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, 107 034309 (2010)

Детекторы миллиметрового диапазона длин волн на основе низкобарьерных диодов Шоттки

eV

EC

металл

Термоэмиссионный ток

туннельный ток

x0

eV - высота исходного барьера М-Пх0 - глубина залегания -слоя

п/п

r 47

r 44

f =94 ГГц f3db =8 ГГцRa 800

50 ммМодифицирование 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 приводитк изменению эффективной высоты барьера.

Si (7нм)

Si (7нм)

Si (7нм)

Активная область структуры для каскадной схемы для источников излучения ТГц

Si0.93Ge0.07

a ≠ asi

Si0.88Ge0.12 (10нм)

Si0.88Ge0.12 (10нм)

растянутсжат

δ-Sb

δ-Sb

δ-Sb

Si (001)

50-1

00 п

ери

одов

Si0.88Ge0.12 (10нм)

т т т т т т т т т т т т т т т т

“искусственная подложка”

дельта-легирование

Проблема легирования

1. Диффузия 2. Десорбция 3. Сегрегация

Процессы, влияющие на распределение примеси:

δ-Sb

Глубина, нм

N S

b,

см-3

реальный профиль расплывается

T=550С , D=10-22ст2/s

Dtl

l = 2нм => t = 108c

Диффузия Sb в Si и SiGe структурах в методе МПЭ

P. Kringhøj, A. Nylandsted Larsen and S. Shiryaev, Phys.Rev.Lett., 76 18 (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

NSb < 0.5 монослоя

NSb > 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

0 exp( )DD

EF N K

kT

3.05highDE eV

1.49lowDE eV

~ 36 мин при 700°С

~ 2.3×106 c при 550°С

~ 2.1×10-5 c при 700°С

~ 25 мин при 550°С

R. Metzger and F. Allen, Surface Science, 137 397 (1984)

- профиль ВИМС- расчет

T=405°C

2-й слой Si

T=365°C

1-й слой Si

-слой Sb-слой Sb

Сегрегационное размытие профиля концентрации

Пик “расплывается” больше, чем на 100 нм !

Si

Sb

Y.Shiraki, A. Sakai, Surface Science Reports, 59 153 (2005)

Энергия атомов примеси в Si матрице

Sb и Ga энергетически выгодно сегрегировать на поверхность, а B – встраиваться в объем Si матрицы

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

300 400 500 600 700 800Температура, °С

equilibriumregime

kinetically-limitedregime

Температурная зависимость сегрегации Sb в матрице Si

H.Jorke, Surface Science., 193 569 (1988)

surf

bulk

nr

n

Коэффициент сегрегации

(1)

условиясохранения : ( ) ( ) ( )

1 2 1 2 3 1( ) ( ) ( )S S Sn t n t F F P n t ( ) ( )1 2( ) ( ) 1B Bn t n t

( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 1 1 1 3 1( ) ( ) (0) (0) ( )S B S B Sn t n t n n F P n t

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 1 1 2 2 1 2 3 1/ = S B S S B Sdn dt F P n n P n n P n

( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 2 1 1 2 2 1 2/ = S B S S Bdn dt F P n n P n n

Ea1 Ea2

P1P2

Edesorb

surface

bulk

Вероятности обмена:

Обменная модель сегрегации

Ea1Ea2 F1

F2

Si Sb

2 2 2 exp( / )aP E kT 1 1 1 exp( / )aP E kT 3 3 exp( / )desorbP E kT

- Jorke- Hobart et.al.

- Jiang et.al.- Blacksberg et.al.

Температура, °С

Коэ

фф

иц

ие

нт с

егр

егац

ии

Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение обменной модели с экспериментом

Полного подавления сегрегации при низких температурах нет !

Ls

Низкотемпературная сегрегация Sb: модель поверхностной диффузии

J.Nutzel and G.Abstreiter, Phys. Rev. B, 53 13551 (1996)

00 exp( )s

kin

R E

R kT

- длина сегрегации

R – скорость роста, R0=1Å/c, Δ0 и Es– 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

Коэ

фф

иц

ие

нт с

егр

егац

ии

Объединенная модель сегрегации : террасы + ступени

Моделируются обмены в областях (S E и T P) c разными численными значениями параметров.

