Образовательный семинар аспирантов и студентов Проблема легирования донорными примесями Si и SiGe гетероструктур Юрасов Д.В.

SiGe MODFET транзисторы с n-каналом I. Berberzier et.al.,Journal of Applied Physics, (2010)

Детекторы миллиметрового диапазона длин волн на основе низкобарьерных диодов Шоттки eV ECEC металл Термоэмиссионный ток туннельный ток x0x0 eV - высота исходного барьера М-П х 0 - глубина залегания -слоя п/п п/п r 47 r 44 f =94 ГГц f 3db =8 ГГц R a мм Модифицирование барьера Шоттки осуществляется посредством введения на туннельно-прозрачном расстоянии х 0 от интерфейса металл-полупроводник (M-S) сильнолегированного 2D- или 3D-слоя, который существенным образом меняет картину прохождения носителей через потенциальный барьер и приводит к изменению эффективной высоты барьера.

Si (7нм) Активная область структуры для каскадной схемы для источников излучения ТГц Si 0.93 Ge 0.07 a a si Si 0.88 Ge 0.12 (10нм) растянут сжат δ-Sb Si (001) периодов Si 0.88 Ge 0.12 (10нм) т т т т т т т т т т т т т т т т искусственная подложка дельта- легирование

Проблема легирования 1. Диффузия2. Десорбция3. Сегрегация Процессы, влияющие на распределение примеси: δ-Sb Глубина, нм N Sb, см -3 реальный профиль расплывается

T=550С, D= ст 2 /s l = 2нм => t = 10 8 c Диффузия Sb в Si и SiGe структурах в методе МПЭ P. Kringhøj, A. Nylandsted Larsen and S. Shiryaev, Phys.Rev.Lett., (1996) Процесс диффузии Sb в Si Процесс диффузии Sb в SiGe зависит от условий роста (упругие напряжения) - релакс. Si - напряж. Si - релакс. SiGe - напряж. SiGe

N Sb < 0.5 монослоя N Sb > 0.5 монослоя Спектры термодесорбции Sb с поверхности Si 1 пик, соответствующий разрыву связи Si-Sb появление 2-го пика, соответствующего разрыву связи Sb-Sb Десорбция Sb с поверхности Si ~ 36 мин при 700°С ~ 2.3×10 6 c при 550°С ~ 2.1×10 -5 c при 700°С ~ 25 мин при 550°С R. Metzger and F. Allen, Surface Science, (1984)

- профиль ВИМС - расчет T=405°C 2-й слой Si T=365°C 1-й слой Si -слой Sb Сегрегационное размытие профиля концентрации Пик расплывается больше, чем на 100 нм ! Si Sb

Y.Shiraki, A. Sakai, Surface Science Reports, (2005) Энергия атомов примеси в Si матрице Sb и Ga энергетически выгодно сегрегировать на поверхность, а B – встраиваться в объем Si матрицы

Температура, °С equilibrium regime kinetically- limited regime Температурная зависимость сегрегации Sb в матрице Si H.Jorke, Surface Science., (1988) Коэффициент сегрегации

(1) условия сохранения : E a1 E a2 P1P1 P2P2 E desorb surface bulk Вероятности обмена: Обменная модель сегрегации E a1 E a2 F1F1 F2F2 Si Sb

- Jorke - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Blacksberg et.al. Температура, °С Коэффициент сегрегации Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение обменной модели с экспериментом Полного подавления сегрегации при низких температурах нет !

LsLs Низкотемпературная сегрегация Sb: модель поверхностной диффузии J.Nutzel and G.Abstreiter, Phys. Rev. B, (1996) - длина сегрегации R – скорость роста, R 0 =1Å/c, Δ 0 и E s – подгоночные параметры, определяемые из эксперимента для конкретных примесей

Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение с экспериментом в области высоких температур - Jorke - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Blacksberg et.al. - Nutzel-Abstreiter Температура, °С Коэффициент сегрегации

Объединенная модель сегрегации : террасы + ступени Моделируются обмены в областях (S E и T P) c разными численными значениями параметров. Нет детализации механизмов обмена. stepterrace C.Arnold and M.Aziz, Phys. Rev. B, (2005)

