Способ формирования наноостровков германия на вицинальной поверхности кремния

 

Использование: в области наноэлектроники для создания на основе структур с наноостровками (квантовыми точками) германия на кремнии полупроводниковых приборов со сверхвысоким быстродействием, а также некоторых оптоэлектронных устройств. Сущность изобретения: способ формирования наноостровков германия на вицинальной поверхности кремния заключается в том, что отжиг вицинальной поверхности кремниевой подложки на стадии предэпитаксиальной подготовки и в процессе напыления германия производится пропусканием постоянного тока в направлении, перпендикулярном фронту ступеней вицинальной грани кремния. Техническим результатом изобретения является формирование высокоплотных высокоупорядоченных и совершенных по структуре массивов наноостровков германия на вицинальной поверхности кремния (III). 2 ил.

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано для создания на основе структур с наноостровками (квантовыми точками) германия на кремнии полупроводниковых приборов со сверхвысоким быстродействием, а также некоторых оптоэлектронных устройств.

Наиболее перспективный метод формирования структур с наноостровками одного полупроводникового материала в матрице другого (квантовыми точками) в настоящее время основан на использовании эффекта самоорганизации поверхности в гетероэпитаксиальных системах вследствие релаксации упругих напряжений, обусловленных несоответствием параметров кристаллических решеток пленки и подложки. При этом для системы кремний-германий самоформирующиеся наноостровки германия характеризуются относительно большими латеральными размерами, что не позволяет в полной мере проявляться эффектам размерного квантования в подобных структурах. Кроме того, локализация островков в плоскости гетероперехода носит случайный характер. Уменьшение размеров островков как правило достигается за счет использования низких температур подложки в процессе осаждения пленки германия, что ухудшает кристаллическое совершенство самоорганизующихся наноостровков и приводит к увеличению их неоднородности по размерам. Примеры использования эффекта постоянного тока для влияния на размеры и степень упорядочения наноостровков в системе кремний-германий нам неизвестны.

При формировании структур с наноостровками германия на кремнии обычно используется следующая последовательность технологических операций (см., например, Н.В. Востоков, С.А. Гусев, И.В. Долгов и др./ФТП, т.34, вып. 1, с. 8-12 (2000); О. П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский и др. // ФТП, т.34, вып.11, с.1281-1299 (2000)): 1) для создания атомарно-чистой поверхности подложка кремния очищается от слоя естественных окислов косвенным прогревом при температуре 800-900oС в слабом потоке атомов кремния в условиях сверхвысокого вакуума; 2) выращивается буферный слой кремния толщиной 20-200 нм; 3) далее подложка с помощью косвенного источника нагревается до некоторой температуры (обычно 200-700oС), при которой будет осаждаться пленка германия; 4) производится осаждение пленки германия эффективной толщиной от 3 до 15 моноатомных слоев (1 ML =0,14 нм) при скорости роста пленки 0,01-0,05 нм/с; 5) в ряде случаев производится дополнительный (послеростовой) отжиг кристаллов после окончания осаждения германия при температурах подложки 500-700oС в течение 3-30 мин.

Формирующиеся в результате самоорганизации поверхности наноостровки германия имеют следующие существенные недостатки: 1) при относительно высоких температурах подложки в процессе осаждения германия (500-700oС), самоформирующиеся островки характеризуются большими латеральными размерами (150-300 нм), существенно превышающими длину волны де-Бройля для этой системы, что не позволяет проявляться эффектам размерного квантования в данных структурах; 2) уменьшения размеров островков возможно достичь за счет использования низких температур подложки в процессе осаждения пленки германия (200-300oС). Однако при этом характер морфологии поверхности определяется кинетическими ограничениями, что ухудшает кристаллическое совершенство наноостровков и приводит к существенной неоднородности островков по размерам; 3) и в первом, и во втором случае локализация островков в плоскости границы раздела пленка-подложка носит случайный характер.

Задачей настоящего изобретения является формирование высокоплотных, высокоупорядоченных и совершенных по структуре массивов наноостровков германия на вицинальной поверхности кремния (111).

Поставленная задача достигается за счет того, что нагрев вицинальной поверхности кремниевой подложки производится пропусканием постоянного тока в направлении, перпендикулярном фронту ступеней вицинальной грани кремния.

