Ю. Ю. Эрвье, Национальный исследовательский Томский государственный университет

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.

1. Bean, J. C. Arbitrary doping profiles produced by Sb−doped Si MBE / J. C. Bean // Appl. Phys. Lett. − 1978. − V. 33. − P. 654—656.
2. 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.
3. Jorke, H. Surface segregation of Sb on Si(100) during molecular beam epitaxy growth / H. Jorke // Surf. Sci. − 1988. − V. 193. − P. 569—578.
4. 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.
5. Nützel, J. F. Comparison of P and Sb as n−dopants for Si molecular beam epitaxy / J. F. Nützel, G. Abstreiter // J. Appl. Phys. − 1995. − V. 78. − P. 937—940.
6. 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.
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).
8. 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.
9. 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.
10. Nützel, J. F. Segregation and diffusion on semiconductor surfaces / J. F. Nützel, G. Abstreiter // Phys. Rev. B. − 1996. − V. 53. − P. 13551—13558.
11. 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).
12. 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.
13. 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.
14. Martínez−Guerra, E. Adsorption of Sb4 on Ge(001) and Si(001) surfaces: Scanning tunneling microscopy and first−principles calculations / E. Martínez−Guerra, G. Falkenberg, R. L. Johnson, N. Takeuchi // Phys. Rev. B. − 2006. − V. 73. − P. 075302(8).
15. 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).
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. Воронков, В. В. Захват примеси при движении элементарной ступени / В. В. Воронков, А. А. Чернов // Кристаллография. − 1967. − Т. 12, вып. 2. − C. 222—229.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. Воронков, В. В. Движение элементарной ступени посредством образования одномерных зародышей / В. В. Воронков // Кристаллография. − 1970. − Т. 15, вып. 1. − C. 1.
25. Venables, J. A. Nucleation and growth of thin films / J. A. Venables, G. D. T. Spiller, M. Hanbücken // Rep. Prog. Phys. − 1984. − V. 47. − P. 399—459.
26. 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.