УДК 539.219.3

В.С.Аврутин, канд. физ.-мат. наук, М.Ю.Барабаненков, д-р физ.-мат. наук, А.Ф.Вяткин, д-р физ.-мат. наук, Н.Ф.Изюмская, канд. физ.-мат. наук, А.Н.Пустовит, канд. физ.-мат. наук,

Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (п. Черноголовка, Московская обл.),

H.H.Лойко, канд. физ.-мат. наук, Физический институт им. П.Н.Лебедева

Перераспределение сурьмы в псевдоморфных гетероструктурах, отожженных в различных условиях

Исследовано перераспределение Sb в трехслойной Si/Si_0,85Ge_0,15/SiáSbñ структуре с напряженным слоем Si_0,85Ge_0,15 при отжигах в различных атмосферах. Найденная энергия активации диффузии Sb в Si_0,85Ge_0,15 оказалась значительно выше при отжиге в водороде, чем при отжиге в вакууме. Замедление диффузии Sb при отжиге в водороде объяснено снижением концентрации вакансий в материале, вызванным уменьшением потенциального барьера для аннигиляции пар Френкеля в присутствии водорода в решетке (что способствует ускоренному отжигу вакансий) и/или подавлением поверхностной генерации вакансий.

Введение

Изготовление образцов и методы исследования

Результаты и обсуждение

Введение

Известно, что термическая стабильность химических профилей является важным фактором в изготовлении приборов на основе гетероструктур SiGe/Si [1,2]. Было показано [2], что диффузия даже в нанометровом масштабе может оказывать значительное влияние на их параметры. В связи с этим в последнее время большое внимание уделяется изучению диффузионных процессов в гетероструктурах SiGe/Si, в частности, диффузии сурьмы – важнейшей примеси -типа, используемой в молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Недавно было продемонстрировано [3], что присутствие неравновесных ростовых точечных дефектов, а именно вакансий, оказывает большое влияние на коэффициенты диффузии Sb, которая диффундирует в SiGe по вакансионному механизму. В напряженных слоях Si_1-xGe_x ( и 0,2) [4] и псевдоморфных гетероструктурах Si/Si_0,85Ge_0,15/SiáSbñ [5,6] наблюдалась ускоренная диффузия Sb. Значительное замедление диффузии Sb отмечалось в Si/Si_1-xGe_x/Si гетероструктурах ( и 0,2), подвергнутых внедрению межузельных атомов в процессе окисления покрывающего слоя Si [7]. Приведенные данные указывают на возможность контролировать диффузию Sb в гетероструктурах SiGe/Si путем подбора условий термообработки. В данной статье описано влияние условий отжига на диффузию Sb в псевдо-морфной гетероструктуре Si/Si_0,85Ge_0,15/SiáSbñ, выращенной методом МЛЭ.

Изготовление образцов и методы исследования

Гетероструктура Si/Si_0,85Ge_0,15/SiáSbñ (рис. 1) была выращена на подложке Si (100) КДБ-12 методом МЛЭ. Сначала осаждался буферный слой нелегированного Si, затем слой Si (150 нм), легированный Sb до 6×10¹⁸ см^-3, выращивался при температуре подложки 400°С. После этого рост прерывался и температура увеличивалась до 750°С на 2-3 мин для того, чтобы уменьшить поверхностную сегрегацию Sb (как видно на рис. 2, такой отжиг недостаточен для полного устранения поверхностного пика Sb, однако увеличение температуры или времени отжига может привести к диффузионному уширению профиля Sb). Затем температура подложки снижалась до 600°С и выращивались псевдоморфный нелегированный слой Si_0,85Ge_0,15 толщиной 30 нм и покровный слой Si толщиной 60 нм. Скорость роста составляла около 0,1 нм/с. Толщины слоев были подобраны таким образом, чтобы избежать релаксации упругих напряжений в гетероструктуре в ходе последующих отжигов. После этого пластина была разрезана на образцы размерами 1´1 см.

Рис. 1. Схематическое изображение исследуемой структуры Si/Si0,85Ge0,15/SiáSbñ/Si(001)	Рис. 2. ВИМС-профили распределения Sb по глубине в неоттоженной структуре Si/Si0,85Ge0,15/SiáSbñ/Si(001)

Были применены три способа отжига полученных образцов:

· термический отжиг в вакуумной печи (10^-6 мм рт. ст.);

· термический отжиг в водороде при атмосферном давлении;

· нагрев излучением в водороде при атмосферном давлении.

