Gas-Quellen-Molekularstrahlepitaxie von $\beta$-Eisendisilizid auf Si(111) mit Silan und Eisenpentacarbonyl

Schäfer, H. C.

Book/Report

FZJ-2018-04476

Gas-Quellen-Molekularstrahlepitaxie von $\beta$-Eisendisilizid auf Si(111) mit Silan und Eisenpentacarbonyl

Schäfer, H. C. (Corresponding author)FZJ*

1993
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 2814, 177 p. (1993)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/19467

Report No.: Juel-2814

Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig die Gas-Quellen-Molekularstrahl-Epitaxie (GSMBE) unter Verwendung der Gase SiH$_{4}$ und Fe(CO)$_{5}$ zur Herstellung von dicken, halbleitenden $\beta$-Eisendisilizid Schichten auf Si(111) eingesetzt. Dieses für die Materialklasse der Silizide neue Verfahren vermeidet den bei konventionellen Depositionsverfahren (SPE/RDE) unumgänglichen Massentransport durch die wachsende Schicht und erlaubt Austauschreaktionen mit der Gasphase. Die elektronischen und morphologischen, ebenso wie die optischen und elektrischen Eigenschaften hängen stark von den Herstellungsparametern Substrattemperatur, Druckverhältnis der Gase und Grenzflächenbedingungen zu Wachstumsbeginn ab. Es gelang in bestimmten 'Fenstern' der Wachstumsparameter dicke, epitaktische $\beta$-FeSi$_{2}$ Schichten mit zum Teil hervorragender Kristallqualität auf Si(111) abzuscheiden. Neben der lonenstrahlsynthese ist die GSMBE somit das bisher einzige Verfahren, um dicke, homogene, epitaktische $\beta$-FeSi$_{2}$ Schichten herzustellen. Die hochauflösende Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (HREELS) erwies sich in Kombination mit TEM, RBS, UPS und XPS als ausgezeichnete Untersuchungsmethode zur Analyse des Schichtwachstums.Hinsichtlich der Morphologie und der elektronischen Eigenschaften gibt es zwei ausgezeichnete Temperaturbereiche für das Wachstum von $\beta$-FeSi$_{2}$ auf. Si(111): $\bullet$ Im Temperaturbereich T$_{growth}$=500 - 550°C wächst $\beta$-FeSi$_{2}$ in der ungewöhnlichen epitaktischen Orientierung $\beta$-FeSi$_{2}$ (100) $\vert \vert$ Si(111). Die Kristallinität bei T$_{growth}$=550°C ist ausgezeichnet ('Minimum Yield': $\chi_{min}$ =55%). Die Schichtenweisen eine scharfe Grenzfläche zum Si-Substrat auf, an der eine 2- 5ML dicke 'interface-stabilisierte' $\gamma$-FeSi$_{2}$ Schicht nachgewiesen wurde und zeigen nur eine leichte Rauhigkeit. An der Oberfläche befindet sich eine p$^{++}$-Anreicherungsrandschicht, die auf Oberflächenzustände, vermutlich aufgrund einer Rekonstruktion der $\beta$-FeSi$_{2}$ (100)-Oberfläche, zurückzuführen ist. Es wurde eine eindeutige Korrelation zwischen - $\gamma$-FeSi$_{2}$ Zwischenschicht, - epitaktischer Orientierung und Anreicherungsrandschicht nachgewiesen. $\bullet$ Bei T$_{growth}$=700- 750°C abgeschiedene Proben zeigen eine andere epitaktische Orientierung: $\beta$-FeSi$_{2}$ (101) $\vert \vert$ Si(111) wie SPE-Proben. Sie weisen im Unterschied keine $\gamma$-FeSi$_{2}$ Zwischenschicht und keine Anreicherung an der Oberfläche auf. Die Schichten bestehen aus großen, zusammengewachsenen Körnern. und haben daher eine etwas rauhere Grenzfläche Schicht/Substrat. Das optimale Druckverhältnis p(Fe(CO$_{5}$): p(SiH$_{4}$) liegt bei 1 : 2.5 .. 