Дислокационная структура напряженных полупроводниковых гетеросистем пленка - подложка

2
Список основных использованных обозначений
Ь - толщина пленки.
И - толщина подложки.
8 - вектор обратной решетки.
Ь - вектор Бюргерса.
Ьк - проекция краевой составляющей Ь на границу раздела.
Ь„ - проекция Ь на направление дислокации.
№;0 - энергия дислокации единичной длины.
с! - среднее расстояние между дислокациями несоответствия при протекании пластической релаксации.
с10 - расстояние между дислокациями несоответствия после полного снятия напряжений несоответствия.
/ - параметр несоответствия сопрягаемых слоев / = (<я,- - а$)/а$ , где а -
параметр кристаллической решетки, а индексы б и Г относятся, соответственно, к подложке и пленке.
ть - проекция сдвиговых напряжений, действующих в плоскости скольжения дислокации, на ее вектор Бюргерса Ь.
*
а - угол между Ь и линией дислокации (главы 1 - 5).
« - угол установки кристалла (при повороте вокруг Брэгговской оси), при котором на топограмме регистрируются точка сжатия отражающего контура (глава 6).
(3 - угол между плоскостью скольжения Д11 и границей раздела.
3
л - угол между b и линией, лежащей в границе раздела перпендикулярно ДН.
Ц1 - угол между b и осью Оу, параллельной прямолинейному краю пленки.
у - угол между сингулярной и вицинальной плоскостями (001).
0 - угол Брэгга (глава 6).
[101] (наклонные квадратные скобки) - обозначение кристаллического направления с индексами Миллера 1,0, I.
[101] (прямые квадратные скобки) - обозначение библиографической ссылки № 101 единого списка литературы
[Noskov (1988) №228] - ссылка на работу № 228 единого списка литературы. Такие обозначения используются для ссылок на работы [201 - 291], которые выполнены в соавторстве с диссертантом. Первым автором статьи [228] является Носков А. Г.
Список использованных сокращений
ДН - дислокация несоответствия.
60' ДН - так называемые шестидесятиградусныс дислокации несоответствия, которые скользят в плоскостях типа {111} имеют угол между вектором Бюргерса и направлением дислокации 60°.
ПД - пронизывающая дислокация.
ДСП - далыюдействующис сдвиговые напряжения.
ДК -дислокационная конфигурация.
РИ - рентгеновский интерферометр.
1 [К - пористый кремний.
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................... 11
Глава 1. Винтовая составляющая дислокаций несоответствия и структурное состояние гстсроэнит аксиальных пленок 26
1.1. Винтовая дислокационная составляющая и проблема управления процессом снятия напряжений несоответствия (обзор литературы)..............................................26
1.2. Энергия семейства одноименных дислокаций несоответствия ...34
1.2.1. Компенсация напряжений несоответствия в случае семейства чисто краевых ДН..................................34
1.2.2. Далънодействующие сдвиговые напряжения, создаваемые семейством одноименных сметанных ДП.........................38
1.3. Влияние дальнодействуюших сдвиговых напряжений на структуру эпитаксиальной пленки.............................42
1.3.1. Возникновение фрагментарной структуры как вариант пластической релаксации дальнодействующих сдвиговых напряжений..................................................42
1.3.2. Образование трещин как вариант хрупкой релаксации сжимающе-растягивающих напряжений пленки....................52
Выводы...........................................................56
5
Глава 2. Анализ процесса пластической релаксации
эпитаксиальных гетеросистем................................58
2.1. Обсуждение постулатов, используемых при изучении введении дислокаций несоответствия, и постулатов предлагаемой модели (критический анализ и обзор литературы).........................................................58
2.2. Изменение упругой энергии гетеросистемы при введении краевых дислокаций несоответствия...............................61
2.2.1. Случай гетеросистемы, содержащей два бесконечно толстых слоя...................................................61
2.2.2. Протекание процесса релаксации в кристаллической системе пленка - полубесконечная подложка......................65
2.3. Сравнительный анализ различных стадий процесса релаксации в рамках классической теории и но предлагаемой модели..............................................................72
Выводы.............................................................81
Глава 3. Распространение классической модели введения ДН па
процессы пластической релаксации подложек................83
3.1. Пластическая релаксация полупроводниковых подложек
(обзор литературы)............................................83
6
3.2. Определение критической толщины сплошной пленки при формировании ДН дислокациями подложки..........................85
3.3. Два основных тина дислокационной структуры подложек (Ь-дислокации и с-дислокации)....................................101
3.4. Определение критической толщины полосок пленки, разделенных полосками подложки................................111
3.5. Изменение формы Ь- и с-дислокаций в результате дислокационных реакций........................................117
Выводы............................................................125
Глава 4. Определение критических условий для образования дислокаций несоответствия из анализа формы неустойчивых и стабильных конфигураций............................127
4.1. Получение основных выражений.................................127
4.2. Образование дислокационных конфигураций в гетеросистеме
со сплошной пленкой...........................................132
4.2.1. Образование ДН дислокационными конфигурациями пленки 132
4.2.2. Образование ДН дислокационными конфигурациями
подложки................................................ 140
4.3. Критические условия для образования дислокаций вблизи одиночного края пленки....................................... 143
