Способ выращивания кремний-германиевых гетероструктур

Изобретение относится к технологии эпитаксиального нанесения полупроводниковых материалов на подложку. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности и расширение ассортимента формируемых высококачественных кремний-германиевых гетероструктур в результате улучшения контролируемости молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур за счет точного регулирования режима осаждения кремния и германия в оптимальном интервале величин скоростей, уменьшения концентрации неконтролируемых примесей в полученных предлагаемым образом гетероструктурах, а также снижение ресурсных затрат на подготовку технологического оборудования. Сущность изобретения: в способе выращивания кремний-германиевых гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии указанных структур за счет испарения кремния и германия из раздельных тигельных молекулярных источников на основе электронно-лучевых испарителей, испарение кремния ведут в автотигельном режиме из кремниевого расплава в твердой кремниевой оболочке, а испарение германия - из германиевого расплава в кремниевом вкладыше, представляющем собой выработанный ранее полый остаток, образовавшийся в результате испарения кремния в автотигельном режиме, и расположенном в тигельной полости охлаждаемого корпуса тигельного блока электронно-лучевого испарителя, используемого для создания молекулярного потока германия. При этом процесс эпитаксии регулируют с учетом выбора скорости осаждения германия, определенной из представленной зависимости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технологии эпитаксиального нанесения полупроводниковых материалов на подложку и может быть использовано для обеспечения контролируемости и управляемости процессами вакуумного осаждения кремния и германия из раздельных электронно-лучевых испарителей при осуществлении молекулярно-лучевой эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур.

Эпитаксиальное наращивание кремния и германия с целью формирования их гетероструктур востребовано современной твердотельной микро- и наноэлектроникой для создания СВЧ-приборов, оптоэлектронных приборов и схем, в которых существенную роль играют слоистые (и смешанные) структуры субмикронных размеров с различным химическим составом, в частности на основе кремния и германия (см., например, патент США № 4861393, H01L 29/165, H01L 31/06, H01L 21/203, 1989, а также книгу на англ. яз. Herman M.A., Sitter H. Molecular Beam Epitaxy Fundamentals and Current Status. Berlin, Springer, 1996, p.286-287, fig.5.32).

При этом контролируемость процессов осаждения для формирования указанных гетероструктур в значительной мере зависит от метода получения молекулярных пучков кремния и германия.

Так при использовании для испарения германия известного молекулярного источника на основе ячейки Кнудсена с тиглем из нитрида бора, снабженным электронагревателем (см. патент США № 4550411, Н05В 3/02, 1985), количество загрязнений, вносимых в выращиваемые пленки конструкционными элементами источника, резко увеличивается при обусловленном требованиями приемлемой скорости осаждения увеличении температуры молекулярного источника (см. статью Белоусовой Т.В. и Садофьева Ю.Г. Особенности выращивания германия на арсениде галлия методом МЛЭ. - Электронная промышленность, 1990, № 10, с.78).

Более близким по технической сущности является аналог, выбранный заявителем в качестве прототипа и представляющий собой известный способ выращивания кремний-германиевых гетероструктур путем молекулярно-лучевой эпитаксии указанных структур за счет испарения кремния и германия из раздельных молекулярных источников на основе электронно-лучевых испарителей (см. патент ЕР № 0276914 А2, С30В 23/02, 1988).

Однако недостатком способа-прототипа является неприменимость для германия так называемого режима автотигельного испарения, обеспечивающего стабильное испарение материала. Для реализации этого режима необходимо, чтобы прилегающая к охлаждаемым стенкам тигля часть испаряемого материала находилась в нерасплавленном состоянии, что создает градиент температуры, необходимый для стабильного испарения материала без разбрызгивания (см. указанную статью Белоусовой Т.В. и Садофьева Ю.Г, с.80). В случае же германия из-за низкого давления при температуре плавления его собственных паров для достижения приемлемой скорости осаждения расплав германия необходимо разогревать значительно выше температуры плавления. В результате этого весь объем германия в тигле, в том числе и у стенок тигля, переходит в жидкое состояние, что и не позволяет реализовать для германия автотигельный режим.

При этом автотигельный режим испарения реализуем при электронно-лучевом испарении кремния, т.к. давление собственных паров кремния при его температуре плавления на два порядка выше, чем у германия при его температуре плавления. В результате приемлемые скорости осаждения кремния достигаются при переходе в расплавленное состояние лишь центральной части материала в тигле.