Зависимость коэффициента сегрегации от температуры - Jorke - Arnold-Aziz - Nutzel-Abstreiter - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Our experiment Температура, °С Коэффициент сегрегации

Методы подавления сегрегации Sb : Ионное легирование примесь ионизуется … Si Sb легированный слой …и вбивается вглубь образца Недостаток метода : дефектность слоев …ускоряется электрическим полем…

Методы подавления сегрегации Sb : Осаждение аморфного слоя с последуюшей рекристаллизацией осаждение Sb Температура время Заращивание аморфным слоем при очень низких Т Отжиг при высоких Т Рекристаллизация аморфного слоя Дальнейший рост Si аморф.Si Si В рекристаллизованном слое остаются дефекты !

Методы подавления сегрегации Sb : пассивация поверхности Si Si:Sb подача атомарного H Для подавления сегрегации Sb при росте легированных Si:Sb слоев подается атомарный H P.Thompson et.al., Thin Solid Films, (1998) 1.При толщине Si:Sb слоя > 20 нм образуется много дефектов. 2.Неполная электрическая активация Sb в таких слоях. 3.Технологическая сложность метода. Недостатки :

- Jorke - Arnold-Aziz - Nutzel-Abstreiter - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Our experiment Температура, °С Коэффициент сегрегации Используемый нами метод изготовления Si:Sb структур r ~ 10 2 r ~ 10 6 различие более чем на 4 порядка в диапазоне 300T р 550°С ! Для создания: 1) Высоколегированных слоев - используются низкие Т роста 2) Резкого изменения профиля концентрации – варьирование Т роста в диапазоне 300÷550°С 3) Нелегированных слоев – рост при высоких Т (т.е. при максимальной сегрегации)

Контроль за количеством атомов Sb на поверхности (калибровка потока атомов Sb, F (T Sb )) Температура источника Sb, °C Поток Sb, см -2 с -1 - ВИМС - Холл

Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок Структуры с постоянным уровнем легирования Si:Sb, T р =350°C- Si, T р =550°C- Si:Sb, T р =325°C - профиль ВИМС - расчет предел чувствит. ВИМС 123 Глубина, нм Концентрация Sb, см -3 дополнительное осаждение δ-слоя Sb измерения ВИМС – к.ф.-м.н. Дроздов М.Н.

δ-Sb слои Глубина, нм Концентрация Sb, см -3 Структуры с -слоями Sb в Si Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок,FWHM ~ 3-4 нм δ-Sb слои: Т р =365°С нелегиров. Si слои: Т р =550°С

Позиция пика, нм Концентрация Sb, норм. ед. -слой Sb в Si : предел разрешения ВИМС эксперим. профиль эталонный δ-слой Эталонный слой – δ-Sb слой, зарощенный аморфным Si при Т

Сегрегация в гетероструктурах SiGe Q segr Q inc В сжатых Si 1-x Ge x слоях с ростом X Ge сегрегация Sb усиливается Объединенное действие 2-х факторов: 1) непосредственное наличие атомов Ge 2) упругие напряжения в SiGe слое A.Portavoce et.al., Phys. Rev. B, (2004)

Сегрегация в гетероструктурах SiGe strained Si 0.85 Ge 0.15 relaxed Si 0.85 Ge 0.15 strained relaxed Разделение влияния состава и упругих напряжений T=200°C

Si(001)Si слой Si 0.95 Ge 0.05 Si слой Sb Глубина, нм Концентрация Sb, см -3 Si(001)Si слой Si 0.85 Ge 0.15 Si слой Sb Глубина, нм Концентрация Sb, см -3 T р =410°C Si 1-x Ge x (x=5%) r = 4500 Si r = 500 Si 1-x Ge x (x=15%) r = Si r = 500 Сегрегация в гетероструктурах SiGe

Спасибо за внимание !

Определение коэффициента сегрегации из профиля ВИМС x = x 0 K.D. Hobart et.al., Surface Science, (1995)