7
4.3.1. Критические толщины для введения дислокаций в рамках аналитической модели...............................................145
4.3.2. Сравнение результатов аналитической модели и термоупругой задачи................................................150
4.4. Влияние формы и размера островков пленки на начало
пластической деформации подложек...................................159
4.4.1. Два типа равновесных дислокационных петель в подложке
под островками пленки....................................... 160
#1. Критические толщины пленки в случае островков
ограниченного размера.....................................160
#2. Равновесные дислокационные петли в подложке под
круглым островком пленки..................................163
4.4.2. Зависимость критической толщины пленки от размера
островков....................................................166
#1. Зависимость величины Ьс от диаметра круглых
островков.................................................166
#2. Сравнение значений Ьс для крутых островков и
полосок пленки............................................168
4.4.3. Экспериментальное исследование дислокационной
структуры подложек под островками пленки.................... 170
и 1. Дислокации под островками круглой формы.................171
8
І12. Сравнение критических толщин круглых островков пленки и отдельных полосок. Дислокации под группами
полосок.................................................1 74
4.5. Особенности формы стабильных дислокационных
конфигураций под полосками пленки и определение уровня механических напряжений......................................181
4.5.1. Особенности формы вблизи линий ц = 0 и линий ть = т*акс 181
4.5.2. Определение механических напряжений из анализа формы стабильных дислокационных конфигураций.......................... 189
Выводы............................................................... 194
Глава 5. Протекание пластической релаксации при введении семейств 60 дислокаций несоответствия в границу раздела (001).......................................................198
5.1. Образование неподвижных пронизывающих дислокаций как результат взаимодействия подвижных дислокационных участков.............................................................198
5.2. Снятие напряжений несоответствия при образовании Г-
образных ДІЇ.....................................................209
5.2.1. Возникновение Г-образных дислокаций несоответствия на
начальной стадии процесса релаксации.......................209
9
5.2.2. Протекание процесса релаксации при. накапливании Г-
образиых дислокаций несоответствия в границе раздела......212
5.3. Критическая толщина пленки при введении ДН в вицкнальные границы раздела (001)............................. 225
5.4. Особенности возникновения пронизывающих дислокаций при образовании дислокаций несоответствия различными механизмами........................................................230
Выводы.............................................................239
Глава 6. Развитие методических возможностей дифракционной и интерференционной рентгеновской топографии для изучения эпитаксиальных слоев......................................241
6.1. Рентгенотопографическое определение искажений объемных
кристаллов и сверхрешеток......................................243
6.1.1. Особенности поведения отражающих контуров при топографии объемных кристаллов.................................243
6.1.2. Определение искажений сверхрешетки из анализа
поведения отражающих контуров.............................252
#1. Влияние искажений сверхрешетки на поведение
отражающих контуров....................................252
#2. Обработка экспериментальных данных с помощью
матриц отражающих контуров.............................257
10
6.2. Эпитаксиальный пленочный интерферометр - новый
инструмент исследования псевдоморфных слоев...................268
Выводы............................................................280
Основные результаты...............................................283
Личный вклад автора...............................................288
Литература........................................................291
11
Введение
В настоящее время развитие технологии эпитаксии в значительной мерс определяется уровнем понимания процессов пластической релаксации напряжений несоответствия. Такие проблемы, как перенос компонентов к поверхности подложки, хемосорбция на данной поверхности атомов пленки, управление механизмами двумерного роста исевдоморфного слоя в настоящий момент являются существенно более разработанными по сравнению с проблемой снятия напряжений несоответствия в растущем эпитаксиальном слое. Задача управления типом дислокаций несоответствия (ДН) при гетероэпитаксии впервые была сформулирована в 1980 г. С.И. Стениным. В работах, выполненных под его руководством, были рассчитаны и
экспериментально подтверждены условия управляемого перехода от частичных дислокаций несоответствия к полным. Было показано, что управление типом ДН тем проблематичней, чем выше параметр несоответствия f (относительная разность постоянных кристаллических решеток сопрягаемых слоев). Благодаря переходу от сингулярной ориентации границы раздела (111) к вицинальным была продемонстрирована возможность выращивания эпитаксиальных пленок, имеющих величину f около 1%, без дефектов упаковки. В настоящее время основными дефектами, на устранение которых направлены попытки
управления процессом снятия напряжений несоответствия, являются
пронизывающие дислокации (ПД). Природа их образования тщательно изучается в мировой литературе. Появление данных дефектов в значительной
12
мере определяется количеством вводимых дислокационных семейств. 11оэтому предпринимаются исследования по их отфильтровыванию.
