ямок происходила локализация выступов (хиллоков) высотой 400-600 нм (рис. 3), характерных для Al пленок на кремнии [6].

Для определения влияния термических напряжений на морфологию металлизации был проведен стандартный отжиг при температуре 550°С в атмосфере азота в течение 10-60 мин. Было обнаружено явление порообразования в Al пленках после отжига, сопровождающееся увеличением размеров хиллоков. На рис. 4, a, б представлены топографическое АСМ-изображение участка поверхности пленки и профилограмма типичного крупного хиллока. Высота данного хиллока составляет около 1 мкм, ширина у основания 2,2 мкм. Из профилограммы видно, что глубина образующейся в результате разрушения Al мостика поры равна 1,6 мкм, что на 0,6 мкм превышает толщину пленки Al и, следовательно, пора продолжается в ПК. Электронно-микроскопические исследования подтвердили наличие пор в алюминии и показали, что плотность комплексов «хиллок-пора» на различных участках Al пленки варьируется в пределах (3-10)·10⁵ см^?2, соответствуя плотности пор на поверхности ПК. Построена физическая модель порообразования в пленках Al на макропористом кремнии при высокотемпературном отжиге. Согласно этой модели, роль участка Al пленки, слабо связанного с подложкой и являющегося местом зарождения хиллока, выполняют области над порами. В ходе отжига максимальные механические сжимающие напряжения возникают в пленке металла над границами пор ПК, что способствует процессу диффузии металла в область хиллоков и разрыву мостиков.

Для подтверждения модели зарождения крупных хиллоков рядом с порами в качестве модельного объекта были выбраны пленки ХСП, широко применяемые в ИК-оптоэлектронике. Использовались пленки As₂Se₃ толщиной 0,4-0,6 мкм на мезопористом ПК с аморфной макропористой пленкой. В пленках присутствовали поры, на периферии которых наблюдалось формирование крупных выступов. Появление последних объясняется релаксацией механических напряжений в ходе остывания структур до комнатной температуры и диффузией материала из области поры по аналогии с пленками Al, характеризующихся близкой с ХСП величиной ТКЛР. Полученные результаты позволили объяснить ранее наблюдаемые для пленок ХСП на ПК аномально низкие величины удельного сопротивления в перпендикулярном плоскости пленки направлении [7]. Причиной может быть снижение эффективной толщины пленки ХСП и появление токов утечки по стенкам пор.

Четвертая глава содержит данные по модификации поверхности пленок А⁴В⁶ на пористых и кристаллических подложках при обработке в ВЧИ-плазме. Обработка проводилась в ВЧИ-реакторе в плазме аргона при мощности ВЧ-смещения на алюминиевом электроде-подложкодержателе 300-500 Вт, длительность обработки составляла 30 сек.

Обнаружено, что поликристаллические пленки А⁴В⁶/ПК в ходе плазменной обработки распыляются однородно, какой-либо модификации поверхности не происходит. При ВЧ-смещении 400 Вт скорость распыления достигала 50 нм/сек, при отсутствии ВЧ-смещения скорость составляла 2-3 нм/сек.

Рис. 5. Типичное трехмерное АСМ-изображение поверхности пленки PbTe на подложке CaF₂/Si(111) после обработки в аргоновой плазме (исходное состояние поверхности показано на рис. 2)

