Способ получения монокристаллических пленок полупроводниковых материалов

Способ получения монокристаллических пленок полупроводниковых материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК .

„„SU„„1484191 А1 (5l)5 Н 01 1. 21/203

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н А BTGPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ но, н частности, для изготовления сверхрешеток.

Цель изобретения — повышение однородности пленки по стекиометрнческому составу, по толшин», ио в1опп1дп

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (46) 15. 12. 92 Бюл. Р 16 (2 1) 423 7766/25 ,(22) 29.04.87 (71) Институт радиотехники и электро.ники АН СССР (72) И. В. Гуляев, И.М, Котелянский, В.А.Луэанов и С.А.Тараканова

1 (56) Mender Е. et al. Optical properties of GaSb-А1БЬ superlattices.

J. Час. Sci, Technol. 1983, -BI (2), р. 1,2-154.

Taked Т, et а1. Crowth of ZnS/ZnTe

and ZnSe/ZnTe superlattices by mole,cular beam epitaxy and atomic layer

epitaxy. Surface Sci, !986, К 1?4, р. 548-549. (54} СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНОГОКРИСТАПЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к техно- логии получения тонких (несколькО монослоев) полупроводниковых пленок для твердотельных устройств микроэлектроники и может быть использова.но, н частности, для получения таких перспективных полупроводниковых структур, как сверхрешетки. Цель изобретения — повышение однородности пленки по стехиометрическому составу, lIo толщине, по площади подложки и в партии при одновременном увеличении

Из обретение относится к технологии получення монокристаллических пленок полупроводниковых материалов для тBpðqñòельвык устройств микроэлек гр ппп и мс жет быть испольэона2 производительности процесса. Осаждение компоненгов проводят в пространственно раэнесеннык soHax осаждения. Подложку нрашалет с постоянной скоростьк Ч ((1 Че)11ц, где 1 - размер пучка в направлении движения подложки; Чр — скорость роста осаждаемого вещества на подложке заданной кристаллографической ориентации при заданной температуре осаждения и плотности потока; Ьм — толщин-. монослоя

t осаждаемого вещества. Нанесение сле- дуищего моноспоя проводят через промежуток времени, не меньший времени десорбции физически адсорбиронанных атомов на рабочей понеркности подлож- ф ки при заданной температуре осаждения. Для усиления поверхностной диффузии хемисорбированных атомов во время перемещения подложки вне потока осаждаемого вещества на осажденную пленку воздействуит излучением с длиной волны, равной (h ° с)/Е, а.11(ш© ((h ° с)/Е> где h - постоянная План-. фЬ ка; с — скорость света в накууме; Я)

Š— энергия активации поверхностной диффузии хемисорбиронанных атомов на поверхности подложки заданной кристаллографической ориентации; Е

3юей энергия десорбции физически адсорби-. рованньтх атомов. 1 з.п. ф-лы.

-1484191 по,ппожки и в партии при одновременном увеличении производительности процесса.

Сущность способа состоит н после5 довательном осаждении монослоев компонентов материала пленки н пространственно разнесенных зонах осаждения, причем нанесение следующего монослоя проводят через промежуток времени, 1О не меньший времени десорбции физически адсорбиронанных атомов на рабочей поверхности подложки при заданной температуре осаждения.

В указанных условиях осаждения 15 стало возможным проводить послойную молекулярно-лучевую эпитакеию и воспроизводимо получать однородные по стехиометрическому составу, степени кристаллического сонершенства и тол- 1р щине пленки на всей площади не толь" ко одной подложки, но и всей серии подложек в одном цикле.

Данный способ позволил отказаться от системы заслонок, блока еинхрони- g5 зации режима их работы и управляющей

ЭВ11, что существенно упрощает конструкцию установки и повышает производительность.

Способ позволяет расположить по Зп ходу движения подложки последовательно источники компонентов осаждаемого вещества, источники легирующих примесей, ионные источники для очистки рабочей поверхности подложки и пленки,,источники воздействия на каждый монослой излучением, усиливаю(цим поверхностную миграцию хемисорбированных .атомов и ускоряющим десорбцию физически адсорбированных атомов.

Скорость перемещения подложки вы" бирается такой, чтобы она обеспечивала при заданных температуре осажде" . ния и плотности потока осаждения на рабочей поверхности подложки количе- 45 ства атомов, немного большее или равное количеству, необходимому для об" разования одного монослоя хемисорби рованных атомон. Значительное уменьшение скорости перемещения подложки нежелательно из-эа снижения производительности и лишнего расхода материалов.

Минимальное время между последовательным осаждением двух монослоев55 определяется временем десорбции фи1 знчески адсорбированных атомов на .рабочей поверхности подложки при заданной температуре осааждения, . которое может быть рассчитано или определено экспериментально с помощью измерения временной зависимости плотности потока десорбированных атомон с поверхности подложки при заданной температуре осаждения. 1(аксимальное время между последовательным осаждением монослоев компонентов ограничивается процессом загрязнения поверхности осажденного монослоя остаточным ва(куумом, а также снижением проиэводительности установки при увеличении време ни выдержки между по следо нательнымм осаждением монослоев.

