Кинетика трансформации формы эшелонов атомных ступеней на поверхности Si(001) в условиях электромиграции

Разживина М.Э., Родякина Е.Е., Ситников С.В. Кинетика трансформации формы эшелонов атомных ступеней на поверхности Si(001) в условиях электромиграции // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 679–685.

doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-679-685

Предмет исследования. На качество кремниевых эпитаксиальных структур значительное влияние оказывает как начальная морфология поверхности, так и ее трансформация в процессе роста. Одним из явлений огрубления поверхности кремния в процессе отжига, роста, воздействии электрического тока, и адсорбции инородного материала является формирование эшелонов ступеней. В работе приведены результаты экспериментального исследования кинетики трансформации эшелонов атомных ступеней на поверхности Si(001) в условиях электромиграции при нагреве постоянным электрическим током в направлении вниз по ступеням в интервале температур 1000–1150 °С. Метод. Отжиг образцов выполнен в сверхвысоковакуумной камере отражательного электронного микроскопа с последующей закалкой до комнатной температуры. В атмосферных условиях с применением атомно-силового микроскопа получены данные о зависимости среднего расстояния между ступенями от количества ступеней в эшелоне. Основные результаты. Установлено, что экспериментально построенная зависимость подчиняется степенному закону l ∝ N^α, где α изменялся от –0,68 до –0,36. Подтверждено изменение потенциала упругого взаимодействия ступеней в эшелонах с ростом температуры. Практическая значимость. Результаты работы определяют понимание процесса эшелонирования Si(001) при повышенных температурах.

1. Latyshev A.V., Aseev A.L., Krasilnikov A.B., Stenin S.I. Transformation on clean Si(111) stepped surface during sublimation // Surface Science. 1989. V. 213. N 1. P. 157–169. https://doi.org/10.1016/0039-6028(89)90256-2

2. Родякина Е.Е., Ситников С.В., Рогило Д.И., Латышев А.В. Управление рельефом подложки Si(001) при термическом отжиге в вакуумной камере // Микроэлектроника. 2018. Т. 47. № 6. С. 407–413. https://doi.org/10.31857/S054412690002766-9

3. Sato M., Uwaha M., Takahashi T. Motion of step pairs during drift-induced step bunching on a Si(001) vicinal face // Journal of Crystal Growth. 2007. V. 303. N 1. P. 85–89. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.11.147

4. Nielson J.-F., Pettersen M.S., Pelz J.P. Anisotropy of mass transport on Si(001) surfaces heated with direct current // Surface Science. 2001. V. 480. N 1-2. P. 84–96. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(01)01010-X

5. Latyshev A.V., Litvin L.V., Aseev A.L. Peculiarities of step bunching on Si(001) surface induced by DC heating // Applied Surface Science. 1998. V. 130-132. Р. 139–145. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(98)00040-3

6. Латышев А.В., Красильников А.Б., Асеев А.Л., Стенин С.И. Влияние электрического тока на соотношение площадей доменов (2х1) и (1х2) на чистой поверхности кремния (001) в процессе сублимации // Письма в ЖЭТФ. 1988. Т. 48. № 9. С. 484–487.

7. Pai W.W., Ozcomert J.S., Bartelt N.C., Einstein T.L., Reutt-Robey J.E. Terrace-width distributions on vicinal Ag(110): evidence of oscillatory interactions // Surface Science. 1994. V. 307-309. P. 747–754. https://doi.org/10.1016/0039-6028(94)91487-7

8. Frohn J., Giesen M., Poensgen M., Wolf J.F., Ibach H. Attractive interaction between steps // Physical Review Letters. 1991. V. 67. N 25. P. 3543–3546. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.3543

9. Redfield A.C., Zangwill A. Attractive interactions between steps // Physical Review B. 1992. V. 46. N 7. P. 4289–4291. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.4289

10. Andreev A.F., Kosevich A.Y. Capillary phenomena in the theory of elasticity // Soviet Physics - JETP. 1981. V. 54. N 4. P. 761–765.

11. Pearson E.M., Halicioglu T., Tiller W.A. Long-range ledge-ledge interactions on Si(111) surfaces. I. No kinks or surface point defects // Surface Science. 1987. V. 184. N 3. P. 401–424. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(87)80366-7

12. Andreev A.F. Faceting phase transitions of crystals // Soviet Physics - JETP. 1981. V. 53. N 5. P. 1063–1069.

13. Leroy F., Müller P., Métois J.J., Pierre-Louis O. Vicinal silicon surfaces: From step density wave to faceting // Physical Review B. 2007. V. 76. N 4. P. 045402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.045402

14. Alerhand O.L., Vanderbilt D., Meade R.D., Joannopoulos J.D. Spontaneous formation of stress domains on crystal surfaces // Physical Review Letters. 1988. V. 61. N 17. P. 1973–1976. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.1973

15. Sato M., Mori T.,Uwaha M., Hirose Y. Growth of step bunches on a Si(001) vicinal face with drift of adatoms // Journal of the Physical Society of Japan. 2004. V. 73. N 7. P. 1827-1832. https://doi.org/10.1143/JPSJ.73.1827

16. Бартон В., Кабрера Н., Франк Ф. Рост кристаллов и равновесная структура их поверхностей // Элементарные процессы роста кристаллов. М.: Иностранная литература, 1959. С. 10–109.

17. Zhao T., Weeks J.D., Kandel D. From discrete hopping to continuum modeling on vicinal surfaces with applications to Si(001) electromigration // Physical Review B. 2005. V. 71. N 15. P. 155326. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.155326

18. Rodyakina E.E., Sitnikov S.V., Rogilo D.I., Latyshev A.V. Step bunching phenomena on Si(001) surface induced by DC heating during sublimation and Si deposition // Journal of Crystal Growth. 2019. V. 520. P. 85–88. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.05.026

19. Sitnikov S.V., Rodyakina E.E., Latyshev A.V. Electromigration effect on vacancy islands nucleation on Si(100) surface during sublimation // Semiconductors. 2019. V. 53. N 6. P. 795–799. https://doi.org/10.1134/S106378261906023X

20. Sakamoto K., Sakamoto T., Miki K., Nagao S. Observation of Si(001) vicinal surfaces on RHEED // Journal of the Electrochemical Society. 1989. V. 136. N 9. P. 2705–2710. https://doi.org/10.1149/1.2097562

21. Родякина Е.Е., Ситников С.В., Латышев А.В. Критический размер террасы кремния (001) для зарождения вакансионных островков при высокотемпературном отжиге // Сибирский физический журнал. 2019. Т. 14. № 1. С. 77–85. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2019-14-1-77-85

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License