Способ получения монокристаллических пленок полупроводниковых материалов Советский патент 1992 года по МПК H01L21/203 

() 15.12.92 Бюл. К 6 (21) 4237766/25 22) 29.04.87

(71)Институт радиотехники и электрокики АН СССР

(72)Ю.В.Гуляев, И.М.Котелянский, В.А.Луэанов и С.А.Тараканова

-

(56)Mender E. et al. Optical properties of GaSb-AlSb superlattices.

J.Vac. Sci. Technol. 1983,-BI(2), p. li 2- 54.

Taked T. et al. Growth of ZnS/ZnTe and ZnSe/ZnTe superlattices by molecular beam epitaxy and atomic layer epitaxy. Surface Sci, 1986, N 174, p. 548-549.

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

(57)Изобретение относится к техно- логин получения тонких (несколько мо- носпоев) полупроводниковых пленок для твердотельных устройств микроэлектроники и может быть использовано, в частности, для получения таких перспективных полупроводниковых структур, как сверхренютки. Цель изобретения - повишение однородности пленки по гтехиомртрическому составу , по толщине, по площади подложки и в партии при одновременном увеличении

производительностн процесса. Осаждение компонентов проводят в пространственно разнесенных зонах осаж-1 дения. Подложку врастает с постоянной скоростью V4(l-Vp)hM, где 1 размер пучка в направлении движения подложки; Vp - скорость роста осаждаемого вещества на подложке заданной кристаллографической ориентации при заданной температуре осаждения и плотности потока; hM - толпи-ш -1 монослоя осаждаемого вешества. Нанесение еле- дующего монослоя проводят через промежуток времени, не меньший времени десорбции физически адсорбированных атомов на рабочей поверхности подложки при заданной температуре осаждения. Для усиления поверхностной диффузии хемисорбированных атомов во время перемещения подложки вне потока осаждаемого вещества на осажденную пленку воздействуют излучением с длиной волны, равной (h-cJ/E Л (h-c)/E0, где h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; Е. - энергия активации поверхностной диффузии хемисорбированных атомов на поверхности подложки заданной кристаллографической ориентации; Пр - энергия десорбции физически адсорбированных атомов. 1 з.п. ф-лы.

00 Јь

Ј0

Изобретение относится к технологии получения монокристагшических пленок молупровоцннконых материалов для i Rt- рцот лмчлх устройств микроэлектроники и бьп ь использовано, в частности, для изготовления сверхрегаеток.

Цель изобретения - повышение однородности пленки по стехномртрнчегко- му составу, по толщина, по плопи дн

подложки и в партии при одновременном уреличении производительности процесса.

Сущность способа состоит в последовательном осаждении монослоев компонентов материала пленки в пространственно разнесенных зонах осаждения, причем нанесение следующего монослоя проводят через промежуток времени, не меньший времени десорбции физически адсорбированных атомов на рабочей поверхности подложки при заданной температуре осаждения.

В указанных условиях осаждения стало возможным проводить послойную молекулярно-лучевую эпитакеию и воспроизводимо получать однородные по стехиометрическому составу, ст-епени кристаллического совершенства и толщине пленки на всей площади не только одной подложки, но и всей серии подложек в одном цикле.

Данный способ позволил отказаться от системы заслонок, блока синхронизации режима их работы и управляющей ЭВМ, что существенно упрощает конструкцию установки и повышает производительность.

Способ позволяет расположить по 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, усиливающим поверхностную миграцию хемисорбированных атомов и ускоряющим десорбцию физически адсорбированных атомов

-14841914

может быть рассчитано или определено экспериментально с покощый измерения временной зависимости плотности потока десорбированных атомов с поверхности подложки при заданной температуре осаждения. Максимальное время между последовательным осаждением монослоев компонентов ограничивается

IQ процессом загрязнения поверхности осажденного монослоя остаточным ва- |куумом, а также снижением производительности установки при увеличении времени выдержки между последова15 тельным осаждением монослоев.

Температура осаждения выбирается большей, чем так называемая критическая температура, выше которой коэффициент прилипания становится мень20 шим единицы и возможно наращивание ратура осаждения определяется слеэпитаксиальноеЭкспериментально темпе25

30

35

40

дующим образом. На подложку при комнатной температуре осаждают пленку 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 подложки 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 из области Перекрытия возможных температур получения стабильной поверхности для каждого компонента.

