Введение

Значимость разработок научных решений как для отраслей экономики, так и для хозяйствующих субъектов не вызывает сомнений. Научные решения вносят весомый вклад в развитие экономики в целом, технологический рост, повышению конкурентоспособности. Разработка научных решений процесс длительный, а обоснование научных решений является важным этапом для принятия эффективных решений. В современном мире широкое развитие и применение в самых разных отраслях науки и техники находят наноматериалы и нанотехнологии.

Нанопленки представляют собой тонкие слои материала толщиной от долей нанометра до нескольких микрометров. Они представляют собой границу атомарной толщины с окружающей средой, где происходит подавляющее большинство физико-химических процессов. Соответственно, наличие тонкого слоя определенного материала может повлиять на его поведение и предоставить рычаги для разделения объемной и поверхностной инженерии. Послойное осаждение является распространенным методом осаждения функциональных тонких пленок. В случае малых различий в параметрах решетки обоснована целесообразность предварительного нанесения на подложку низкотемпературного подстилающего слоя. А при достаточно сильно различающихся параметрах решетки – дополнительных переходных слоев с изменяющимся соотношением компонентов в композиции или в виде сверхрешеток.

Обоснована необходимость разработки типовых моделей гетероструктур для создания исходной архитектуры в случае использования приборно-технологического проектирования. Кроме того, подчеркнута важность моделирования процессов возникновения механических напряжений и оптимизации их распределения. Построение рациональной архитектуры гетероструктуры, в частности ее пассивной части «подложка – буферный слой – канальный слой», позволяет существенно снизить или устранить отрицательное влияние механических напряжений на прогиб структур, вид структурных дефектов и, как следствие, добиться требуемых характеристик конечных изделий.

Наиболее полно параметры пластин, в частности кремния, используемых в качестве подложек в полупроводниковом приборостроении, описаны в стандартах SEMI [1]. Однако в некоторых конкретных случаях необходима более полная характеристика подложек, особенно их поверхностных свойств, при создании приборов с наноразмерными активными и пассивными элементами.

Ниже на примере пластин полупроводниковых материалов, используемых в качестве подложек для эпитаксиальных структур, рассмотрены свойства реальных поверхностей. Кроме того, дан анализ зависимости этих свойств от технологии их получения, характеристик сопрягаемых материалов и технологических режимов эпитаксии. В работе [2] было отмечено, что этими параметрами определяется также и надежность конечных приборов, устойчивых к внешним воздействиям.

Реальная поверхность подложки

По мнению авторов, о качестве реальной поверхности подложки наиболее достоверно можно судить по данным экспериментов по прямому сращиванию двух полупроводниковых пластин. Зависимость прочности прихвата состыкованных кремниевых пластин от остаточного зазора между ними [3, 4]. Максимальная прочность прихвата, соответствующая теоретическому пределу , наблюдается при зазоре, близком к межатомному расстоянию. В этом случае имеет место кулоновское взаимодействие между атомами кремния сопрягаемых пластин. Наибольшая прочность прихвата, достигнутая на практике, как правило, ниже . Такая существенная разница объясняется возникновением достаточно больших зазоров, вызванных следующими причинами:

1. Зазор между стыкуемыми поверхностями, как правило, превышает межатомное расстояние в монокристаллической решетке кремния вследствие шероховатости этих поверхностей. Поверхности пластин массового производства обычно имеют шероховатость на уровне постоянной решетки  и более, в особых случаях ее можно сделать несколько меньше .
2. Зазор также зависит от толщины «покрывала» на поверхности подложки из сорбированных молекул газов, воды, атомов металлов, углерода, бора и других элементов. При неблагоприятных условиях из-за заметной толщины «покрывала» зазор может достигать значений до и более. Это будет обуславливать взаимодействие между атомами поверхностных слоев сопрягаемых пластин кремния по типу Ван-дер-Ваальса, для которого характерна прочность прихвата . Кроме того, зазор между пластинами может заметно возрастать за счет несанкционированного попадания на поверхность наноразмерных пылевидных частиц, кластеров типа ,  и других. Все они оказывают заметное влияние на образование различных поверхностных дефектов в создаваемых структурах.

Следует учитывать, что реальная поверхностная структура кристалла существенно отличается от объемной вследствие появления на поверхности «оборванных» химических связей и нарушения равновесия сил взаимодействия между атомами в приповерхностных слоях. Поэтому расположение атомов в поверхностных слоях и в объеме кристалла различно, так как они образуют поверхностную кристаллографическую двумерную периодическую структуру, в общем случае отличающуюся от структуры плоскости разрыва [5, 6]. Существенные изменения положений атомов происходят не только в первом поверхностном слое, но и в последующих.

