mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2013-2-4-10mateltech-64Research ArticleСТАТЬИARTICLESО НАКОПЛЕНИИ ПРИМЕСИ В АДСОРБЦИОННОМ СЛОЕ В ПРОЦЕССЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРИ МОЛЕКУЛЯРНО–ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИKINETICS OF DOPANT ACCUMULATION IN THE ADSORPTION LAYER DURING MOLECULAR-BEAM EPITAXYЭрвьеЮ. Ю.HervieuY. Y.

кандидат физ.−мат. наук, доцент, физический факультет

ervye@mail.tsu.ruНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияTomsk State UniversityRussian Federation20131503201502410Copyright © Эрвье Ю.Ю., 20152015Эрвье Ю.Ю.Hervieu Y.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/64

Предложена модель захвата и поверхностной сегрегации примеси при легировании в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии. Сделано предположение, что встраивание примеси в поверхностный слой легируемого кристалла происходит как в результате блокирования атомов примеси в изломах на ступенях атомами основного вещества, так и путем обмена адсорбированных атомов примеси с атомами основного вещества в поверхностном слое. Поверхностная сегрегация рассмотрена как накопление примеси в адсорбционном слое вследствие «перескоков» адсорбированных атомов примеси через ступени и путем перехода атомов примеси из поверхностного слоя в адсорбционный слой. Показано, что увеличение пересыщения вблизи ступени при понижении температуры и увеличении скорости роста приводит к подавлению поверхностной сегрегации из-за более эффективного блокирования примеси в изломах. Образование двухмерных островков на террасах и формирование неравновесных изломов на краях островков приводит к частичному сбросу пересыщения и ослаблению влияния температуры и скорости роста на поверхностную сегрегацию. При интенсивном переходе атомов примеси из поверхностного слоя в адсорбционный слой имеет место очень резкое (супер экспоненциальное) увеличение размытия профиля легирования с увеличением температуры роста. Это связано с экспоненциальной зависимостью вероятности «замуровывания» примеси в поверхностном слое движущейся ступенью от константы скорости перехода примеси из поверхностного слоя в адсорбционный слой. Модель воспроизводит характерные зависимости ширины переходной концентрационной области легирования от температуры и скорости роста, полученные в экспериментах по легированию кремния сурьмой.

A kinetic model of the doping processes in molecular beam epitaxy is developed. The dopant incorporation into the growing crystal is assumed to occur via both blocking dopant atoms at the kink positions by the host atoms and atomic exchange between dopant adatoms and atoms of the topmost crystalline layer. The dopant surface segregation is treated as accumulation of dopant atoms in energetically favorable adsorption positions on the surface. Two segregation pathways are considered: climbing of dopant adatoms over moving steps and jumping of the dopants out of the topmost crystalline layer. It is shown that increasing supersaturation in the adlayer, e.g. with decreasing temperature or increasing growth rate, leads to more efficient blocking of the dopant atoms and, as a consequence, to the decreasing surface segregation. The supersaturation is partially reduced with appearance of 2D islands on the terraces and creation of kinks at the 2D island edges. This results in weaker growth rate and temperature dependences of the surface segregation ratio. Very strong (superexponential) dependence of the surface segregation ratio on the growth temperature is possible under the condition of the intensive jumping of the dopants out of the topmost crystalline layer. The reason is that the probability of «immurement» of the dopant atoms by the moving step depends exponentially on the jumping-out rate constant. The model reproduces experimentally observed segregation behavior of Sb on Si(100).