Принципиально иная картина наблюдалась при плазменной обработке эпитаксиальных пленок А⁴В⁶ на подложках CaF₂/Si(111). Установлено, что происходило селективное распыление поверхности пленок, приводящее к значительной модификации рельефа. Типичное трехмерное АСМ-изображение поверхности модельной структуры PbTe на Si после плазменной обработки приведено на рис. 5. Обнаружено, что на поверхности формируются крупные выступы субмикронных размеров (микровыступы). Высота последних соответствует толщине распыленного слоя (350-450 нм на рис. 5). В верхней части всех микровыступов (рис. 6) присутствовали ямки треугольной формы с латеральными размерами, соответствующими размерам ямок выхода дислокаций на исходной поверхности. Микровыступы были расположены на фоне однородного нанорельефа мелких выступов (нановыступов) на поверхности PbTe/CaF₂/Si(111). Высота наноструктур PbTe составляла 15-55 нм, полуширина выступов находилась в интервале 40-85 нм, их плотность равнялась (2-3)•10⁹ см^?2. С целью анализа механизмов формирования наблюдаемых структур было проведено сравнение величин плотностей микро- и нановыступов с параметрами структурных особенностей. Данные для пленок PbTe/CaF₂/Si(111) приведены в табл. 1. Строгое соответствие плотности дислокаций в исходных пленках и микровыступов после травления, одинаковый наклон выступов и присутствие на их вершинах ямок выхода дислокаций позволяют утверждать, что крупные выступы локализуются на местах выхода пронизывающих дислокаций эпислоя.

Табл. 1. Параметры пленок PbTe

Для пленок PbTe на подложках BaF₂(111) экспериментально было обнаружено, что после плазменной обработки на поверхности присутствуют только крупные выступы, что связано с отсутствием террасированной морфологии исходной поверхности и однородным распылением областей пленки между дислокациями. АСМ-изображение поверхности обработанных в плазме эпислоев PbTe/BaF₂(111) приведено на рис. 7.

Предложена физическая модель роли пронизывающих дислокаций и нанотеррас на поверхности в процессе формирования микро- и нановыступов в ходе распыления приповерхностной области пленок, что схематично показано на рис. 8. Согласно данной модели, основной причиной формирования крупных выступов является эффект микромаскирования выходов пронизывающих дислокаций, который препятствует распылению вершин выступов. Образование системы нановыступов происходит на углах треугольных террас на поверхности исходных пленок за счет неоднородности травления.

Установлено, что при увеличении энергии ионов E_ион, прямо пропорциональной мощности смещения W_см, происходило более активное распыление эпитаксиальных слоев, что приводило к увеличению высот микровыступов и, в то же время, к значительному снижению их плотности при превышении критического значения энергии, являющейся характеристикой материала. Скорость распыления V_расп пленок халькогенидов свинца в аргоновой плазме равнялась 2-15 нм/сек и зависела от мощности ВЧ-смещения:

V_расп=a•W_см+V₀=b•(E_ион?E_пор), (1)

где a, b - постоянные материала, V₀ - скорость распыления пленки при нулевом ВЧ-смещении (~2 нм/сек), при котором энергия падающих ионов определяется потенциалом самосмещения плазмы и составляет 10-15 эВ, E_пор - пороговая энергия распыления материала ионами аргона. Показано, что увеличение времени процесса сопровождалось ростом высот микровыступов и увеличением их полуширины. Была обнаружена линейная зависимость высоты выступов h от времени обработки t:

h=V_расп•t. (2)

Установлено, что скорость распыления эпитаксиальных слоев толщиной 1,9-5 мкм не зависит от длительности процесса при толщине распыленного слоя до 1 мкм. Для тонких пленок скорость распыления значительно возрастает за счет тепловых эффектов.

Из сравнения профилограмм микровыступов для длительностей обработки 30-90 сек был обнаружен эффект уширения выступов в латеральном направлении с течением времени. Наблюдаемое увеличение ширины выступов в ходе обработки происходит за счет переосаждения распыленного материала пленки.

В соответствии с моделью микромаскирования, область выхода дислокаций на поверхность маскируется слабораспыляемыми частицами, что приводит к локализации маски и формированию выступов на пронизывающих дислокациях в ходе распыления. В случае присутствия на исходной поверхности ямки выхода дислокации, эта ямка маскируется и остается на вершине формирующегося микровыступа (рис. 6). При отсутствии на исследуемых пленочных структурах ямок выхода дислокаций на поверхность, маскирование сопровождается образованием бугорков на вершинах микровыступов (рис. 7). При достижении ионами плазмы определенной пороговой энергии возможно повреждение областей маски и снижение плотности микровыступов.

