Проблема легирования донорными примесями Si и SiGe
advertisement
Образовательный семинар аспирантов и студентов Юрасов Д.В. Проблема легирования донорными примесями Si и SiGe гетероструктур SiGe MODFET транзисторы с n-каналом I. Berberzier et.al.,Journal of Applied Physics, 107 034309 (2010) Детекторы миллиметрового диапазона длин волн на основе низкобарьерных диодов Шоттки Термоэмиссионный ток туннельный ток eV металл п/п EC x0 eV - высота исходного барьера М-П х0 - глубина залегания -слоя f =94 ГГц f3db =8 ГГц Ra 800 Модифицирование барьера Шоттки осуществляется посредством введения на туннельно-прозрачном расстоянии х0 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. 50 мм δ-Sb Si0.88Ge0.12 (10нм) Si (7нм) δ-Sb Si0.88Ge0.12 (10нм) Si (7нм) δ-Sb Si0.88Ge0.12 (10нм) Si (7нм) 50-100 периодов Активная область структуры для каскадной схемы для источников излучения ТГц дельталегирование Si0.93Ge0.07 тттттттттттттттт Si (001) сжат растянут “искусственная подложка” a ≠ asi Проблема легирования δ-Sb N Sb, см-3 реальный профиль расплывается Глубина, нм Процессы, влияющие на распределение примеси: 1. Диффузия 2. Десорбция 3. Сегрегация Диффузия Sb в Si и SiGe структурах в методе МПЭ Процесс диффузии Sb в Si T=550С , D=10-22ст2/s l Dt l = 2нм => t = 108c Процесс диффузии Sb в SiGe зависит от условий роста (упругие напряжения) - релакс. Si - релакс. SiGe - напряж. Si - напряж. SiGe P. Kringhøj, A. Nylandsted Larsen and S. Shiryaev, Phys.Rev.Lett., 76 18 (1996) Десорбция Sb с поверхности Si F N K D 0 exp( NSb < 0.5 монослоя ED ) kT 1 пик, соответствующий разрыву связи Si-Sb ED high 3.05eV ~ 36 мин ~ 2.3×10 c 6 NSb > 0.5 монослоя при 700°С при 550°С появление 2-го пика, соответствующего разрыву связи Sb-Sb ED low 1.49eV ~ 2.1×10 ~ 25 мин -5 c Спектры термодесорбции Sb с поверхности Si R. Metzger and F. Allen, Surface Science, 137 397 (1984) при 700°С при 550°С Сегрегационное размытие профиля концентрации -слой Sb 2-й слой Si T=405°C -слой Sb 1-й слой Si T=365°C Si Sb - профиль ВИМС - расчет Пик “расплывается” больше, чем на 100 нм ! Энергия атомов примеси в Si матрице Sb и Ga энергетически выгодно сегрегировать на поверхность, а B – встраиваться в объем Si матрицы Y.Shiraki, A. Sakai, Surface Science Reports, 59 153 (2005) Температурная зависимость сегрегации Sb в матрице Si 100 kinetically10-1 limited regime equilibrium regime Коэффициент сегрегации 10-2 10-3 r 10-4 10-5 10-6 10-7 300 400 500 600 700 800 Температура, °С H.Jorke, Surface Science., 193 569 (1988) nsurf nbulk Обменная модель сегрегации Si Ea2 Ea1 F2 Sb P1 P2 F1 Edesorb Ea1 Ea2 bulk surface (S ) ( B) (S ) (S ) ( B) (S ) dn / dt = F P n n P n n P n 1 1 1 1 2 2 1 2 3 1 (1) dn2 ( S ) /dt = F2 P1 n1( B ) n2( S ) P2 n1( S ) n2( B ) Вероятности обмена: P1 1 exp( Ea1 / kT ) P2 2 exp( Ea 2 / kT ) условия сохранения : P3 3 exp( Edesorb / kT ) n1( S ) (t ) n1( B ) (t ) n1( S ) (0) n1( B ) (0) ( F1 P3n1( S ) ) t n1( S ) (t ) n2 ( S ) (t ) (F1 F2 P3n1( S ) ) t n1( B ) (t ) n2 ( B ) (t ) 1 Коэффициент сегрегации Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение обменной модели с экспериментом - Jorke Hobart et.al. Blacksberg et.al. Jiang et.al. Температура, °С Полного подавления сегрегации при низких температурах нет ! Низкотемпературная сегрегация Sb: модель поверхностной диффузии Ls kin 0 R0 E exp( s ) R kT - длина сегрегации R – скорость роста, R0=1Å/c, Δ0 и Es– подгоночные