эпитаксиямолекулярный пучоклегированиеповерхностная сегрегацияступениизломыостровкиepitaxymolecular beamdopingsurface segregationstepskinksislandsReferencesBean, J. C. Arbitrary doping profiles produced by Sb-doped Si MBE / J. C. Bean // Appl. Phys. Lett. – 1978. −V. 33. – P. 654—656.Bean, J. C. Arbitrary doping profiles produced by Sb-doped Si MBE / J. C. Bean // Appl. Phys. Lett. – 1978. −V. 33. – P. 654—656.Gossmann, H.-J. Delta doping in silicon/ H.-J. Gossmann, E. F. Schubert // Crit. Rev. Sol. St. Mater. Sci. – 1993. – V. 18. – P. 1—67.Gossmann, H.-J. Delta doping in silicon/ H.-J. Gossmann, E. F. Schubert // Crit. Rev. Sol. St. Mater. Sci. – 1993. – V. 18. – P. 1—67.Jorke, H. Surface segregation of Sb on Si(100) during molecular beam epitaxy growth / H. Jorke // Surf. Sci. – 1988. – V. 193. – P. 569—578.Jorke, H. Surface segregation of Sb on Si(100) during molecular beam epitaxy growth / H. Jorke // Surf. Sci. – 1988. – V. 193. – P. 569—578.Кузнецов, В. П. О накоплении примеси на (001) поверхности слоев Si при автоэпитаксии в вакууме / В. П. Кузнецов, А. Ю. Андреев // Поверхность. Физ., хим., механика. – 1990. – № 3. – C. 49—52.Кузнецов, В. П. О накоплении примеси на (001) поверхности слоев Si при автоэпитаксии в вакууме / В. П. Кузнецов, А. Ю. Андреев // Поверхность. Физ., хим., механика. – 1990. – № 3. – C. 49—52.Nьtzel, J. F. Comparison of P and Sb as n−dopants for Si molecular beam epitaxy / J. F. Nьtzel, G. Abstreiter // J. Appl. Phys. – 1995. – V. 78. – P. 937—940.Nьtzel, J. F. Comparison of P and Sb as n−dopants for Si molecular beam epitaxy / J. F. Nьtzel, G. Abstreiter // J. Appl. Phys. – 1995. – V. 78. – P. 937—940.Hobart, K. D. Surface segregation and structure of Sb-doped Si(100) films grown at low temperature by molecular beam epitaxy / K. D. Hobart, D. J. Godbey, M. E. Twigg, M. Fatemi, P. E. Thompson, D. S. Simons // Surf. Sci. – 1995. – V. 334. – P. 29—38.Hobart, K. D. Surface segregation and structure of Sb-doped Si(100) films grown at low temperature by molecular beam epitaxy / K. D. Hobart, D. J. Godbey, M. E. Twigg, M. Fatemi, P. E. Thompson, D. S. Simons // Surf. Sci. – 1995. – V. 334. – P. 29—38.Yurasov, D. V. Usage of antimony segregation for selective doping of Si in molecular beam epitaxy / D. V. Yurasov, M. N. Drozdov, A. V. Murel, M. V. Shaleev, N. D. Zakharov, A. V. Novikov // J. Appl. Phys. – 2011. – V. 109. – P. 113533(7).Yurasov, D. V. Usage of antimony segregation for selective doping of Si in molecular beam epitaxy / D. V. Yurasov, M. N. Drozdov, A. V. Murel, M. V. Shaleev, N. D. Zakharov, A. V. Novikov // J. Appl. Phys. – 2011. – V. 109. – P. 113533(7).Iyer, S. S. Sharp profiles with high and low doping levels in silicon grown by molecular beam epitaxy / S. S. Iyer, R. A. Metzger, F. A. Allen // J. Appl. Phys. – 1981. – V. 52. – P. 5608—5612.Iyer, S. S. Sharp profiles with high and low doping levels in silicon grown by molecular beam epitaxy / S. S. Iyer, R. A. Metzger, F. A. Allen // J. Appl. Phys. – 1981. – V. 52. – P. 5608—5612.Андреев, А. Ю. Легирование фосфором слоев Si при эпитаксии на (001) Si из молекулярного пучка / А. Ю. Андреев, Н. В. Гудкова, В. П. Кузнецов, В. С. Красильников, Р. А. Рубцова, В. А. Толомасов // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. – 1988. – Т. 24, № 9. – C. 1423—1425.