Для определения материалов, играющих роль в процессах микромаскирования, было проведено сравнительное ВИМС-исследование пленок А⁴В⁶, обработанных на алюминиевом и кремниевом подложкодержателях. Было обнаружено, что в случае пленок, обработанных на алюминиевом электроде и характеризующихся присутствием микровыступов, концентрации Al и F в приповерхностной области в среднем на порядок выше, чем для пленок, обработанных на кремниевом подложкодержателе и не обладающих микроструктурированным рельефом. Алюминий может присутствовать на поверхности пленок за счет распыления электрода, тогда как присутствие следовых концентраций фтора может быть обусловлено распылением полимерных соединений со стенок реактора или открытых участков подложек CaF₂, BaF₂. В случае кремниевого электрода снижение влияния F обусловлено его поглощением пластиной Si [8]. С целью определения роли соединений фтора в процессе микромаскирования дислокаций пленок А⁴В⁶ были проведены эксперименты по обработке образцов во фторсодержащей плазме (смесь газов Ar/SF₆). Обработка проводилась при размещении образцов на кремниевом держателе, чтобы исключить присутствие соединений алюминия. В результате наблюдалось формирование микровыступов на поверхности, что позволяет говорить о том, что именно присутствие фтора определяет данный процесс.

Для определения электрических параметров фазы, дающей вклад в образование микромасок, методами контактной АСМ с использованием кантилеверов с проводящим покрытием были проведены измерения карты тока по поверхности обработанных в плазме пленок А⁴В⁶/CaF₂/Si(111). Было обнаружено, что в области вершин микровыступов, соответствующих ямкам выхода дислокаций на исходной поверхности, присутствуют участки с высокой проводимостью. В рамках исследуемой системы высокопроводящей фазе может соответствовать либо алюминий, внесенный в данную область в процессе плазменной обработки за счет распыления электрода, либо свинец, аккумулированный в области дислокаций в атмосферах Коттрела [9]. Причиной формирования масок в области дислокаций при этом может быть, соответственно, присутствие встроенного заряда, локализующего частицы Al⁺, или избыточного Pb, вступающего в реакцию со фтором. В первом случае микромаскирование может осуществляться нелетучими соединениями AlF_x, во втором - PbF_x. Не исключается, что при наличиии обоих материалов может иметь место образование более сложных тройных соединений. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что формирование микровыступов в ходе плазменной обработки пленок A⁴B⁶/CaF₂/Si(111) имеет место при условии микромаскирования дислокаций Al- и F-содержащими нелетучими соединениями.

В пятой главе диссертационной работы представлен способ создания массива полупроводниковых наноструктур на поверхности эпитаксиальных пленок А⁴В⁶ на подложках CaF₂/Si(111) при обработке в аргоновой ВЧИ-плазме. Для решения этой задачи потребовалось подавить возникновение крупных выступов, для чего нужно исключить появление эффекта микромаскирования и значительно уменьшить скорость распыления при достаточных для стабилизации процессов временах обработки. Была применена обработка в ВЧИ-плазме при отсутствии ВЧ-смещения на электроде, при этом энергия ионов Ar⁺ и скорость распыления материалов А⁴В⁶ были минимальны и составляли 10-15 эВ и ~2-3 нм/сек, соответственно.

Важно, что при этом были сведены к минимуму радиационные повреждения материала и удален минимальный приповерхностный слой. Проводилась обработка модельных гетероэпитаксиальных структур PbSe/CaF₂/Si(111), длительность обработки составляла 2-5 мин. На поверхности пленок происходило формирование массивов однородных нановыступов. Для обработки в течение 2 мин средняя плотность выступов составила (7-8)•10⁹ см^?2, средняя высота - 20-25 нм, полуширина на полувысоте - 40 нм, латеральные размеры у основания - 100 нм (рис. 9). Минимальное среднее квадратичное отклонение по высоте составило 45%. Увеличение продолжительности обработки приводило к увеличению толщины распыленного слоя и соответственно увеличению высот наноструктур до 60-80 нм наряду с возрастанием разброса по высоте. Плотность нановыступов оставалась прежней и соответствовала плотности выступов террас на исходной поверхности, являясь характеристикой эпитаксиальной структуры. Обнаружено, что форма нановыступов и их расположение следует форме треугольных террас на исходной поверхности.