Тем не менее, несмотря на активные теоретические и экспериментальные исследования данной проблемы, в настоящее время пленки, выращиваемые на подложках удовлетворительного структурного качества, неизбежно оказываются более дефектными, чем подложки, если величина Г составляет 1% или более. Это, в частности, тормозит развитие такой отрасли технологии, как получение высокосовершенных объемных кристаллов различных полупроводниковых соединений с применением эпитаксии. Данная технология может быть развита на основе бездефектного слиточного кремния с диаметром подложек достигающим нескольких дециметров. В ряде случаев присутствие ПД не позволяет экспериментально зарегистрировать на современных структурах полупроводниковой электроники теоретически предсказываемые электронные и оптические свойства.
Решение проблемы управления типом вводимых ДН невозможно без знания основополагающих свойств данных дефектов. Известно, что дислокации бывают лево- и правовинтовыми и тип винтовой составляющей является фундаментальным свойством дислокации. Однако его влияние на пластическую релаксацию напряжений несоответствия в литературе не изучено. До появления работ, выполненных диссертантом, (начало 80-х годов) в литературе также отсутствовали исследования пластической релаксации подложек на основе анализа равновесных дислокационных конфигураций в неоднородных полях
13
напряжений. Перспективность такого способа снятия напряжений несоответствия связана с тем, что образование пронизывающих дислокаций происходит в подложках и структурное состояния пленок в процессе релаксации не ухудшается.
Целью диссертационной работы является раскрытие фундаментальных свойств отдельных дислокаций и их скоплений в полупроводниковых гетеросистемах при релаксации механических напряжений несоответствия. Для достижения этой цели в диссертации решались следующие основные проблемы:
• определение влияния винтовой составляющей дислокаций несоответствия на энергию гетеросистемы, на состояние кристаллической структуры эпитаксиальной пленки, а также на изменение поля механических напряжений при релаксации;
• выявление особенностей формы неустойчивых и стабильных дислокационных конфигураций в неоднородных полях механических н а пря же н и й 1 юл у про вод н и ко во й п одл ож к и.
Научная новизна работы
В диссертации впервые сформулированы и решены следующие фундаментальные и прикладные задачи.
14
1. Определено влияние типа винтовой составляющей ДН на образований дальнодействующих сдвиговых напряжений в растущей эпитаксиальной пленке.
2. Объяснено образование пронизывающих дислокаций в результате релаксации дальнодействующих сдвиговых напряжений.
3. Б рамках моделей физики дислокаций несоответствия определены критические толщины пленки, при которых начинается пластическая релаксация подложек под сплошными и островковыми пленками.
4. Описаны формы неустойчивых и стабильных дислокационных конфигураций, которые возникают в неоднородных полях сдвиговых напряжений.
5. Па основе анализа формы неустойчивых и стабильных дислокационных образований определены критических условия, при которых начинается формирование дислокационной структуры подложек.
6. Установлена зависимость критической толщины несплошной пленки от формы и размера островков.
7. Для полупроводниковых гетеросистемам, содержащим эпитаксиальную пленку, разработан и применен метод рентгеновской муаровой и нтерферометрии.