Скорость перемещения подложки выбирается такой, чтобы она обеспечивала при заданных температуре осаждения и плотности потока осаждения на рабочей поверхности подложки количе- 45 ства атомов, немного большее или равное количеству, необходимому для образования одного монослоя хемисорбированных атомов. Значительное уменьшение скорости перемещения подложки « нежелательно из-за снижения произвот- дительности и лишнего расхода материалов .

Минимальное время между последовательным осаждением двух монослоев,, определяется временем десорбции физически адсорбированных атомов на рабочей поверхности подложки при заданной температуре осаждения, которое

возможно ния определяется слеэпитаксиальноеЭкспериментально темпе5

0

5

0

5

,

дующим образом. На подложку при комнатной температуре осаждают пленку 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 подложки 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 из 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 поверхности рзстушей пленки. Период осцилляции равен времени наращивания одного монослоя компонента.

При выбранной ширине шели 1, оп- ределяюптеп размер пучка в направлении движения подложки, скорость перемещения подложки определяется из формулы

v Уч ьч

где Vp скорость роста}

Ьц - толшина монослоя. Для усиления поверхностной диффузии хемисорбированных атомов компонента и ускорения десорбции физически адсорбированных атомов, а следовательно, для улучшения степени кристаллического совершенства пленки , в промежутках между осаждением монослоев на поверхность растущей пленки воздействуют излучением с длиной волны

h -с / / h с

ЁГ§

где h - постоянная Планка;

с - скорость света в вакууме; Е - энергия активации поверхностной диффузии хемисорбировэнного атома на поверхности подложки заданной кристаллографической ориентации; ЕЗ - энергия десорбции физически

адсорбированного атома. Энергия излучения выбирается такой, чтобы хемисорбированные атомы, находящиеся вне дна потенциального рельефа поверхности, поглотив квант света с выбранной длиной волны, имели возможность за счет поверхностной диффузия занять положения, соответствующие минимуму потенциальной энергии, т.е. занять положения, соответствующие наилучшему кристаллическому совершенству структуры. Плотность мощности излучения W оценивается из h.c Л

условия W

N

где N

tf.1f -U см поверхностная плотность атомов, и по порядку величины составляет У v 1-х- (Гг-10 Дж/смг. Длина волны излучения определяется для каждого компонента в отдельности. Пример 1. Осаждение монокристаллической пленки CdTe проводят на подложки CdTe ориентации (ПО) в - сверхвысоковакуумной установке моле- кулярно-лучевой эпитаксии.

Установка содержит систему откачки, рабочую камеру, в которой размешен барабан-подложкодрржзтель диаметром 100 мм и высотой 30 мм. По периметру камеры последовательно размещены иойиый источник для очистки подложек, источник молекулярных пучкой Cd и источник молекулярных пучков Те. Эффузионные ячейки Cd и Те расположены друг напротив друга с противоположных сторон барабана. Ширина щели для паров Те - 10 мм. Длина щели 1№ JQ 20 мм. Щели расположены на расстоя-; нии 1 мм от рабочей поверхности подложек.

Подложки из монокристалла CdTe

ориентации (НО) размером Ixi смг в

5 количестве 20 штук закрепляют на

внешней боковой стороне барабана. Рабочую камеру откачивают до предельного вакуума 10 Па, напускают поток аргона до 10 Па, включают вращение

0 барабана со скоростью 12 об/ч и йклю- . чают ионный источник для очистки рабочей поверхности подложек. Рабочие параметры ионного источника: U«l KB, I &0,2 А, диаметр ионного пучка

5 50 мм, ширина щели 20 мм, длина щели 20 мм. Очистку проводят в течение (30 мин. Затем ионный источник выклю- чают, останавливают вращение барабана и откачивают рабочую камеру до

0. 10 Па. Включают нагрев подложек, на- гревакт их до температуры 600 К, отжигают в течение 30 мчн, после чего температуру снижают до температуры осаждения 540 К.

g Закрытые заслонками эффузионные ячейки Cd и Те нагревают до температур 580 К и 670 К соответственно и выдерживают в течение 15 мин для стабилизации режимов их работы. После

0 прогрева эффузионных ячеек включают вращение барабана со скоростью 12 об/ч, открывают заслонки и через щели проводят последовательное осаждение монослоев Cd и Те.

