Проблема легирования донорными примесями Si и SiGe

реклама
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)
Скачать