15
Научная и практическая значимость работы
Изучение влияния винтовой дислокационной составляющей на энергию гетеросистемы позволило предсказать существование новых структурных состояний пленки. Благодаря этому удалось объяснить природу ранее экспериментально зарегистрированных явлений. В диссертации показано, что тип винтовой составляющей ДН существенно влияет на протекание пластической релаксации напряжений несоответствия и является одной из причин образования пронизывающих дислокаций в эпитаксиальных слоях. Для облегчения взаимной аннигиляции данных дислокаций в мировой литературе рассматривается использование модифицированных дислокационных источников Франка - Рида, поскольку они генерируют два семейства пересекающихся ДН, которые имеют один и тот же вектор Бюргерса. В диссертации установлено, что активизация данных источников способствует уменьшению плотности пронизывающих дислокаций только на начальной стадии релаксации. В дальнейшем из-за возникновения дальнодействующих сдвиговых напряжений структура растущей пленки ухудшается. Анализ неустойчивых и стабильных дислокационных конфигураций, представленный в диссертации, позволяет определить условия начала пластической релаксации подложек. Практический интерес к такому варианту процесса снятия напряжений несоответствия связан с тем, что образование пронизывающих дислокаций происходит не в пленках, а в подложках.
16
Диссертация представляет исследования преимущественно
фундаментального характера, которые имеют непосредственное значение при
решении технологических задач эпитаксии.
Положения, выносимые на защиту:
1. При наличии семейства дислокаций несоответствия, имеющих винтовую составляющую вектора Бюргерса, в эпитаксиальной пленке возникает поле сдвиговых (или сжимающе - растягивающих) дальнодействуюших напряжений. Данное поле не компенсирует напряжения несоответствия и его энергия является избыточной.
2. Релаксация поля дальнодействуюших сдвиговых напряжений в эпитаксиальной пленке осуществляется следующими механизмами: образование пронизывающих дислокаций, возникновение фрагментарной структуры и образование непрямолинейных трещин.
3. При снятии напряжений несоответствия за счет пластического течения подложки возможны два типа дислокационных конфигураций, соответствующие двум критическим толщинам СПЛОШНОЙ пленки Ьс1 И Ьс2, значения которых отличаются в несколько раз.
4. При толщине прямолинейных полос пленки Ь, которая меньше критической Ьс, стабильные конфигурации дислокаций подложки являются криволинейными, а при Ь > Ьс - прямолинейными. При Ь = Ьс неустойчивые
17
и стабильные дислокационные конфигурации имеют общую предельную форму.
5. Если плоскость скольжения дислокаций параллельна границе раздела, то при снятии напряжений несоответствия в подложке под круглым островком пленки возникают неустойчивая и стабильная дислокационные петли, имеющие одинаковый вектор Ьюргерса. При уменьшении толщины пленки формы данных петель сближаются, сливаясь при И = Ьсм, которая является критической толщиной для образования метастабильных дислокаций.
6. Методической основой рептгенотопографического определения искажений кристаллической решетки в высокосовершениых эпитаксиальных слоях является применение пленочного рентгеновского интерферометра для однородных слоев и матриц отражающих контуров для сверхрешеток.
Краткое содержание работы
Во введении к данной работе дана общая характеристика диссертации, обоснована актуальность ее темы, определены цель и научная новизна, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрено влияние винтовой составляющей дислокаций несоответствия на энергию и структуру полупроводниковой гетеросистемы. В рамках известных в мировой литературе представлений энергия гетеросистемы, с границей раздела (001), содержащей предельную плотность 60° дислокаций несоответствия не более, чем в 2 раза превышает
18
энергию гетеросистемы с чисто краевыми ДН. В диссертации показано, что возможны такие сочетания винтовых составляющих семейств 60° ДН, когда отношение данных величин станет теоретически как угодно большим. Как показано в диссертации, это обусловлено возникновением дальнодействующих сдвиговых напряжений в эпитаксиальной пленке. У гетеро систем с кристаллической решеткой типа алмаза или сфалерита возможны такие сочетания взаимно перпендикулярных семейств 60° ДН, когда накопленная упругая энергия выходит на насыщение, а возможны и такие, когда она линейно возрастает с увеличением толщины пленки Ь. В последнем случае включаются механизмы релаксации дат ьно действующих сдвиговых напряжений. Это может быть хрупкая релаксация - возникновение трещин, которые снимают растягивающую компоненту поля напряжений. При более высоких температурах возможна замена уже введенных ДН на дислокации с противоположным типом винтовой составляющей, что приводит к образованию фрагментарной структуры. Такая структура экспериментально наблюдалась для эпитаксиальных систем Ое/8ц РЬ8/РЬ8с, 1пР/Оа1пАз и др. Наиболее распространенным вариантом пластической релаксации дальнодействующих сдвиговых напряжений является слабо выраженный аналог фрагментарной структуры, когда границы фрагментов значительно размыты. В результате этого плотность неподвижных пронизывающих дислокаций оказывается неоднородно распределенной по площади гетеросистемы. Выполненный в
19
главе анализ позволяет объяснить природу ранее известных в литературе экспериментальных данных.