Температура осаждения выбирается большей, чем так называемая критическая температура, выше которой коэффициент прилипания становится меньшим единицы и нозможно эпитаксиально наращивание. Экспериментально температура осаждения определяется следующим образом. На подложку при ком( натной температуре осаждают аленку из материала компонента. Затем подложку постепенно нагревают в высоком вакууме и снимают температурную зависимость интенсивности Оже-сигнала от поверхности пленки..Интенсивность

Оже-сигнала в определенной области температур подпожки практически перестает меняться,, что означает завершение.процесса десорбции слабо связанных атомов компонента и установление стабильной поверхности, образованной хемисорбированными атомами.

Аналогично определяется обЛасть температур получения стабильной поверхности для каждого из компонентов в отдельности на заданной подложке.

Температуру осаждения вещества выбирают иэ области перекрытия возможных температур получения стабильной поверхности для каждого компонента.

Скорость роста пленки компонента определяется следующим образом, На подложку при заданной температуре осаждения и плотности потока компонента осаждают пленку. Затем, измерив ее толщину и поделив эту толщину на время осаждения> получают величину скорости роста. Точнее, скорость роста определяется по периоду синхронной осцилляции интенсивности и ширины рефлекса дифракции электронов от по,верхности растушей пленки. Период осцилляции .равен времени наращивания одного монослоя компонента.! 484191

hc . hc

----- < (--- —, Е! Ед ,где h — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме, Е,! — энергия активации поверхност- 25 ной диффузии хемисорбированного атома на поверхности подложки заданной крис гаПло;, графической ориентации;

Е - энергия десорбции физически ЗО. адсорбиронанного атома.

Энергия излучения выбирается такой, чтобы хеиисорбнронанные атомы, находящиеся впе дна потенциального р л ефа поверхности, поггготив квасит 35 света с выбранной длиной волны, ииели воэможность эа счет поверхностной . диффузии занять положения, соответствующие мннимуиу потенциальной энергии, т.е. занять положения, соответ- 40. стнующие наилучшему кристаллическому совершенству структуры. Плотность мощности излучения 1I оценивается из

h ° с ц -К условия Ч М вЂ” — — где Н=!О см л 45 .поверхностная плотность атомов, и ,по порядку величины составляет У

-a "4 и

in. 10 -10 Дж/см . Длина волны излу-! чения определяется для каждого компо:нента н отдельности. 50

П р и и е р 1. Осаждение монокристаллической пленки CdTe проводят на подложки СИТе ориентации (1!О) в сверхнысоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии.

Установка содержит систему откачки, рабочую камеру, н которой размешен барабан-подложкодержатель диамет ром 100 им и высотой 30 им. JTo периПри выбранной ширине вели l определяющей размер лучка в направлении движения подложки, скорость перемещения подложки определяется из фор"

5 мулы

1 Чр

Ч (- — ——

h и где Чр - скорость роста;

Ьн — толшина ионослоя. .Для усиления поверхностной диффузии хеиисорбированных атомов компо нента и ускорения десорбции физически адсорбированных атомов, а следовательно, для улучшения степени кристаллического совершенства пленки, в промежутках между осаждением моно. слоев на поверхность растущей пленки ,воздействуют излучением с длиной волны 20 метру каиеры последа нателг.но ра змещены ионный источник для о%IcTKFI под» ложек, источник молекулярных пучков

Cd н источник молекулярных пучков Те.

Эффуэионные ячейки Cd и Те расположе" ны друг напротив друга с противоположных сторон барабана. Р!ирина щели для паров Te — 1О мм. Длина щели 1

= 20 им. Щели расположены на расстоя-„ нии мм от рабочей поверхности подложек.

Подложки из монокристалла СИТе ориентации (110) размером 1Х1 см в количестве 20 штук закрепляют на внешней боковой стороне барабана. Рабочую камеру откачивают до предель-У ного в акуума О Па, напуск ают поток аргона до !О Па, включают вращение

„ барабана со скоростью 12 об/ч и вклю- . чают ионный источник для очистки рабочей по верхи о сти подложек. Рабочие параметры ионного источника: U «! КВ, I 0,2 А, диаметр ионного пучка

50 мм, ширина щели 20 им, длина щели

20 мм. Очистку проводят в течение ,30 мин. Затем ионный источник выклю чают, останавливакт вращение барабана и откачивают рабочую камеру до

-8

1О Па. Включают нагрев подложек, EIa гревают их до температуры 600 К, отжигают в течение 30 мнн, после чего температуру снижают до температуры осаждения 540 К.

Закрытые заслонками эффузионные ячейки Cd и Те нагревают до температур 580 К и б70 К соответственно и выдерживают в течение 15 мнн для стабилизации режимов их работы. После прогрева эффузионных ячеек включают вращение барабана со скоростью

12 об/ч, открывают заслонки и через щели проводят последовательное осаждение монослоев СИ и Те.