Эти изменения убывают от слоя к слою в глубь кристалла, и на некотором расстоянии от поверхности расположение атомов становится точно таким же, как и в объеме. Поверхностные изменения положения атомов наиболее ярко проявляются за счет реконструкции, т. е. перестройки структуры с понижением симметрии поверхностного слоя атомов. В случае полупроводниковых кристаллов свободная поверхность нестабильна из-за наличия большого количества ненасыщенных (оборванных) связей. Для уменьшения свободной энергии поверхности атомы смещаются из своих первоначальных положений, чтобы появилась возможность образовывать связи друг с другом. Дальнейшее уменьшение энергии поверхности происходит за счет переноса заряда между оставшимися ненасыщенными связями (в результате некоторые из них становятся незаполненными, а другие заполненными). С другой стороны, смещение атомов приводит к возникновению механических напряжений в решетке, что увеличивает свободную энергию поверхности. Результат противодействия этих двух тенденций и определяет конкретную структуру реконструированной поверхности. Обычно реконструкция верхнего слоя сопровождается релаксацией более глубоких слоев.

Пример реконструкции поверхностного слоя кристалла кремния с образованием структуры , так называемых димеров [7]. Отметим, что на реконструкцию влияют следующие факторы:

• степень покрытия поверхности;
• плотность поверхностных состояний;
• вид и характер взаимодействия адсорбированных атомов и атомов сорбента;
• дефекты структуры поверхности;
• температура и т. д.

В свою очередь, от вида реконструкции зависят важнейшие характеристики процесса адсорбции. Например, поверхностная диффузия на порядки выше на реконструируемой поверхности, чем на нереконструируемой [8].

Типичные поверхностные дефекты обычно классифицируют в соответствии с их размерностями [9-11]. К линейным дефектам относят ступеньки, чаще моноатомной высоты, которые разделяют террасы, а также дислокации и границы доменов. К точечным дефектам относят адсорбированные атомы и вакансии на террасах, изломы, адсорбированные атомы и вакансии на ступенях, а также дефекты атомного замещения на поверхности полупроводниковых соединений. К трехмерным дефектам – включения, микродефекты, выделения второй фазы, микротрещины.

Чаще всего дефекты имеют электрический заряд и даже в малых концентрациях могут играть решающую роль во многих процессах на поверхности, таких как адсорбция, поверхностная диффузия, химические реакции и рост тонких пленок.

Таким образом, реальные поверхности подложек практически всегда имеют конечное значение шероховатости и покрытие из адсорбированных химических соединений, атомов и пылевидных частиц, реконструированную структуру поверхности и, следовательно, определенную плотность поверхностных состояний, различного вида объемные, линейные и точечные дефекты. Все это необходимо учитывать при создании архитектуры гетероструктур и организации технологического процесса их получения.

Формирование низкотемпературного буферного слоя

Рассмотрим осаждение кремния на кремний с использованием технологии молекулярно-лучевой эпитаксии. Процесс начинается с подготовки подложки – удаления «покрывала» из сорбированных химических элементов и упорядочения структурных дефектов. Для этого помещаемые в установку пластины подвергают термообработке, облучению ионами, отжигу и другим воздействиям. Эффективность указанных приемов очистки поверхности подложки контролируют различными инструментальными методами непосредственно в процессе очистки. Однако даже после такой интенсивной очистки поверхность подложки остается шероховатой из-за различного рода дефектов и частиц, покрытой примесями из-за вторичных загрязнений и реконструированной. Если не предпринимать специальных мер предосторожности, такие дефекты при эпитаксии будут обусловливать образование структурных дефектов в растущей пленке [13].

Большая часть «оборванных» связей нейтрализована за счет реконструкции поверхности и закрепления на ней различного рода загрязнений на предварительной стадии (подготовки исходных пластин). Поэтому первичный процесс осаждения, например атомов кремния, идет по механизму физической адсорбции. Адсорбированные атомы диффундируют по поверхности к местам локализации структурных дефектов, имеющих свободные связи и (или) большие механические напряжения в местах их расположения. Это позволяет адсорбированным атомам образовывать ковалентные связи с атомами подложки и локализоваться преимущественно в области дефектов. Этот процесс на начальном этапе эпитаксии наиболее эффективно протекает при достаточно низких температурах (350-450 °С). Используя данный прием, можно предварительно заметно сгладить потенциальный рельеф и тем самым обеспечить более высокое качество поверхности для последующего роста эпитаксиальной пленки. Последний, как правило, протекает при более высоких температурах.

Рассмотрим проблему получения переходных слоев  с низким содержанием структурных дефектов, которые имеют важные практические приложения [13]. При создании гетероструктуры из двух разнородных материалов, отличающихся в первую очередь параметрами решетки и температурным коэффициентом расширения, неизбежно возникают дислокации несоответствия (ДН) и пронизывающие дислокации (ПД). Первые определяют степень релаксации механических напряжений, вторые по нормали к границе раздела выходят через толщу пленки на ее поверхность. Возникает задача: каким образом дать возможность релаксировать механическим напряжениям в растущей пленке и предотвратить образование ПД. Пути решения этой задачи всесторонне рассмотрены в работах [14, 15]. Отмечено, что в пленках , выращенных при температуре 550 °С в стандартных условиях, плотность ПД составляет , что абсолютно неприемлемо при изготовлении приборов. В последние годы предложены различные варианты технологических приемов снижения плотности дислокаций в структурах . Наиболее привлекательным из них является метод двухстадийного наращивания на подложку  сначала подстилающего слоя  при низкой температуре , а затем переходного слоя  при более высоких температурах. В этом варианте были получены гетероструктуры с плотностью ПД не выше .