Во второй главе выполнен анализ постулатов используемых для ряда моделей физики дислокаций несоответствия. В энергетическом варианте классической модели (модели Мэтьюза) энергия гетеросистемы определяется как сумма энергий отдельных дислокаций и энергия упругих остаточных деформаций эпитаксиальной пленки. В диссертации показано, что это не соответствует требованиям теории упругости, в результате чего такой важный эффект, как влияние винтовой составляющей дислокаций несоответствия на энергию гетеросистемы не оказался учтенным. В диссертации также показано, что в рамках силового варианта классической модели можно корректно определять критическую толщину пленки hc, когда становится энергетически выгодным введение первых ДН. Однако при описании всего процесса релаксации в рамках силовой модели возникают неточности. Их причина состоит в представлении деформационного состояния пленки в виде поля однородных остаточных деформаций еост. Показано, что такое представление приемлемо лишь в случаях, когда еост = f (введение первых ДН) и когда s0CT -> О (завершающая стадия процесса). В диссертации выполнен расчет релаксационного процесса, который протекает при образовании краевых ДН. Для определения величины Егс тензор упругих напряжений, вызванных присутствием ДН, суммируется с тензором напряжений исходной псевдоморфной пленки. Сопрягаемые компоненты гетеросистемы
20
принимаются изохронными и имеющими близкие значения упругих постоянных. Для определения предельной накопленной упругой энергии гетеросистемы в случае полностью завершенного процесса релаксации (когда плотность ДМ максимальна), толщины сопрягаемых слоев гетеросистемы принимаются равными со. Для определения энергии гетеросистемы Егс в процессе релаксации (т.е. по мере увеличения плотности ДН) в качестве дополнительного допущения на гетеросистему накладывается поле напряжений дислокаций изображения. Корректность этого дополнительного допущения в диссертации специально обсуждается. Процедура вычисления Ере основана на сравнении энергий, рассчитанных для семейств ДН различной плотности. Для заданной толщины пленки вычисляется набор энергий гетеросистемы, соответствующих различным расстояниям с! между соседними дислокациями. Оптимальной принимается плотность дислокаций, соответствующая минимальной энергии. Использование условия минимума энергии означает, что протекание процесса пластической релаксации предполагается квазиравновесным. В современных теоретических моделях такой подход нашел применение.
Продемонстрированная в диссертации возможность корректного определения йс в рамках силового варианта классической модели послужила основанием для исследования критических условий пластической релаксации подложек с привлечением данной модели. Это выполнено в главе 3 диссертации. Экспериментальные результаты получены при использовании
21
гстеросистем, содержащих подложки Si или Ge и аморфные пленки SiC>2 или Si3N4. Такие системы являются модельными для изучения процессов пластической релаксации подложек, поскольку в пленках в принципе не возникают дислокации. Дислокационная структура подложек расклассифицирована на два основных вида в соответствии с природой их образования. Это так называемые 6-дислокации, появление которых связано с изгибом гетеросистемы в целом, и ^-дислокации, возникающие вблизи краев пленки. "6" соответствует слову "bend", а "е" - слову "edge". Показано, что в подложках, покрытых сплошными пленками, возникают 2 типа 6-дислокаций, один из которых содержит, а второй не содержит прямолинейные участки в нейтральной (ненапряженной) поверхности подложки. Им соответствуют 2 критические толщины пленки. С помощью рентгеновской топографии обнаружены оба типа данных дислокаций. В рамках силовой модели определена критическая толщина пленки для образования ^-дислокаций в плоскостях скольжения, параллельных границе раздела. Установлено, что в случае прямолинейных полос пленки, разделенных полосами открытой подложки, при h = hc происходит формирование прямолинейных дислокационных участков вблизи осевых линий полос.
Экспериментально исследована эволюция дислокационной структуры подложек в результате реакций. Реакции между ^-дислокациями протекают с участием поперечного скольжения и переползания. Реакции между Ь- и е-дислокациями способствуют переброске е-дислокаций на соседние островки
22
пленки. Если е-дислокации возникают в гетеросистеме со сплошной пленкой вблизи края образца, то в результате реакции между Ь- и ^-дислокациями возможно образование Ломеровских ДН. Это означает возможность превращения 60° ДН в краевые по механизму скольжения. Зарегистрировано образование Г-образных дислокаций как результат реакции между Ь-дислокациями, имеющими одинаковый вектор Бюргерса, но скользящими в пересекающихся плоскостях.