В последнем случае в качестве источника излучения использовалась -лампа мощностью 3 кВт (мкм), при этом 9% мощности приходилось на длины волн 0,28-0,40 мкм, 35% – на 0,40-0,80 мкм и 24% – на 0,80-1,00 мкм. Образцы отжигались при различных температурах в диапазоне от 860 до 960°С. Верхняя граница температурного интервала выбиралась из условия стабильности Si_0,85Ge_0,15 слоя таким образом, чтобы уширение профиля Ge было незначительно, а нижняя была выбрана так, чтобы получить заметные изменения в распределении Sb. Времена отжига составляли от 3 до 180 мин (в зависимости от температуры). Точность определения температуры составляла ±2°С во всем используемом температурном интервале. Упругие напряжения и концентрация Ge в слое определялись методом двухкристальной рентгеновской дифракции. Дефектное травление и исследование полученной гетероструктуры под микроскопом с приставкой Номарского подтвердили отсутствие дислокации в эпитаксиальных слоях.

Профили распределения Sb и Ge по глубине изучались методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на микроанализаторе Cameca IMS-4f. При одновременном измерении профилей Sb и Ge использовался первичный пучок ионов с энергией 5,5 кэВ, а регистрировались ионы и . Затем для более точного расчета эффективного коэффициента диффузии профиль распределения сурьмы снимался отдельно с большей чувствительностью с использованием первичного пучка ионов с энергией 12 кэВ, а анализировались вторичные ионы . Чтобы разделить вторичные ионы и фон , использовалось разрешение по массе 4200. В обоих случаях первичный пучок сканировался по площади 250´250 мкм, а вторичные ионы собирались с центральной части этой площадки размером 50´50 мкм. Разрешение по глубине на переднем крае профиля был не хуже, чем 1,4 нм для Sb и 3,8 нм для Ge. Для определения концентрации Sb из данных ВИМС использовался эталон SiáSbñ, предварительно откалиброванный путем измерения сопротивления. Калибровка ВИМС профилей по глубине проводилась с помощью измерения глубин кратеров на профилометре Taylor-Hobson Talystep.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 показаны распределения Ge и Sb по глубине в неотожженной структуре, полученные методом ВИМС. Как уже упоминалось, пик Sb на поверхности образца вызван поверхностной сегрегацией Sb во время роста. ВИМС-профиль Sb, измеренный после отжига при температуре 900°С в течение 15 мин в вакууме, показан на рис. 3. На рисунке видно, что отжиг привел к заметному перераспределению Sb и ее накоплению в слое Si_0,85Ge_0,15. Поверхностный пик Sb уменьшился при отжиге из-за ее испарения. При выбранных условиях отжига (как в вакууме, так и в водороде) профиль Ge оставался практически неизменным.

Рис. 3. ВИМС-профили распределения Sb
по глубине в гетероструктуре
Si/Si_0,85Ge_0,15/SiáSbñ/Si(001)

Для определения коэффициента диффузии Sb в SiGe из данных ВИМС была разработана математическая модель, описывающая перераспределение Sb в многослойной структуре с частично прозрачными границами раздела [5]. Запишем уравнения диффузии для моделирования перераспределения Sb в слоистой структуре, состоящей из полубесконечного слоя (, , где – пространственная координата, начало координат находится на внешней поверхности структуры, рис. 2) и двух конечных слоев ( для и для , рис. 2). Исходное распределение Sb задается уравнением . Здесь – время отжига, а – номер слоя. Изменение исходных профилей со временем описывается уравнениями

; (1)

с граничными условиями

, , , (2)

где – удвоенный коэффициент диффузии Sb в -м слое. Прозрачность поверхности гетероструктуры () характеризуется коэффициентом , имеющим размерность скорости. На бесконечности мы полагаем естественное условие . Введем безразмерные переменные , и , где – типичный масштаб диффузионной задачи; ; – максимальная концентрация примеси в SiáSbñ слое перед отжигом. Тогда решение уравнений диффузии может быть записано следующим образом:

, (3)

где , , , , и . Переменные характеризуют вклад -го слоя в решение для -го слоя. Например, переменные (слой SiGe) описываются уравнениями

(4)

Эти выражения справедливы в областях , где . Из подгонки расчетных профилей под экспериментальные распределения примеси по глубине были определены эффективные коэффициенты диффузии Sb в слое Si и напряженном слое Si_0,85Ge_0,15.