При отработке технологии выращивания бездислокационных монокристаллов кремния обнаружено, что источники зарождения дислокаций, как правило, формируются на поверхности затравки и в ее объеме еще до начала выращивания монокристалла, а затем они размножаются в процессе роста [17]. Аналогичная ситуация возникает и в случае эпитаксиального роста пленок. Такими источниками могут быть дислокации в исходной подложке, различного рода дефекты на поверхности, агломерации примеси и другие дефекты, вызывающие большие колебания в потенциальном рельефе. Эти источники начинают работать как при повышении температуры, так и при увеличении толщины пленки в процессе роста за счет возрастающих механических напряжений. При определенных условиях образующиеся ДН могут формировать сетку дислокаций на границе раздела, что увеличивает вероятность аннигиляции ПД. Снижению плотности центров зарождения дислокаций способствуют тщательная очистка поверхности подложек перед эпитаксией, предотвращение вторичного загрязнения поверхности во время эпитаксии, наращивание при низких температурах подстилающего слоя.

Формирование буферного слоя переменного состава

Следует отметить, что применение низкотемпературного кремния в качестве подстилающего слоя не всегда позволяет решить проблему снижения плотности дислокаций и других дефектов в растущей пленке. Например, не блокируется образование дефектов на внешней поверхности эпитаксиальной пленки из-за дальнодействующего потенциала, которым обладают некоторые дефекты, присутствующие на поверхности подложки. Схема «искусственного» образования «зеркального» дефекта на растущей пленке и локальное образование на нем квантовой точки [17]. На первом этапе на поверхность подложки предварительно наносят дефекты в виде кластера загрязняющей примеси с острия зонда микроскопа. Затем поверхность заращивается пленкой из того же материала, из которого изготовлена подложка, в рассматриваемом случае это . «Зеркальный» дефект на внешней поверхности представляет собой углубление пирамидальной формы. Если эту процедуру используют для создания квантовых точек, то далее на структуру подают элементы соединения , и за счет самоорганизации в углублениях проходит наращивание этих точек. По сути, дефекты выступают в качестве геттера для атомов примесей и центрами образования химического соединения. При создании структур с квантовыми точками образование «зеркальных» дефектов является положительным фактором. Однако в случае изготовления гетероструктур, используемых для электронных устройств, «зеркальные» дефекты будут играть отрицательную роль. Они оказывают влияние на шероховатость поверхности на гетерограницах, а также на размеры области коррелированного движения носителей заряда, заметно снижая их подвижность. Следует также иметь в виду возможность превращения подобных дефектов в источник размножения дислокаций при возрастании механических напряжений с увеличением толщины эпитаксиальной пленки. Таким образом, для нейтрализации дефектов с большим дальнодействующим потенциалом требуются иные технологические приемы, но для этого необходимо знать их природу.

Другим ограничивающим фактором снижения плотности дислокаций в гетероструктуре за счет предварительного нанесения подстилающего слоя является конкуренция образования концентраторов напряжений. При умеренных различиях в параметрах решетки преимущественную роль в образовании дефектов структуры при эпитаксии играют «биографические» дефекты, находящиеся на подложке. В этом случае подстилающий слой сглаживает потенциальный рельеф поверхности подложки и, таким образом, существенно снижает плотность центров зарождения дислокаций. При более значимых различиях параметров решетки образование концентраторов напряжений начинает проходить и на поверхности растущей пленки, и в ее объеме. Такая ситуация, например, имеет место при выращивании раствора  при х > 0,3 [15]. Наносимый предварительно на подложку подстилающий слой в этом случае не может нейтрализовать рассматриваемые концентраторы напряжений. Поэтому целесообразно ввести еще один технологический прием нанесения пленки  (при х > 0,3) с поэтапно или непрерывно меняющимся составом – соотношением компонент, что в совокупности позволит получать структуры с допустимой плотностью ПД. Аналогично комбинация предварительного выращивания подстилающего слоя  на подложке  и последующего нанесения многослойной композиции, например, в виде сверхрешетки , дает возможность создавать буферные слои с достаточно низкой плотностью дислокаций [18].

Заключение

Показана целесообразность введения в типовую модель гетероструктуры буферного слоя в виде подстилающего слоя (при малых различиях параметров решетки) или в виде композиции «подстилающий слой – переходной слой» с изменяющимся соотношением компонент или в виде сверхрешетки (при заметных различиях параметров). Это позволит оптимизировать механические напряжения и, следовательно, снизить плотность дислокаций.

Для решения проблемы оценки качества поверхности пластин непосредственно перед операцией эпитаксии можно предложить определение значения прихвата пластин при их контрольном сращивании.