1 : 5. Die Channeling-Messung an einer im Verhältnis von 1 : 5 bei T$_{growth}$=700°C hergestellten Probe zeigt mit $\chi_{min}$=62% einen für die epitaktische Orientierung $\beta$-FeSi$_{2}$ (101) $\vert \vert$ Si(111) nie zuvor beobachteten 'Minimum-Yield' Wert. Ein zu kleines Druckverhältnis führt zu einer starken Schichtrauhigkeit und FeSi$_{2}$-Ausscheidungen im Si-Substrat, ein zu großes führt zu Inselwachstum. Ein Problem bei der Verwendung von Fe(CO)$_{5}$ ist in allen Temperaturbereichen ein starker O-Einbau zu Wachstumsbeginn. Das mit XPS ermittelte, in HRTEM jedoch nicht nachweisbare, Grenzflächenoxid entsteht wahrscheinlich durch eine naßchemische Oxidation des Si-Substrats als Folge des bei der Fischer-Tropsch Reaktion : CO+3H$_{2} \rightarrow$ CH$_{4} \uparrow$ +H$_{2}$O freigesetzten H$_{2}$O. Eine geschlossene FeSi$_{2}$-Oberfläche stellt hingegen eine Barriere für einen weiteren O-Einbau dar. Mit SIMS wurde bei T$_{growth}$=700°C ein C-Einbau im Promille Bereich festgestellt, O konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Das 'Template-Verfahren', die GSMBE auf einer dünnen, mit SPE vorabgeschiedenen $\beta$-FeSi$_{2}$ Schicht, führt bei T$_{growth}$=550°C zum Wachstum von hochwertigem $\beta$-FeSi$_{2}$ in einer epitaktischen Orientierung, die durch die Template-Schicht vorgegeben ist: $\beta$-FeSi$_{2}$ (101) $\vert \vert$ Si(111). Es wird weder eine $\gamma$-FeSi$_{2}$ Schicht an der Grenzfläche, noch eine Anreicherungsschicht an der Oberfläche beobachtet. Da Grenzflächeneffekte auf Si(111) zu Beginn der GSMBE ausgeschaltet sind, könnte auch der O-Einbau im Grenzflächenbereich vermieden werden. Die niedrige Wachstumstemperatur, die gute Kristallinität und der Wegfall des Grenzflächenoxids machen dieses Verfahren zu einem vielversprechenden Weg zur Abscheidung dicker epitaktischer $\beta$-FeSi$_{2}$ Schichten. Es konnten einige Modellvorstellungen zum Wachstumsmechanismus entwickelt werden. Wahrscheinlich handelt es sich um eine echte Kodeposition von Si und Fe. Das'quasi-selbstjustierende' Wachstum von $\beta$-FeSi$_{2}$ beruht wahrscheinlich auf einer sowohl thermisch als auch autokatalytischen Zerlegung von Fe(CO)$_{5}$ und einer durch Fe bzw. Fe(CO)$_{5}$ katalysierten Zersetzung von SiH$_{4}$. Die beobachtete niedrige Abscheiderate, der Verlauf der Wachstumsrate wie und der vernac hlässigbare Einbau von O bei geschlossenen $\beta$-FeSi$_{2}$ Schichten lassen auf starke Adsorbateffekte schließen. Erste Hallmessungen an nicht optimierten Proben zeigen bei R.T. eine Löcherkonzentration im Bereich p $\simeq$ 2 $\cdot$ 10$^{18}$cm$^{-3}$ und eine Beweglichkeit von $\mu$h $\simeq$ 40-90cm$^{2}$ /Vs. Diese liegt um mehr als einen Faktor zehn über den Literaturdaten für SPE-, RDE- oder CVD-Proben. Eine Optimierung der Herstellungsparameter hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften läßt eine Löcherbeweglichkeit im Bereich $\mu$h > 100cm$^{2}$ /Vs erwarten wie bei $\beta$-FeSi$_{2}$ Schichten, die mittels Ionenstrahlsynthese hergestellt werden. Der Verlauf der optischen Absorptionskonstanten und das Fehlen jeglicher PL- Signale im Bereich des direkten Bandübergangs bei morphologisch, sehr guten $\beta$-FeSi$_{2}$ Schichten geben deutliche Hinweise auf eine indirekte Bandlücke. Der direkte Bandübergang liegt bei ca. 0.89eV, die indirekte Bandlücke ist bei etwa 0.71eV vorgelagert. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, daß sich $\beta$-FeSi$_{2}$ wahrscheinlich nicht für den Einsatz in aktiven, lichtemittierenden Bauelementen auf Si-Basis eignet. Eine Anwendung in Infrarot-Detektoren oder in Solarzellen ist aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten jedoch durchaus denkbar.

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