Дополнительные меры стабилизации скорости испарения германия, такие как введение графитовой вставки между германием и охлаждаемыми водой металлическими стенками тигельного блока с целью снижения перепада температуры германия в центре и на периферии его расплава (см. указанную статью Белоусовой Т.В. и Садофьева Ю.Г, с.80), не позволили обеспечить осаждение германия с концентрацией электрически активной примеси в формируемой структуре меньше 10¹⁶ см^-3.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение стабильности и расширение ассортимента формируемых высококачественных кремний-германиевых гетероструктур в результате улучшения контролируемости молекулярно-лучевой эпитаксии указанных гетероструктур за счет обеспечения точного регулирования режима осаждения кремния и германия в оптимальном интервале величин скоростей поочередного и одновременного осаждения, уменьшения концентрации неконтролируемых примесей в полученных предлагаемым образом гетероструктурах, а также снижение ресурсных затрат на подготовку технологического оборудования для достижения указанного результата за счет предлагаемой модернизации тигельного блока электронно-лучевого испарителя.

Для достижения изложенного технического результата в способе выращивания кремний-германиевых гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии указанных структур за счет испарения кремния и германия из раздельных молекулярных источников на основе электронно-лучевых испарителей испарение кремния ведут в автотигельном режиме из кремниевого расплава в твердой кремниевой оболочке, а испарение германия - из германиевого расплава в кремниевом вкладыше, представляющем собой выработанный ранее полый остаток, образовавшийся в результате испарения кремния в автотигельном режиме, и расположенном в тигельной полости охлаждаемого корпуса тигельного блока электронно-лучевого испарителя, используемого для создания молекулярного потока германия.

При этом процесс эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур регулируют с учетом выбора величины базовой для контролируемости указанного процесса в пределах обеспечения высокого качества гетероструктур скорости осаждения германия в соответствии с соотношением

где ν_Ge - скорость осаждения Ge;

r_cp - усредненный радиус кривизны испаряемой поверхности слитка германия в кремниевом вкладыше;

R - расстояние между испаряемой поверхностью слитка германия в кремниевом вкладыше и подложкой выращиваемой кремний-германиевой гетероструктуры.

При формировании кремний-германиевых гетероструктур в высоковакуумной установке молекулярно-пучковой эпитаксии «BALZERS» UMS 500P при рабочем напряжении электронно-лучевых испарителей в 10 кВ и токе электронной эмиссии до 100 мА используют кремниевый вкладыш, имеющий стенки толщиной 5-10 мм для создания температурного градиента между расплавом германия и охлаждаемым корпусом тигельного блока, определяющего условия стабильного испарения германия при максимальной скорости роста смешанной гетероструктуры 0,2 нм/с.

На фиг.1 показана общая схема высоковакуумной установки молекулярно-лучевой эпитаксии для осуществления заявляемого способа выращивания кремний-германиевых гетероструктур; на фиг.2 - электронно-лучевой испаритель для испарения германия в составе установки на фиг.1; на фиг.3 - рентгеновский спектр полученной в соответствии с заявляемым способом кремний-германиевой гетероструктуры, подтверждающий точный контроль процессов осаждения кремния и германия и формирование слоев гетероструктуры с заданным распределение состава.

Заявляемый способ выращивания кремний-германиевых гетероструктур осуществляют с помощью высоковакуумной установки молекулярно-лучевой эпитаксии.

Для испарения кремния и германия указанная установка (см. фиг.1) оснащена электронно-лучевыми испарителями 1 и 2 (электронно-лучевой испаритель 1 предназначен для испарения германия, электронно-лучевой испаритель 2 - для испарения кремния), в состав которых входят охлаждаемые водой медные тигельные блоки 3 и 4.

При этом в тигельной полости блока 3 (см. фиг.2), предназначенного для испарения германия, расположен кремниевый вкладыш 5, контактирующий своими внутренними стенками с германием 6, размещенным в свою очередь в указанном вкладыше. Кремниевый вкладыш 5 представляет собой выработанный ранее полый остаток, образовавшийся в результате испарения кремния в автотигельном режиме и неизвлеченный после этого из полости тигельного блока 3 электронно-лучевого испарителя, используемого для создания молекулярного потока германия.

Для проведения молекулярно-лучевой эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур высоковакуумная установка снабжена подвижными заслонками 7, позволяющими раздельно управлять молекулярными пучками кремния и германия, попадающими на подложку 8.

Молекулярно-лучевую эпитаксию кремний-германиевых гетероструктур в вакууме осуществляют при испарении кремния из кремниевого расплава в твердой кремниевой оболочке в тигельном блоке 4 в автотигельном режиме и испарении германия из германиевого расплава в полом твердом кремниевом вкладыше 5 в тигельном блоке 3 (см. фиг.2) с учетом выбора величины скорости осаждения германия в соответствии с предложенным заявителем для установок различного типа (полученным исходя из технических возможностей установки и закономерностей процесса молекулярного испарения и осаждения) соотношением (1) и их осаждении при открытых заслонках 7 на подложку 8 (см. фиг.1).