5 При указанных режимах в одном цикле на 20 подложек за 10 ч осаждают 120 монослоев соединения CdTe.

Полученные пленки CdTe толщиной 1000 А имели гладкую зеркальную по0 верхность.

Пример 2. Осаждение монокристаллической пленки GaAs проводчт на подложки GaAs ориентации (100). Источниками атомов Ga и As являются

e потоки газов - триметилгаллия (TMG) и эрсина (AslI) соответственно. Между газовыми вводами TMG и AsH3 для усиления поверхностной диффу ни хемисорбированных атомов Ga и As установлены источники оптического ичлу- чения. Подложки изготовлены из монокристалла GaAs ориентации (100). Диаметр подпокек 15 мм, количество подложек 15 штук.

Осаждение проводят аналогично примеру при следующих режимах,: температура осаждения 870 К, скорости напуска газов 7 Ш Па-л/с- (для АрН4) и 1, Па-л/с (для TMG), ширина щели для потока арсина 2 мм, для потокаTMG 1тмз -5 мм,длина щелей 20 мм, рабочие параметры оптического излучения: длина волны для атомов G - 0,8 мкм, для атомов АзАЛЈ i 2,5 мкм, плотность мощности - для атомов Ga 10 Дж/см а, для атомов As Мд5 Дж/см% ширина щелей оптического излучения 20 мм, длина щелей 20 мм.

При указанных условиях скорость вращения барабана - 20 об/ч. В одном цикле на t5 подложек за 10 часов осаждают 200 монослоев соединения

GaAs.

Пример 3. Получение сверхрешетки ZnSe-ZnTe проводили на подложках GaAs ориентации (lOQj, размером 1у 5 см8- в количестве 30 штук из молекулярных пучков. Источники молекулярных пучков располагались по периметру рабочей камеры в следующей последовательности: первая пара - источник Zn - источник Se; вторая па- ipa - источник Zn - источник Те и т.д. Всего установлено по 5 пар источников.1 Осаждение проводили аналогично примеру } при следующих режимах: диаметр барабана-подпожкодержателя - 200 мм, высота - 30 мм, температура осаждения 280 С, температуры источников молекулярных пучков: Т%„ - 580 К, Т Se 430 К, ТГ( 670 К, ширина .щелей источников: 1чп- 5 мм, 1$в 10 мм, ° 5 мм, lfe 10 мм, длина щелей 20 мм. Скорость вращения барабана при этих условиях составляла 6 об/ч. Полученная структура из 100 монослоев имела гладкую поверх- ность.

Таким образом, по сравнению с и«- вестнымн данный способ позволяет воспроизводимо получать монокристапли-1 ческие пленки различных полупроводниковьга соединений с высокой степенью однородности по стехиометрическому составу и более говергаенные по крис- талпической 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 монокгисталли- ческих пленок полупроводниковых мате- риалов методом послойной молекулярно- лучевой эпитаксии,включающий нагрев подложки в вакууме до температуры осаждения и последовательное осаждение мо- нослоев компонентов материала путем подачи на рабочую поверхность подложки потока вещества, отличающ и и с-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 подложку вращают с постоянной скоростью

v ,

ПМ

где 1 - размер пучка в направлении

движения подложки; Vp - скорость роста осаждаемого вещества на подложке заданной кристаллографической ориентации при заданной температуре .осаждения и плотности потока; 4 Ьц - заданная толщина монослоя

осаждаемого вещества, причем нанесение каждого следующего монослоя проводят через промежуток времени, не меньший времени десорбции физически адсорбированных атомов на рабочей поверхности подложки.

Ed ES где - постоянная Планка;

с - скорость света в вакууме; Е4 - энергия активации поверхностной диффузии хемнсорбированных атомов на поверхности

9I48419IЮ

подложки заданной кристалле-Е5 - энергия десорбции физически

графической ориентации;адсорбированных атомов.