На рис. 4 приведен ВИМС-профиль Sb в образце, подвергнутом фотонному отжигу в водороде при температуре 900°С в течение 180 мин. Видно, что в отличие от отжига в вакууме, отжиг в водороде приводит лишь к незначительному изменению профиля примеси (сравните с рис. 3). В таблице даны условия отжигов и рассчитанные коэффициенты диффузии Sb в Si и напряженном Si_0,85Ge_0,15. По данным таблицы были построены аррениусовкие зависимости коэффициента диффузии Sb в образцах, отожженных в вакууме и водороде (рис. 5). Для отжига в вакууме была найдена энергия активации диффузии Sb в напряженном Si_0,85Ge_0,15: эВ. Эта величина хорошо согласуется с литературными данными для энергии активации диффузии Sb в Si_0,8Ge_0,2 и Si_0,9Ge_0,1 [4] и Si [8]. В случае фотонного отжига в водороде в диапазоне температур от 900 до 940°С коэффициенты диффузии Sb значительно ниже, чем при отжиге в вакууме (см. таблицу и рис. 5). Термический отжиг в атмосфере водорода приводит практически к тем же результатам, что и фотонный отжиг. Следовательно, не облучение ультрафиолетовым светом, а именно водород ответственен за замедление диффузии сурьмы.

Рис. 4. ВИМС-профили распределения Sb по глубине в гетероструктуре Si/Si0,85Ge0,15/SiáSbñ/Si(001)	Рис. 5. Зависимость коэффициента диффузии Sb в напряженном Si0,85Ge0,15 от обратной температуры

Можно предположить, что коэффициент диффузии Sb уменьшается вследствие более низкой концентрации вакансий в образцах, отожженных в водороде. Как было показано в [9], водород, растворенный в решетке кремния, значительно уменьшает потенциальный барьер для аннигиляции пар Френкеля и, следовательно, способствует отжигу вакансий. Таким образом, при отжиге в атмосфере водорода последний, растворяясь в кремнии, понижает концентрацию вакансий. Для прояснения механизма этого эффекта необходимы дальнейшие исследования.

Таблица. Условия отжига и коэффициенты диффузии Sb

Диффузия в	Коэффициенты диффузии Sb, см^2/с
	Отжиг в вакууме					Отжиг в водороде
	860°C, 180 мин	870°C, 90 мин	880°C, 90 мин	900°C, 15 мин	900°C, 180 мин		920°C, 63 мин	940°C, 33 мин	950°C, 15 мин	960°C, 3 мин
Si	2,4×10^-17	3,4×10^-17	4,8×10^-17	9,5×10^-17	-		2,4×10^-17	3,4×10^-17	-	-
Si0,85Ge0,15	3,2×10^-16	4,5×10^-16	6,5×10^-16	1,3×10^-15	1,5×10^-17		4,7×10^-17	1×10^-16	1×10^-15	3×10^-14

Следует также отметить, что Sb испаряется с поверхности образца гораздо менее интенсивно при отжиге в водороде, чем при отжиге в вакууме (сравните поверхностные пики Sb на рис. 3 и 4). Этот факт может служить косвенным доказательством подавления поверхностной генерации вакансий во время фотонного отжига в водороде. В результате такого подавления или вышеупомянутого снижения концентрации вакансий (или обоих этих эффектов) часть атомов Sb вынуждена диффундировать по механизму, отличному от вакансионного. Более высокая энергия активации диффузии Sb при отжиге в водороде подтверждает это предположение. Необходимо также отметить, что при отжиге в водороде не наблюдается единой энергии активации во всем исследованном температурном интервале (рис. 5). В диапазоне температур от 900 до 940°С эВ, что значительно превышает энергию активации диффузии Sb в образцах, отожженных в вакууме. При температурах, больших 940°С, значительно выше. Этот результат нельзя объяснить увеличением вклада ошибок во времени и/или температуры отжига. Можно предположить, что при высоких температурах (950 и 960°С) на диффузию Sb оказывает значительное влияние какой-то дополнительный процесс, например термическое травление поверхности.

Следует также отметить, что отжиг в вакууме при температурах выше 900°С приводил к сильному размытию профиля распределения германия, чего не наблюдалось при отжиге в водороде. Это позволяет нам сделать вывод, что диффузия германия также ускоряется за счет потока вакансий, образующихся на внешней поверхности образца при отжиге в вакууме. Рассчитанные коэффициенты диффузии Sb в Si и Si_0,85Ge_0,15 приведены в таблице. Из таблицы видно, что коэффициент диффузии в напряженном слое Si_0,85Ge_0,15 заметно выше, чем в Si при любых условиях отжига. При отжиге в водороде коэффициенты диффузии значительно ниже, чем при отжиге в вакууме. Таким образом, можно сделать вывод, что при отжиге в вакууме поток вакансий с внешней поверхности эпитаксиальной структуры приводит к существенному ускорению диффузии Sb, а также Ge.