В I лаве 4 изучена форма неустойчивых и стабильных дислокационных конфигураций, возникающих в неоднородных полях механических напряжений подложки. Для распространенных в технологических структурах случаев, когда распределение поля сдвиговых напряжений в плоскости скольжения является функцией одной переменной, получено выражение, описывающее форму данных конфигураций. Основными допущениями, использованными при его выводе является пренебрежение барьерами Пайерлса и принятие энергии дислокации единичной длины \У0 не зависящей от кривизны дислокации и глубины ее залегания. На основе данного выражения определены критические условия формирования дислокационной структуры подложек со сплошными и островковыми пленками.
В случае гетеросистемы с однородной сплошной пленкой преимущественным местом образования дислокаций является край образца. Показано, что это связано с уменьшением величины энергетических барьеров для образования неустойчивых конфигураций. Значение энергии в точке
23
максимума соответствует критической (или неустойчивой) петле. В неоднородных полях напряжений зависимость Егс от размера дислокационной петли может иметь также минимум, положение которого соответствует форме стабильной или мстастабильной петли. Для островков пленки круглой и прямоугольной формы рассмотрена зависимость Ьс от формы и размера островков. Показано, что с уменьшением их размера Ьс увеличивается. Для случая одиночного прямолинейного края пленки рассмотрена зависимость Ьс((3), где (3 - угол между плоскостью скольжения и границей раздела. Данная зависимость определена в рамках двух моделей. Первой является активно используемая в литературе приближенная аналитическая модель, в которой действие края пленки приравнивается линейно распределенной вдоль края силе. Вторая модель - использование результатов численного решения термоупругой задачи. Для плоскостей скольжения, пересекающих поверхность подложки вблизи края пленки, полученные зависимости удовлетворительно согласуются.
В главе 5 рассмотрено влияние винтовой составляющей ДН на протекание релаксационного процесса. Процедура вычисления ЕГс аналогична рассмотренной в главе 3, но использовались 2 семейства взаимно перпендикулярных 60° ДП. Показано, что в гетсроструктурах с кристаллической решеткой типа алмаза или сфалерита, которые имеют границу раздела (001) и величину параметра несоответствия порядка 1% и более, полное снятие напряжений несоответствия за счет введения двух взаимно
24
перпендикулярных семейств возможно лишь в случае одинаковых типов их винтовых составляющих. Оба семейства должны быть правовинтовыми или левовинтовыми. В противном случае процесс релаксации существенно замедляется, а величина энергии возрастает. Установлено, что взаимно перпендикулярные участки Г-образных ДН имеют противоположные типы винтовых составляющих. Поэтому данные дислокации не могут эффективно снимать напряжения несоответствия на протяжении всего процесса релаксации. Тем не менее на начальной стадии их введение способствует взаимной аннигиляции пронизывающих дислокаций. Показано, что в гстсросистсмах с вицинальными границами раздела (001) влияние типа винтовой составляющей ДН на квазиравновесное протекание процесса релаксации проявляется в том, что ориентациям, полученным поворотами вокруг направлений типа <110>, соответствует максимальная вероятность образования неподвижных Г1Д, а для ориентациям, полученных поворотами вокруг направлений типа <100>, -минимальная.
Протекание процесса снятия напряжений несоответствия в значительной мере определяется особенностями структуры пленки, находящейся в псевдоморфном состоянии, когда происходит накапливание энергии данных напряжений. В главе 6 представлены разработки новых рентгеновских методик регистрации и измерения искажений кристаллической решетки псевдоморфной пленки. Предложена методика определения дилатационных и ориентационных искажений полупроводниковой структуры на основе анализа поведения
25
отражающих контуров, наблюдаемых на рентгеновских топограммах. На основе рентгеновских топограмм, полученных в рефлексе подложки и в различных сателлитах, предложена методика построения матриц отражающих контуров, позволяющая получать количественные данные об искажениях полупроводниковых сверхрешеток. Впервые получен эпитаксиальный пленочный рентгеновский интерферометр, который позволяет с чувствительностью до одного ангстрема измерять прогиб атомных плоскостей пленки, параллельных границе раздела. Наблюдаемая картина представляет собой хорошо известную рентгеновскую топограмму, дополненную системой интерференционных полос. Размер исследуемой области в плоскости границы раздела составляет десятки микрометров - сантиметры. В результате регистрируется изменение угла наклона отражающих атомных плоскостей в пределах от 0.002 до 2 угл. сек. Предлагается вариант использования гетероструктуры Б!/ пористый 81 / эпитаксиальный со свойствами рентгеновского интерферометра в качестве космической мишени для изучения взаимодействия микрочастиц и наночастиц с хрупким материалом с целью анализа физических моделей строения и состава метеоритов естественного происхождения.
В заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы. Обсуждаются основные задачи дальнейших возможных исследований в рамках разработанного в диссертации научного направления.
26
Глава 1. Винтовая составляющая дислокаций несоответствия и структурное состояние гетероэпитаксиальных пленок
1.1. Винтовая дислокационная составляющая и проблема управления процессом снятия напряжений несоответствия (обзор литературы)
Структурное качество эпитаксиальной гетеросистемы в значительной мере определяется присутствием дефектов, которые могут возникать в процессе снятия напряжений несоответствия. Уровень этих напряжений в пленке прямо пропорционален величине параметра несоответствия сопрягаемых слоев £ который равен Г = (аг - а^/а*, где а - параметр кристаллической решетки, а индексы б и Г относятся, соответственно, к подложке и пленке. Процесс пластической релаксации данных напряжений сопровождается введением в границу раздела дислокаций несоответствия (ДП). Он описывается в рамках различных теоретических моделей. Впервые возможность возникновения ДН как линейных дефектов, снижающих уровень напряжений несоответствия, была предсказана Франком и Ван дер Мерве в 1949 году [1]. Ван дер Мерве и Белл [2-5] выполнили теоретический анализ, из которого следовало, что на начальной стадии эпитаксиального роста энергия гетеросистемы ниже, если пленка находится в псевдоморфном состоянии, когда она полностью упруго деформирована напряжениями несоответствия. При достижении так называемой критической толщины пленки Ьс становится возможным протекание процесса пластической релаксации, в результате которого в границе
27
раздела должны накапливаться дефекты, аналогичные дислокациям в однородном кристалле. Величины Ьс и Г находится в обратной зависимости между собой. Линейная плотность дефектов - дислокаций несоответствия -определяется как f / Ьк, где Ьк - проекция краевой компоненты вектора Бюргерса Ь на направление, лежащее в границе раздела перпендикулярно Д11.
Впервые ДН были зарегистрированы в 1961 году (две независимые статьи в одном журнале [6, 7]). Мэтьюз был автором одной из этих статей. С его участием было экспериментально установлено, что на начальной стадии эпитаксии пленка находится в псевдоморфном состоянии [8]. Он же в соавторстве с другими исследователями [9] предложил вариант описания процесса пластической релаксации. Значения критической толщины пленки, вычисленные как в рамках [I - 5], так и рамках [9], близки. Однако последняя модель намного нагляднее и использует существенно болсс простое математическое описание. Некоторые экспериментальные данные точнее описывались моделью Мэтьюза [10, 11]. В результате к 70м годам она стала в мировой литературе преобладающей. В дальнейшем появились как ее многочисленные модификации (см., например, [12 - 14), так и самостоятельные рассмотрения процесса [15, 16]. До настоящего времени большинство авторов, предлагающих самостоятельные рассмотрения процесса релаксации, результаты своих расчетов сравнивают с данными, полученными в рамках модели Мэтьюза. Это же относится к авторам, выполнившим экспериментальные исследования критической толщины пленки или процесса
28
пластической релаксации напряжений несоответствия. В частности, в журналах Applied Physics Letters за 1998 г. имеется 17 литературных ссылок на статьи, выполенные Мэтыозом и в соавторстве с ним [17 - 33]. Поэтому в нашей дальнейшей терминологии под классической теорией будет пониматься теоретическая модель Мэтьюза с ее различными усовершенствованиями.
Хотя первые ДН были зарегистрированы при использовании металлических гетеросистем [6 — 8, 34], в дальнейшем основными объектами, определившими развитие теории дислокаций несоответствия, стали полупроводниковые объекты. Для повышения структурного качества данных систем предпринимаются попытки управления типом вводимых дислокаций несоответствия. В 70-е годы в рамках эпитаксиальной технологии определяются требования, обеспечивающие отсутствие микроблоков и двойников [35, 36]. К началу 80-х годов были рассчитаны и экспериментально подтверждены условия управляемого перехода от частичных дислокаций несоответствия к полным [37, 38]. Было показано, что устранение дефектов упаковки в эпитаксиальной пленке тем проблематичней, чем выше параметр несоответствия. В работах [37, 38] благодаря переходу от сингулярной ориентации границы раздела (111) к вицинальным была продемонстрирована возможность выращивания без данных дефектов эпитаксиальных пленок, имеющих параметр несоответствия Г около 1%.