В заключении приводятся основные выводы по данной диссертационной работе и общий анализ полученных результатов.

Основные результаты работы

1. В ходе диссертационной работы были изучены морфологические особенности пленок А⁴В⁶ на подложках кристаллического и пористого кремния, Al металлизации и пленок As₂Se₃ на ПК. Установлено, что алюминиевая металлизация толщиной 1 мкм на макропористом кремнии является сплошной за счет формирования мостиков над порами. Впервые было обнаружено, что после высокотемпературного отжига 550°С в результате процессов релаксации напряжений происходит порообразование в Al пленках за счет разрыва участков пленки, первоначально нависавших мостиками над макропорами ПК. Вместе с тем происходит диффузия металла из области мостиков в область хиллоков, что приводит к увеличению геометрических размеров последних. Показано, что пленки ХСП на подложках ПК характеризуются присутствием крупных выступов в области пор, появление которых объясняется релаксацией механических напряжений и диффузией материала из области поры на поверхность.

2. Результаты исследований показали, что пленки А⁴В⁶ толщиной 0,5-5 мкм на подложках пористого кремния, в том числе и макропористого, являются поликристаллическими, сплошными, без углублений или пор. Распыление пленок А⁴В⁶/ПК/Si в аргоновой плазме имеет однородный характер, модификация поверхности отсутствует, что может быть использовано для формирования ненапряженных мезаструктур А⁴В⁶ на кремнии с буферными пористыми слоями.

3. В ходе выполнения диссертационной работы были предложены режимы обработки гетероэпитаксиальных структур А⁴В⁶/CaF₂/Si(111) и А⁴В⁶/BaF₂(111) в реакторе высокочастотной индукционной аргоновой плазмы, приводящие к формированию системы микро- и нановыступов. Предложена модель, согласно которой пронизывающие дислокации в пленках А⁴В⁶ являются местом локализации микровыступов при определенных условиях обработки в плазме, приводящих к эффекту микромаскирования. Анализ результатов показал, что микромаскирование может происходить нелетучими соединениями PbF_x и AlF_x.

4. В рамках диссертационной работы были определены технологические условия плазменной обработки, приводящие к подавлению формирования микро- или нановыступов. Установлено, что в ходе плазменной обработки пленок А⁴В⁶ на подложках CaF₂/Si(111) происходит формирование нановыступов за счет селективного распыления краев террас. Последнее явление позволило разработать технологический процесс формирования однородных массивов полупроводниковых наноструктур А⁴В⁶ с фиксированными геометрическими параметрами.

Список цитируемой литературы

1. Romanov S.I., Mashanov V.I., Sokolov L.V., Gutakovskii A., Pchelyakov O.P. GeSi films with reduced dislocation density grown by molecular-beam epitaxy on compliant substrates based on porous silicon // Appl. Phys. Lett. - 1999. - Vol. 75, No. 26. - P. 4118-4120.

2. Boberl M., Heiss W., Schwarzl T., Wiesauer K., Springholz G. Midinfrared continuous-wave photoluminescence of lead-salt structures up to temperatures of 190°C // Appl. Phys. Lett. - 2003. - Vol. 82, No. 23. - P. 4065-4067.

3. Wise F.W. Lead salt quantum dots: Тhe limit of strong quantum confinement // Acc. Chem. Res. - 2000. - Vol. 33. - P. 773-780.

4. Grabecki G. Quantum ballistic phenomena in nanostructures of paraelectric PbTe // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101, No. 8. - P. 081722-1-081722-6.

5. Zogg H., Maissen C., Blunier S., Teodoropol S., Overney R.M., Richmond T., Tomm J.W. Thermal-mismatch strain relaxation mechanisms in heteroepitaxial lead chalcogenide layers on Si substrates // Semicond. Sci. Technol. - 1993. - Vol. 8. - P. S337-S341.