параметры, определяемые из эксперимента для конкретных примесей J.Nutzel and G.Abstreiter, Phys. Rev. B, 53 13551 (1996) Коэффициент сегрегации Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение с экспериментом в области высоких температур - Jorke Hobart et.al. Blacksberg et.al. Jiang et.al. Nutzel-Abstreiter Температура, °С Объединенная модель сегрегации : террасы + ступени step terrace Моделируются обмены в областях (S E и T P) c разными численными значениями параметров. Нет детализации механизмов обмена. C.Arnold and M.Aziz, Phys. Rev. B, 72 195419 (2005) Зависимость коэффициента сегрегации от температуры Коэффициент сегрегации - Jorke - Arnold-Aziz - Nutzel-Abstreiter - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Our experiment Температура, °С Методы подавления сегрегации Sb : Ионное легирование примесь ионизуется … …ускоряется электрическим полем… Sb + + + Si легированный слой …и вбивается вглубь образца Недостаток метода : дефектность слоев Методы подавления сегрегации Sb : Осаждение аморфного слоя с последуюшей рекристаллизацией Температура осаждение Sb Дальнейший рост Заращивание аморфным слоем при очень низких Т Отжиг при высоких Т Рекристаллизация аморфного слоя время Si аморф.Si аморф.Si Si Si 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 Si Недостатки : 1. При толщине Si:Sb слоя > 20 нм образуется много дефектов. 2. Неполная электрическая активация Sb в таких слоях. 3. Технологическая сложность метода. P.Thompson et.al., Thin Solid Films, 321 120 (1998) Коэффициент сегрегации Используемый нами метод изготовления Si:Sb структур - Jorke Arnold-Aziz Nutzel-Abstreiter r ~ 106 Hobart et.al. Jiang et.al. Our experiment различие более чем на 4 порядка в диапазоне 300≤Tр≤550°С ! r ~ 102 Температура, °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 (TSb)) Поток Sb, см-2с-1 - ВИМС - Холл Температура источника Sb, °C Структуры с постоянным уровнем легирования 2 - Si:Sb, Tр=350°C 3 - Si, Tр=550°C - Si:Sb, Tр=325°C дополнительное осаждение δ-слоя Sb 3 Концентрация Sb, см-3 1 2 1 предел чувствит. ВИМС - профиль ВИМС - расчет Глубина, нм Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок измерения ВИМС – к.ф.-м.н. Дроздов М.Н. Структуры с -слоями Sb в Si δ-Sb слои Концентрация Sb, см-3 δ-Sb слои: Тр=365°С нелегиров. Si слои: Тр=550°С Глубина, нм Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок, FWHM ~ 3-4 нм -слой Sb в Si : предел разрешения ВИМС эксперим. профиль Концентрация Sb, норм. ед. “эталонный” δ-слой Позиция пика, нм “Эталонный” слой – δ-Sb слой, зарощенный аморфным Si при Т<100°С, сегрегации нет Сегрегация в гетероструктурах SiGe Объединенное действие 2-х факторов: 1) непосредственное наличие атомов Ge 2) упругие напряжения в SiGe слое Qsegr Qinc В сжатых Si1-xGex слоях с ростом XGe сегрегация Sb усиливается A.Portavoce et.al., Phys. Rev. B, 69 155414 (2004) Сегрегация в гетероструктурах SiGe strained Si0.85Ge0.15 relaxed Si0.85Ge0.15 T=200°C relaxed Разделение влияния состава и упругих напряжений strained Сегрегация в гетероструктурах SiGe Si0.95Ge0.05 Si слой Si(001) Si слой Si слой Концентрация Sb, см-3 Концентрация Sb, см-3 Si слой Si0.85Ge0.15 Sb Глубина, нм Tр=410°C Si1-xGex (x=5%) r = 4500 Si r = 500 Глубина, нм Tр=410°C Si1-xGex (x=15%) r = 11000 Si r = 500 Sb Si(001) Спасибо за внимание ! Определение коэффициента сегрегации из профиля ВИМС x = x0 K.D. Hobart et.al., Surface Science, 334 29 (1995)