В настоящее время основными дефектами, на устранение которых направлены попытки управления процессом снятия напряжений
29
несоответствия, являются так называемые пронизывающие дислокации (ТТД). Они тщательно изучаются в мировой литературе [39 - 47]. Отметим, что в отечественной литературе данные дислокации обычно называют прорастающими дислокациями, однако в диссертации будет использоваться термин "пронизывающие дислокации", как более правильно отражающий природу рассматриваемых дефектов. Под прорастающими дислокациями будем понимать дислокации, которые прорастают из подложки в эпитаксиальную пленку. В отличие от прорастающих дислокаций, пронизывающие дислокации прокалывают (или пронизывают) только толщу эпитаксиальной пленки и вблизи границы раздела изменяют свое направление на значительный угол (десятки градусов), трансформируясь в дислокацию несоответствия, которая и залегает в данной границе. Кроме того, сочетание слов "пронизывающая дислокация" является переводом популярного термина "threading dislocations", который используется в зарубежной литературе для обозначения обсуждаемых дефектов.
При получении эпитаксиальных слоев обычно предпочитают пониженные температуры роста, поскольку это позволяет формировать резкие границы раздела и уменьшает дефектность структуры в целом. Поэтому предпочтительным механизмом образования ДН является скольжение - оно происходит при более низких температурах по сравнению с переползанием дислокаций [48-50]. У гетеросистем с кристаллической решеткой алмаза или сфалерита возможны 12 систем скольжения тина {111 }<110>. При работе этих
зо
систем вводятся ДН, которые расположены вдоль линий пересечения плоскостей типа {111} с границей раздела и имеют вектора Бюргерса типа Vi а< 110>. Их введение является результатом движения ПД в направлении удлинения дислокации несоответствия. В идеализированном случае после завершения релаксационного процесса все подвижные пронизывающие дислокационные участки должны быть выведены на боковые грани гетероструктуры и средняя длина ДН сравнима с диаметром границы раздела. В такой гстеросистеме после полного снятия напряжений несоответствия пленка и подложка имеют сравнимую плотность структурных дефектов кристаллической решетки. Реализация идеализированного случая позволила бы на основе слиточного Si решить проблему получения высокосовершенного подложечного материала для широкого класса полупроводников, поскольку кремний является наиболее совершенным из искусственно изготавливаемых объемных кристаллов. Достаточно толстые совершенные эпитаксиальные слои, в которых сняты напряжения несоответствия, можно в дальнейшем использовать как подложки-затравки для получения новых полупроводниковых соединений.
При протекании релаксационного процесса в реальных структурах всегда существует вероятность того, что скользящий пронизывающий участок остановится, не достигнув края структуры. Этому способствует ряд причин, в числе которых взаимодействие с другими пронизывающими участками, а также с различными дефектами кристаллической решетки. В результате возникают
31
неподвижные ПД, которые не только повышают энергию гетеросистемы, но и ухудшают ее физические свойства. В структурах, содержащих данные дефекты, в ряде случаев не достигаются значения электрофизических параметров, регистрируемые на объемных высокосовершенных кристаллах. Влияние ПД на электронные свойства гетеросистем рассмотрено в [51 - 57], а на оптические - в [55, 58 - 61]. В частности, в [56] исследована зависимость П)ЬТ8 спектра п-кремния от размера дислокаций и скорости их движения. Эффект катодолюминесценции, обусловленный индивидуальной приповерхностной дислокацией, обеспечивает возможность регистрации ее формы в режиме ЕВ1 С-контраста [57].
Если величина параметра несоответствия £ сопрягаемых кристаллических решеток пленки и подложки порядка 1% или более, то плотность неподвижных ПД пленки обычно превышает плотность дислокаций исходной подложки. Поэтому такая прикладная задача физики твердого тела как поиск условий, снижающих плотность неподвижных Г1Д, является актуальной проблемой эпитаксиальной технологии. В связи с обсуждением задач управления процессом снятия напряжений несоответствия представляется интересной работа [62]. Для введения требуемых ДН авторами этой статьи был использован микрорельеф поверхности, в результате чего подвижные ПД различных систем скольжения при своем удлинении преодолевали различные энергетические барьеры и осуществлялось отфильтровывание нежелательных дислокационных семейств.