В примере осуществления заявляемого способа использовалась установка «BALZERS» UMS 500P - производство фирмы "Balzers" (Лихтенштейн).

При формировании в указанной установке кремний-германиевых гетероструктур при рабочем напряжении электронно-лучевых испарителей в 10 кВ и токе электронной эмиссии до 100 мА испарение германия вели из его расплава в кремниевом вкладыше, имеющем стенки толщиной 5-10 мм. Данная толщина стенок кремниевого вкладыша необходима для создания градиента температуры между охлаждаемыми стенками тигельного блока и испаряемым германием для стабильного испарения германия при скорости его осаждения (при расстоянии между поверхностью испаряемого германия и подложкой формируемой гетероструктуры ~ 510 мм), не превышающей 0,1 нм/с.

В качестве исходных материалов для испарения в электронно-лучевых испарителях послужили монокристаллический кремний и германий (с усредненным радиусом кривизны испаряемой поверхности слитка ~15 мм) с акцепторным типом проводимости и концентрацией бора ≤1·10¹⁵ см^-3.

Использование кремниевого вкладыша позволило исключить разбрызгивание и образование капель германия при испарении германия из его расплава в таком вкладыше с объемом его полости ~3-4 см³ при объеме тигельной полости 7,5 см³.

В результате появилась возможность понизить уровень неконтролируемой примеси в формируемых структурах в сравнении с известным способом с использованием графитовых вставок и значительно повысить стабильность и контролируемость испарения германия в процессе их формирования в сравнении со способом-прототипом. Это позволило значительно повысить стабильность качества формируемых кремний-германиевых гетероструктур и получать структуры с заданными параметрами состава и толщин слоев.

На фиг.3 представлены экспериментально измеренный (кривая а) и вычисленный (кривая б) рентгенодифракционные спектры от решетки с пятью периодами (Si_0.7Ge_0.3 d=3 нм / Si d=20 нм), полученные в окрестности пика Si (004) от подложки, подтверждающие хорошее согласие между экспериментальным и вычисленным спектрами, что означает совпадение значений состава и толщин слоев в сформированной гетероструктуре с заданными перед ростом.

Послойный анализ широкого класса выращенных кремний-германиевых гетероструктур методом вторичной ионной масс-спектрометрии показал, что концентрация примесей кислорода и углерода в них находится на уровне 1·10¹⁶÷5·10¹⁷ см¹⁷, что соответствует содержанию этих примесей в чистых исходных материалах. Уровень же электрически активных неконтролируемых примесей - менее 10¹⁵ см^-3.

Кроме того, обеспечена возможность снижения ресурсных затрат на подготовку установки для достижения указанного результата в результате выявления дополнительного технологического резерва повышения эффективности использования оборудования установки (кремниевого вкладыша - остатка, образовавшегося в результате испарения кремния в автотигельном режиме и неизвлеченного после этого из полости тигельного блока электронно-лучевого испарителя, используемого в предлагаемом способе для создания молекулярного потока германия).

1. Способ выращивания кремний-германиевых гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии указанных структур за счет испарения кремния и германия из раздельных молекулярных источников на основе электронно-лучевых испарителей, отличающийся тем, что испарение кремния ведут в автотигельном режиме из кремниевого расплава в твердой кремниевой оболочке, а испарение германия - из германиевого расплава в кремниевом вкладыше, представляющем собой выработанный ранее полый остаток, образовавшийся в результате испарения кремния в автотигельном режиме, и расположенном в тигельной полости охлаждаемого корпуса тигельного блока электронно-лучевого испарителя, используемого для создания молекулярного потока германия, при этом процесс эпитаксии кремний-германиевых гетероструктур регулируют с учетом выбора величины базовой для контролируемости указанного процесса в пределах обеспечения высокого качества гетероструктур скорости осаждения германия в соответствии с соотношением:

где ν_Ge - скорость осаждения Ge;
r_ср - усредненный радиус кривизны испаряемой поверхности слитка германия в кремниевом вкладыше;
R - расстояние между испаряемой поверхностью слитка германия в кремниевом вкладыше и подложкой выращиваемой кремний-германиевой гетероструктуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании кремний-германиевых гетероструктур в высоковакуумной установке молекулярно-пучковой эпитаксии «BALZERS» UMS 500P при рабочем напряжении электронно-лучевых испарителей в 10 кВ и токе электронной эмиссии до 100 мА используют кремниевый вкладыш, имеющий стенки толщиной 5-10 мм для создания температурного градиента между расплавом германия и охлаждаемым корпусом тигельного блока, определяющего условия стабильного испарения германия при максимальной скорости роста смешанной гетероструктуры 0,2 нм/с.