Исследовано перераспределение сурьмы в трехслойной Si/Si_0,85Ge_0,15/SiáSbñ структуре с напряженным слоем Si_0,85Ge_0,15 при отжигах в различных условиях: термический отжиг в вакуумной печи, термический отжиг в водороде при атмосферном давлении и нагрев излучением в водороде. Разработана математическая модель, описывающая диффузию в многослойной системе с учетом влияния границ раздела. Из подгонки расчетных профилей под экспериментальные распределения были определены эффективные коэффициенты диффузии Sb в напряженном Si_0,85Ge_0,15. Найдена энергия активации диффузии сурьмы в напряженном отжига в вакууме – (3,9 ± 0,1) эВ, что находится в хорошем согласии с литературными данными по диффузии сурьмы в слоях SiGe других составов и Si. В то же время энергия активации при отжиге в водороде оказалась значительно выше. Замедление диффузии Sb при отжиге в водороде объяснено снижением концентрации вакансий в материале, вызванным уменьшением потенциального барьера для аннигиляции пар Френкеля в присутствии водорода в решетке (что способствует ускоренному отжигу вакансий) и/или подавлением поверхностной генерации вакансий. Подтверждением последнего предположения служит обнаруженный нами факт, что Sb испаряется с поверхности образца гораздо менее интенсивно при отжиге в водороде, чем при отжиге в вакууме.

Список литературы

1. Prinz E.J., Garone P.M., Schwartz P.V., Xiao X. and Sturm J.C. The Effect of Base Dopant Outdiffusion and Undoped Si_1-xGe_x Junction Spacer Layers in Si/Si_1-xGe_x/Si Heterojunction Bipolar Transistors // IEEE Eletron. Device Lett. 1991. V. 12. № 2. P. 42-44.

2. Kenig U. and Hersener J. Needs of Low Thermal Budget Processing in SiGe Technology // Solid State Phenomena, 1996. V. 47-48. P. 17-32.

3. Bonar J.M., McGregor B.M. and Willoughby A.F.W. and Paine A.D.N. // Si Font-End Processing – Physics and Technology of Dopant-Defect Interactions. Symposium. V. 288, PA, USA: Mater Res. Soc., 1999. P. 103.

4. Kuznetsov A.Yu., Cardenas J., Schmidt D.C., Svensson B.G., Hansen J.L. and Larsen A.N. Sn-enhanced diffusion in strained Si_1-xGe_x: Dependence on biaxial compression // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. № 11. P. 7274-7277.

5. Аврутин В.С., Барабаненков М.И., Вяткин А.Ф., Изюмская Н.Ф., Пустовит А.Н. Ускоренная диффузия сурьмы в напряженных гетероэпитаксиальных кремний-германиевых транзисторных структурах // Материалы Всероссийского совещания “Наноструктуры на основе кремния и германия”, Н. Новгород. 1998. С. 147-150.

6. Аврутин В.С., Барабаненков М.Ю., Вяткин А.Ф., Изюмская Н.Ф., Пустовит А.Н. и Лойко Н.Н. Влияние потока точечных дефектов на диффузию Sb в напряженных Si/SiGe/SiáSbñ гетероэпитаксиальных структурах // Тез. докл. Второй Российской конференции “Кремний-2000”, Москва, 9-11 февраля 2000 г. С. 196.

7. Kuznetsov A.Yu., Grahn J., Cardenas J., Svensson B.G., Lundsgaard-Hansen J. and Nylandsted-Larsen A. Effect of Injection of Si Self-lnterstitials on Sb Diffusion in Si/Si_1-xGe_x/Si Heterostructures // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. № 20. P. R13355-R13358.

8. Dowsett M.G., Barlow R.D., Fox H.S., Kubiak R.A.A. and Collins R. Secondary Ion Mass Spectromrtry Depth Profilling of Boron, Antimony and Germanium Deltas in Silicon and Implications for Profile Deconvolution // J. Vac. Sci. Technol. B. 1992. V. 10. P. 336-341.

9. Пинчук В.М., Назаров А.Н., Лысенко В.С., Янчук Т.В. Влияние водорода на процесс аннигиляции пар Френкеля в кремнии. Квантово-химическое исследование // ФТП, 1996. Т. 30. Вып. 12. С. 2133-2142.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 00-02-18039.

Наверх