6. D'Heurle F., Berenbaum L., Rosenberg R. On the structure of aluminum films // Trans. Met. Soc. AIME. - 1968. - Vol. 242. - P. 502-511.

7. Зимин С.П., Зимин Д.С., Приходько О.Ю, Рягузов А.П., Богоявленская Е.А. Особенности структуры и электрических свойств пленок As₂Se₃, выращенных на пористом кремнии // Сб. трудов 3-й междунар. конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». С.-Пб., 2002. - С. 188.

8. Pelletier J., Arnal Y., Durandet A. SF₆ plasma etching of silicon: evidence of sequential multilayer fluorine adsorption // Europhys. Lett. - 1987. - Vol. 4, No. 9. - P. 1049-1054.

9. Xu T.N., Wu H.Z., Si J.X., Cao C.F. Observation of triangle pits in PbSe grown by molecular beam epitaxy // Appl. Surf. Sci. - 2007. - Vol. 253, No. 12. - P. 5457-5461.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Zimin S.P., Gorlachev E.S., Amirov I.I., Gerke M.N., Zogg H., Zimin D. Role of threading dislocations during treatment of PbTe films in argon plasma // Semicond. Sci. Technol. - 2007. - Vol. 22, No. 8. - P. 929-932.

2. Zimin S.P., Bogoyavlenskaya E.A., Gorlachev E.S., Naumov V.V., Zimin D., Zogg H., Arnold M. Structural properties of Pb_1-xEu_xSe/CaF₂/Si(111) // Semicond. Sci. Technol. - 2007. - Vol. 22, No. 12 - P. 1317-1322.

3. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н. Свойства поверхности алюминиевого покрытия на макропористом кремнии // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исследования. - 2007. - № 10. - С. 44-46.

4. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н. Порообразование в алюминиевых пленках на макропористом кремнии при высокотемпературном отжиге // Письма ЖТФ. - 2008. - Т. 34, Вып. 4. - С. 16-23.

5. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н., Кутровская С.В., Амиров И.И. Морфология поверхности эпитаксиальных пленок Pb_1-xEu_xSe после плазменной обработки // Изв. вузов. Физика. - 2007. - Т. 50, № 11. - С. 90-93.

6. Амиров И.И., Горлачев Е.С., Зимин С.П., Герке М.Н. Распыление эпитаксиальных пленок PbTe, PbSe, Pb_1-xEu_xSe в плотной аргоновой плазме // Труды 18-й международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2007)», Т. 3. - Звенигород, 2007. - С. 180-183.

7. Zimin S.P., Gorlachev E.S., Amirov I.I. Formation of IV-VI semiconductor nanohillocks using Ar inductively coupled plasma // Proc. Int. Conf. “Micro- and nanoelectronics - 2007”. - Zvenigorod, 2007. - P2-36.

8. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Амиров И.И. Формирование массива нановыступов на поверхности полупроводников А⁴В⁶ методом плазменного распыления // Труды 9-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УлГУ, 2007. - С. 128.

9. Зимин С.П., Горлачев Е.С, Кантинова Е.А., Герке М.Н. AFM-исследования алюминиевой металлизации на пористом кремнии // Труды 7-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УЛГУ, 2005. - С. 42.

10. Зимин С.П., Горлачев Е.С, Герке М.Н. Исследование алюминиевой металлизации на мезопористом кремнии методами атомно-силовой микроскопии // Материалы международной научной конференции «Пленки-2005», часть 1. - М.: МИРЭА, 2005. - С. 140-142.

11. Зимин С.П., Горлачев Е.С, Богоявленская Е.А., Бучин Э.Ю., Амиров И.И., Нестеров С.И., Герке М.Н., Zogg H., Zimin D. Модификация поверхности пленок теллурида свинца при обработке в аргоновой плазме // Сборник статей 4-й международной научной конференции «Материалы и технологии XXI века». - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2006. - С. 26-29.

12. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н., Приходько О.Ю., Рягузов А.П. Исследование структурных характеристик аморфных пленок As₂Se₃ на мезопористом кремнии методами атомно-силовой микроскопии // Сборник статей 5-й международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». - С.-Пб.: Изд-во Политехнического университета, 2006. - С. 169-170.

13. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Канагеева Ю.М., Савенко А.Ю., Лучинин В.В., Мошников В.А. Структурные и электрические характеристики пористого кремния со сложной морфологией // Сборник статей 5-й международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». - С.-Пб.: Изд-во Политехнического университета, 2006. - С. 226-227.

14. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н., Амиров И.И., Zogg H. AFM-исследования пленок Pb_1-xEu_xSe на кремнии после плазменного травления // Труды 8-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УЛГУ, 2006. - С. 86.

15. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н., Приходько О.Ю., Рягузов А.П. Атомно-силовая микроскопия поверхности пленок As₂Se₃ на подложках пористого кремния // Сборник трудов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи-2006, Т. 2 «Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике». - Харьков, 2006. - С. 395-398.

16. Зимин С.П., Горлачев Е.С., Герке М.Н., Кутровская С.В., Амиров И.И. Морфология поверхности эпитаксиальных пленок Pb_1-xEu_xSe после плазменной обработки // Сборник трудов 45-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности». - Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. - С. 89-90.

17. Горлачев Е.С., Кутровская С.В. Особенности нанорельефа поверхности обработанных в плазме пленок PbTe на подложках BaF₂ // Материалы международной научно-технической школы-конференции «Молодые Ученые - 2006», Т. 2. - М.: МИРЭА, 2006. - С. 45-47.

18. Горлачев Е.С., Кутровская С.В. Особенности микрорельефа эпитаксиальных пленок PbSe после обработки в аргоновой плазме // Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы физики», вып. 6. - Ярославль: ЯрГУ, 2007. - С. 72-77.

19. Зимин С.П., Горлачев Е.С. Влияние термообработки в инертной среде на электрические свойства пористого кремния с оксидной фазой // Труды 5-й международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». - Томск: Изд. ТПУ, 2006. - С. 126-129.

20. Зимин С.П., Богоявленская Е.А., Горлачев Е.С., Бучин Э.Ю., Амиров И.И. Модификация эпитаксиальных пленок А⁴В⁶ на кремнии при анодировании и плазменной обработке // Труды 3-й российского совещания «Кремний-2006». - Красноярск, 2006. - С. 44.

21. Горлачев Е.С. Атомно-силовая микроскопия нанорельефа пленок PbTe после плазменной обработки // Материалы 9-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Нанотехнологии и нанодиагностика». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. - С. 31.

22. Горлачев Е.С. Исследование топологии роста пленок алюминия на пористом кремнии с различной морфологией // Материалы 7-й всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. - С.-Пб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. - С. 23.

23. Горлачев Е.С. Электрические свойства высокоомного пористого кремния с оксидной фазой // Сб. науч. трудов молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы физики», вып. 5. - Ярославль: ЯрГУ, 2005. - С. 96-103.

24. Зимин С.П., Горлачев Е.С. Электропроводность высокоомного пористого кремния с оксидной фазой // Труды 7-й международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: УЛГУ, 2005. - С. 41.

25. Горлачев Е.С. Влияние кратковременного отжига 550 и 650°С на электрические свойства двусторонней макропористой структуры // Материалы 8-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Актуальные аспекты нанотехнологии». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. - С. 36.

26. Горлачев Е.С., Кантинова Е.А. Исследование особенностей роста пленок алюминия на пористом кремнии методами атомно-силовой микроскопии // Материалы 8-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Актуальные аспекты нанотехнологии». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. - С. 37.

27. Горлачев Е.С. Влияние кратковременного отжига на проводимость слоев высокопористого кремния с оксидной фазой // Материалы 7-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур». - С.-Пб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. - С. 35.

28. Горлачев Е.С. Изменение электропроводности высокопористого кремния с оксидной фазой после отжига 550 и 650°С // Материалы 6-й всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. - С.-Пб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. - С. 40.

Размещено на Allbest.ru