Нет детализации механизмов обмена.

step terrace

C.Arnold and M.Aziz, Phys. Rev. B, 72 195419 (2005)

Зависимость коэффициента сегрегации от температуры

- Jorke

- Arnold-Aziz

- Nutzel-Abstreiter

- Hobart et.al.

- Jiang et.al.

- Our experiment

Температура, °С

Коэ

фф

иц

иен

т се

грег

аци

и

Методы подавления сегрегации Sb : Ионное легирование

примесь ионизуется …

Si

++

+Sb

легированныйслой

…и вбивается вглубь образца

Недостаток метода : дефектность слоев

…ускоряется электрическим полем…

Методы подавления сегрегации Sb : Осаждение аморфного слоя с последуюшей рекристаллизацией

осаждениеSb

Температура

время

Заращиваниеаморфным слоем

при очень низких ТОтжиг при высоких Т

Рекристаллизация аморфного слоя

Дальнейший рост

Si Si Si Si

аморф.Si аморф.Si Si

В рекристаллизованном слое остаются дефекты !

Методы подавления сегрегации Sb : пассивация поверхности

Si

Si

Si:Sbподача

атомарного H

Для подавления сегрегации Sbпри росте легированных Si:Sb слоев подается атомарный H

P.Thompson et.al., Thin Solid Films, 321 120 (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

Коэ

фф

ицие

нт с

егре

гац

ииИспользуемый нами метод изготовления Si:Sb структур

r ~ 102

r ~ 106

различие более чем на 4 порядка в диапазоне 300≤Tр≤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 (TSb))

Температура источника Sb, °C

По

ток

Sb

, см

-2с-1

- ВИМС- Холл

Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок

Структуры с постоянным уровнем легирования

1 2 3- Si:Sb, Tр=350°C - Si, Tр=550°C - Si:Sb, Tр=325°C

- профиль ВИМС- расчет

предел чувствит. ВИМС

123

Глубина, нм

Кон

це

нтр

ац

ия

Sb

, см

-3дополнительное осаждение δ-слоя Sb

измерения ВИМС – к.ф.-м.н. Дроздов М.Н.

δ-Sb слои

Глубина, нм

Кон

це

нтр

ац

ия

Sb

, см

-3

Структуры с -слоями Sb в Si

Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок, FWHM ~ 3-4 нм

δ-Sb слои:

Тр=365°С

нелегиров. Si слои:

Тр=550°С

Позиция пика, нм

Кон

це

нтр

ац

ия

Sb

, но

рм. е

д.

-слой Sb в Si : предел разрешения ВИМС

эксперим. профиль

“эталонный” δ-слой

“Эталонный” слой – δ-Sb слой, зарощенный аморфным Si при Т<100°С, сегрегации нет

Сегрегация в гетероструктурах SiGe

Qsegr

Qinc

В сжатых Si1-xGex слоях с ростом XGe 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, 69 155414 (2004)

Сегрегация в гетероструктурах SiGe

strained Si0.85Ge0.15

relaxed Si0.85Ge0.15

strained

relaxed

Разделение влияния состава и упругих напряжений

T=200°C

Si(001)Si слой

Si0.95Ge0.05

Si слой

Sb

Глубина, нм

Ко

нц

ентр

аци

я S

b,

см-3

Si(001)Si слой

Si0.85Ge0.15

Si слой

Sb

Глубина, нм

Ко

нц

ентр

аци

я S

b,

см-3

Tр=410°C Tр=410°C

Si1-xGex (x=5%) r = 4500

Si r = 500Si1-xGex (x=15%) r = 11000

Si r = 500

Сегрегация в гетероструктурах SiGe

Спасибо за внимание !

Определение коэффициента сегрегации из профиля ВИМС

x = x0

K.D. Hobart et.al., Surface Science, 334 29 (1995)