При уйазанных режимах в одном цикле на 20 подложек за 1О ч осаждают

120 монослоев соединения CdTe.

Полученные пленки CdTe толщиной о

1000 А имели гладкую зеркальную поверхность.

Пример 2, Осаждение ионокриСталлической пленки GaAs проводят на подложки GaAs ориентации (!00).

Источниками атомов Ga u As являются потоки газов — триметилгаллия (ТИС) и арсина (AsH ) соответственно. Кежду газовыми вводами ТИС и Asti для усиления поверхностной диффузии хемисорбированных атомов Га н As уста1484191 новлены источники оптического излучения. Подложки изготовлены иэ монокристалла GaAs ориентации (100). Диаметр подложек 15 мм, количество под5 ложек 1.5 штук.

Осаждение проводят аналогично примеру I при следующих режимах; температура осаждения 870 К, скорости напуска газов 7 ° 10 Па л/с (для A>>s1 ) и 1,3 ° 10 Па л/с (для Т1>С), ширина щели для потока арсина 1д м 2 мм, для потока THG 1тма =5 мм,д ина щелей

20 мм, рабочие параметры оптического излучения: длина волны для атомов

Ga — 0,8 мкм, для атомов As,g к295 мкм, плотность мощности — для атомов Са t>@ 3 10 Дж/см, для ато— 4 а

-мов As HA 10 pp/см, ширина ще-5 лей оптического излучения 20 мм, дли- 20 на щелей 20 мм.

При укаэанных условиях скорость вращения барабана — 20 .об/ч. В одном цикле на 15 подложек за i0 часов осаждают 200 монослоев соединения

GaAs.

П р и и e p 3. Получение сверхрешетки ZnSe-ZnTe проводили на подложках GaAs ориентации (100)9 разме,ром 1 1 см в количестве 30 штук из 30 молекулярных пучков. Источники молекулярных пучков располагались по периметру рабочей камеры в следуюшей ,последовательности: первая пара " ис" точник Zn — источник Se; вторая па- 35

>ра — источник Zn " источник Те и т.д. Всего установлено по 5 пар источников. Осаждение проводки аналогично примеру 1 при следующих режимах: диаметр барабана-подпожкодержателя — 40

200 мм, высота — 30 мм, температура осаждения 280 С, температуры источников молекулярных пучков: Т999> = 580 К, Т = 430 К, Т = 670 К, ширина .щелей источников: 1т9>= 5 мм, 1$e 45

1О мм, 1 „ 5 мм> 1т = 10 мм, длина щелей 20 мм. Скорость вращения барабана при этих условиях составляла 6 об/ч. Полученная структура иэ

100 монослоев имела гладкую поверхность, 50

Таким образом, по сравнению с и вестными данный способ позволяет воспроизводимо получать монокристапли- ческие пленки различных полупроводни55 кояын соединений с высокой степенью однородности по стехиометрическому составу и более совершенные по крис. талличес> ой структуре.

Кроме того, использование непре" рывного режима работы источников и равномерного перемещения подложек вместо применения устройств прерывания потоков с блоками синхронизации режимов их работы существенно упрощает конструкцию установки и способствует повышению ее производительности.

Формула. изобретения

Способ получения монок1 исталлических пленок полупроводниковых мате риалов методом послойной молекулярнолучевой эпитаксии,включающий нагрев подложки в вакууме до температуры осаждения и последовательное осаждение мо" нослоев компонентов материала путем подачи на рабочую поверхность подложки потока вещества, о т л и ч а ю щ и йс.я тем, что, с целью повышения однородности пленки по стехиометрическому составу и толщине по площади подложки и в партии при одновременном увеличении производительности процесса, осаждение компонентов проводят в пространственно разнесенных зонах осаждения, а подпожку вращают с постоянной скоростью

}V

V (h где 1 " размер пучка в направлении двйжения подложки;

VI> — скорость роста осаждаемого вещества на подложке задан" иой кристаллографической ориентации при заданной тем" пературе,осаждения и плотности потока;

Ь вЂ” заданная толщина монослоя осаждаемого вещества, причем нанесение каждого следующего монослоя проводят через промежуток времени, не меньший времени десорбции физически адсорбироваиных атомов на рабочей поверхности подло*ки.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юm,и и с я тем, что во время перемещения подпожки вне зоны осаждения на плевку воздействуют излучением с длиной волны Д, причем

h.c h ñ М (Е»1

9 где h — постоянная Планка; с — скорость света в вакууме;

E g — энергия активации поверхностной диффузии немисорбированнын атомов на поверхности

1484. 9! го

Составитель М.Ованесов

Техред М.Ходанич Корректор О.Кравцова

Редактор Н.Коляда

Заказ 5Ь5 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям н открытиям при ГКНТ СССР !!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский кр йинат."Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10! подложки заданной кристаллографической ориентации;

F> — энергия десорбции физически адсорбированных атомов.