Андреев, А. Ю. Легирование фосфором слоев Si при эпитаксии на (001) Si из молекулярного пучка / А. Ю. Андреев, Н. В. Гудкова, В. П. Кузнецов, В. С. Красильников, Р. А. Рубцова, В. А. Толомасов // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. – 1988. – Т. 24, № 9. – C. 1423—1425.Nьtzel, J .F. Segregation and diffusion on semiconductor surfaces / J. F. Nьtzel, G. Abstreiter // Phys. Rev. B. – 1996. – V. 53. – P. 13551—13558.Nьtzel, J .F. Segregation and diffusion on semiconductor surfaces / J. F. Nьtzel, G. Abstreiter // Phys. Rev. B. – 1996. – V. 53. – P. 13551—13558.Arnold, C. B. Unified kinetic model of dopant segregation during vapor-phase growth / C. B. Arnold, M. J. Aziz // Phys. Rev. B. – 2005. – V. 72. – P. 195419(17).Arnold, C. B. Unified kinetic model of dopant segregation during vapor-phase growth / C. B. Arnold, M. J. Aziz // Phys. Rev. B. – 2005. – V. 72. – P. 195419(17).Rogge, S. Surface polymerization of epitaxial Sb wires on Si(001) / S. Rogge, R. H. Timmerman, P. M. L. O. Scholte, L. J. Geerligs, H. W. M. Salemink // Ibid. – 2000. – V. 62. – P. 15341—15344.Rogge, S. Surface polymerization of epitaxial Sb wires on Si(001) / S. Rogge, R. H. Timmerman, P. M. L. O. Scholte, L. J. Geerligs, H. W. M. Salemink // Ibid. – 2000. – V. 62. – P. 15341—15344.Ramamoorthy, M. Chemical trends in impurity incorporation into Si(100) / M. Ramamoorthy, E. L. Briggs, J. Bernholc // Phys. Rev. Lett. – 1988. – V. 81. – P. 1642—1645.Ramamoorthy, M. Chemical trends in impurity incorporation into Si(100) / M. Ramamoorthy, E. L. Briggs, J. Bernholc // Phys. Rev. Lett. – 1988. – V. 81. – P. 1642—1645.Martнnez-Guerra, E. Adsorption of Sb4 on Ge(001) and Si(001) surfaces: Scanning tunneling microscopy and first-principles calculations / E. Martнnez-Guerra, G. Falkenberg, R. L. Johnson, N. Takeuchi // Phys. Rev. B. – 2006. – V. 73. – P. 075302(8).Martнnez-Guerra, E. Adsorption of Sb4 on Ge(001) and Si(001) surfaces: Scanning tunneling microscopy and first-principles calculations / E. Martнnez-Guerra, G. Falkenberg, R. L. Johnson, N. Takeuchi // Phys. Rev. B. – 2006. – V. 73. – P. 075302(8).Wang, J.-T. Two-stage rotation mechanism for group-V precursor dissociation on Si(001) / J.-T. Wang, C. Chen, E. G. Wang, D.-S. Wang, H. Mizuseki, Y. Kawazoe // Phys. Rev. Lett. – 2006. – V. 97. – P. 046103(4).Wang, J.-T. Two-stage rotation mechanism for group-V precursor dissociation on Si(001) / J.-T. Wang, C. Chen, E. G. Wang, D.-S. Wang, H. Mizuseki, Y. Kawazoe // Phys. Rev. Lett. – 2006. – V. 97. – P. 046103(4).Andrieu, S. Surface segregation mechanism during two-dimensional epitaxial growth: the case of dopants in Si and GaAs molecular−beam epitaxy / S. Andrieu, F. A. d’Avitaya, J. C. Pfister // J. Appl. Phys. – 1989. – V. 65. – P. 2681—2687.Andrieu, S. Surface segregation mechanism during two-dimensional epitaxial growth: the case of dopants in Si and GaAs molecular−beam epitaxy / S. Andrieu, F. A. d’Avitaya, J. C. Pfister // J. Appl. Phys. – 1989. – V. 65. – P. 2681—2687.Hervieu, Yu. Yu. Surface processes of impurity incorporation during MBE growth / Yu. Yu. Hervieu, M. P. Ruzaikin // Surf. Sci. – 1998. – V. 408. – P. 57—71.Hervieu, Yu. Yu. Surface processes of impurity incorporation during MBE growth / Yu. Yu. Hervieu, M. P. Ruzaikin // Surf. Sci. – 1998. – V. 408. – P. 57—71.Filimonov, S. N. On the kinetics of delta-doping during MBE / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Phys. Low-Dim. Struct. – 1998. – N 7/8. – P. 91—100.Filimonov, S. N. On the kinetics of delta-doping during MBE / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Phys. Low-Dim. Struct. – 1998. – N 7/8. – P. 91—100.Filimonov, S. N. The dopant incorporation and surface segregation during 2D islands growth in MBE: A computer simulation study / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Phys. Low-Dim. Struct. – 1998. – N 9/10. – P. 141—151.Filimonov, S. N. The dopant incorporation and surface segregation during 2D islands growth in MBE: A computer simulation study / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Phys. Low-Dim. Struct. – 1998. – N 9/10. – P. 141—151.Воронков, В. В. Захват примеси при движении элементарной ступени / В. В. Воронков, А. А. Чернов // Кристаллография. – 1967. – Т. 12, вып. 2. – C. 222—229.Воронков, В. В. Захват примеси при движении элементарной ступени / В. В. Воронков, А. А. Чернов // Кристаллография. – 1967. – Т. 12, вып. 2. – C. 222—229.Бартон, В. Рост кристаллов и равновесная структура их поверхностей / В. Бартон, Н. Кабрера, Ф. Франк // Элементарные процессы роста кристаллов / Под ред. Г. Г. Лемлейна, А. А. Чернова. – М. : ИЛ, 1959. – С. 10—109.Бартон, В. Рост кристаллов и равновесная структура их поверхностей / В. Бартон, Н. Кабрера, Ф. Франк // Элементарные процессы роста кристаллов / Под ред. Г. Г. Лемлейна, А. А. Чернова. – М. : ИЛ, 1959. – С. 10—109.Jernigan, G. G. Temperature dependence of atomic scale morphology in Si homoepitaxy between 350 and 800 C on Si(100) by molecular beam epitaxy / G. G. Jernigan, P. E. Thompson // J. Vac. Sci. Technol. A. – 2001. – V. 19. – P. 2307—2311.Jernigan, G. G. Temperature dependence of atomic scale morphology in Si homoepitaxy between 350 and 800 C on Si(100) by molecular beam epitaxy / G. G. Jernigan, P. E. Thompson // J. Vac. Sci. Technol. A. – 2001. – V. 19. – P. 2307—2311.Filimonov, S. N. Terrace-edge-kink model of atomic processes at the permeable steps / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Surf. Sci. – 2004. – V. 553. – P. 133.Filimonov, S. N. Terrace-edge-kink model of atomic processes at the permeable steps / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Surf. Sci. – 2004. – V. 553. – P. 133.Воронков, В. В. Движение элементарной ступени посредством образования одномерных зародышей / В. В. Воронков // Кристаллография. – 1970. – Т. 15, вып. 1. – C. 1.Воронков, В. В. Движение элементарной ступени посредством образования одномерных зародышей / В. В. Воронков // Кристаллография. – 1970. – Т. 15, вып. 1. – C. 1.Venables, J. A. Nucleation and growth of thin films / J. A. Venables, G. D. T. Spiller, M. Hanbьcken // Rep. Prog. Phys. – 1984. – V. 47. – P. 399—459.Venables, J. A. Nucleation and growth of thin films / J. A. Venables, G. D. T. Spiller, M. Hanbьcken // Rep. Prog. Phys. – 1984. – V. 47. – P. 399—459.Mo, Y. W. Activation energy for surface diffusion of Si on Si(001): A scanning-tunneling−microscopy study / Y. W. Mo, J. Kleiner, M. B. Webb, M. G. Lagally // Phys. Rev. Lett. – 1991. – V. 66. – P. 1998—2001.Mo, Y. W. Activation energy for surface diffusion of Si on Si(001): A scanning-tunneling−microscopy study / Y. W. Mo, J. Kleiner, M. B. Webb, M. G. Lagally // Phys. Rev. Lett. – 1991. – V. 66. – P. 1998—2001.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.