На фиг. 1 представлено АСМ-изображение топографии структуры с наноостровками германия на поверхности кремния (111), сформированной следующим образом: кремниевая подложка марки КЭС - 0.01 (111), представляющая собой прямоугольную полоску размером 0,3415 мм, с двойной разориентацией от исходной плоскости, помещалась в вакуумную камеру. После достижения рабочего вакуума производилась очистка поверхности кремния от слоя естественных окислов и включений карбида кремния двухминутным отжигом кристалла прямым пропусканием постоянного тока в направлении нижних террас (фиг.2) при температуре 1250oС. При этом направление тока выбиралось таким образом, чтобы не происходило развитие системы эшелонов ступеней, а наоборот, неровности поверхности сглаживались. Далее направление тока менялось на противоположное, и осуществлялся 30-секундный отжиг кристалла при температуре 1220oС с целью формирования ступенчатой структуры подложки. Затем, за счет снижения плотности пропускаемого через образец постоянного тока (уменьшения напряженности электрического поля Е, приложенного к образцу), температура подложки понижалась до 500oС и производилось напыление пленки германия с эффективной толщиной, близкой к 6 ML (0,9 нм) при скорости роста 0,05 нм/с с дальнейшим послеростовым отжигом постоянным током в течение 10 минут. В результате на поверхности формировалась система высокоупорядоченных наноостровков германия, выстроенных строго вдоль фронта наноступеней подложки. Размеры основания островков не превышали 30 нм, плотность расположения островков близка к 11011 см-2.

Эффект упорядочения наноостровков имеет место вследствие того, что: 1) осаждение германия осуществляется на профилированную подложку, представляющую собой систему наноступеней, сформированных в результате отжига кристалла пропусканием постоянного тока в направлении, перпендикулярном фронту ступеней вицинальной грани кремния;
2) в качестве подложек используются вицинальные кристаллы с двойным отклонением от исходной плоскости, отжиг которых приводит к формированию ступеней с пилообразной геометрией фронта. Пилообразные края сформированных ступеней в дальнейшем являются центрами закрепления адатомов германия, образующих наноостровки;
3) для усиления направленного потока адатомов на стадиях напыления пленки и послеростового отжига используется эффект постоянного тока (электромиграции), выстраивающий наноостровки осажденного германия вдоль фронта наноступеней подложки.

Использование предлагаемого способа формирования наноостровков германия на вицинальной поверхности кремния обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1) делает возможным получение пространственно упорядоченных массивов наноостровков высокой плотности;
2) позволяет получать малые по размерам островки при относительно высокой температуре подложки (500oС), что снижает вероятность возникновения дефектов кристаллической структуры в подобных объектах.


Формула изобретения

Способ формирования наноостровков германия на вицинальной поверхности кремния, заключающийся в отжиге в вакууме кремниевой подложки (III) с двойной разориентацией от исходной плоскости и последующем напылении германия, отличающийся тем, что отжиг кремниевой подложки производит путем пропускания постоянного тока перпендикулярно фронту ступеней вицинальной грани кремния в направлении, обеспечивающем сглаживание неровностей поверхности, последующий отжиг кремниевой подложки при изменении направления тока на противоположное для формирования ступенчатой структуры, снижение температуры, напыление германия с последующим послеростовым отжигом постоянным током.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оборудованию для производства элементов полупроводниковой техники и, в частности, предназначено для создания полупроводниковых соединений азота с металлами группы A3

Изобретение относится к оптоэлектронному материалу, устройству для его использования и способу изготовления оптоэлектронного материала

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) как для предэпитаксиальной подготовки подложек (очистка поверхности от кислорода, углерода и других загрязнений), так и в процессе выращивания тех или иных слоев

Изобретение относится к микроэлектронике и касается технологии изготовления микромеханических приборов, в частности, микрогироскопов, микроакселерометров, микродатчиков давления, из кремнийсодержащих полупроводниковых структур

Изобретение относится к полупроводниковой области техники и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии для снижения плотности дефектов в эпитаксиальных структурах
Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов, в частности к способу эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев методом молекулярно-лучевой эпитаксии

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии получения тонкопленочных эпитаксиальных структур для квантоворазмерных полупроводниковых приборов

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к легированным марганцем тройным арсенидам кремния и цинка, расположенным на монокристаллической подложке кремния, которые могут найти применение в устройствах спинтроники, для инжекции электронов с определенным спиновым состоянием

Изобретение относится к электронной технике, а именно к материалам, предназначенным для изготовления полупроводниковых приборов широкого класса применения с использованием эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологии получения углеродных наноструктур, таких как углеродные нанонотрубки на кончике зондов, которые применяются в зондовой микроскопии для прецизионного сканирования

Изобретение относится к технологии эпитаксиального нанесения полупроводниковых материалов на подложку

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для формирования наноструктур из испаряемой микрокапли воздействием акустических полей
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для изготовления упорядоченных наноструктур, используемых в микро- и наноэлектронике, оптике, нанофотонике, биологии и медицине

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при производстве изделий микроэлектроники

Изобретение относится к технике получения пленок молекулярно-лучевым осаждением и использованием резистивных источников напыляемого материала
Наверх