Estudio morfológico y estructural del crecimiento epitaxial de capas de Si y Si 1-y Cy

Abstract

En este trabajo se ha estudiado el crecimiento epitaxial de capas de silicio sobre substrato de Si (001) y capas pseudomórficas de Si1-yCy utilizando silano y tetrametilsilano como gases precursores en el crecimiento vía Deposición Química en Fase Vapor. La temperatura mínima de epitaxia de las capas de Si ha sido del orden de 600°C. Dependiendo de los flujos y la temperatura se ha observado la formación de micromaclas a lo largo de la dirección {111}. También se ha efectuado el crecimiento de las aleaciones mediante Epitaxia en Fase Sólida utilizando una dosis de implantación de carbono elevada . La implantación iónica de Si en substrato de Si (180 keV, 5x1015 ion/cm2) ha resultado en la formación de una capa enterrada de silicio amorfo. Las muestras recocidas a temperaturas de 650°C, han crecido pseudomorficamente, con la presencia de máximos de interferencia en la zona de bajos ángulos con respecto al pico del substrato. Estos máximos son consecuencia de las zonas con esfuerzos de compresión y de fenómenos de interferencia entre las distintas zonas. La implantación de C se ha efectuado a 40 keV y 9x1015 ion /cm2; bajo estas condiciones se ha conseguido el crecimiento epitaxial en fase sólida de aleaciones de Si1-yCy a temperaturas bajas de 450°C. A pesar de la elevada cantidad de carbono introducido, los resultados obtenidos muestran incorporaciones substitucionales del orden de 0.3-0.4 %. La baja incorporación de carbono esta relacionada con la presencia de intersticiales de Si en exceso. Los intersticiales generados actúan como trampas para los átomos de carbono formando complejos Si-C. La formación de estos complejos reduce el estrés asociado y limita la cantidad de C substitucional en el sistema. Un estudio detallado a través del ajuste de las curvas rocking mediante teoría dinámica de rayos X, ha permitido una estimación de los espesores de las capas, la composición y otros parámetros estructurales de los perfiles de difracción.

Strained layer heterostructures based on group IV elements are of current interest because of the potential applications to build devices with improved carrier mobilities and suitable properties. In this work we investigated the strain and damage produced on Si substrates by high -dose ion implantation of Si and C after thermal treatment by double and triple crystal X-ray diffraction, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS). Si implantation (180 keV, 5x1015 Si at/cm2) al liquid nitrogen temperature forms a buried amorphous layer. Annealing at temperatures close to 650°C results in epitaxial films with significant defects recovery. X-ray rocking curves show the existence of interference fringes on the left hand side of (004) Si peak indicating the presence of tensile strained Si layers due to the generation of Si interstitials during the implantation process. C implantation, at 60 keV, 7x1015 ion/cm2 and 450°C, in the preamorphized Si wafers results in the growth of Si1-yCy epitaxial films with a low amount of substitutional carbon (y =0.2%). Rapid annealing at 750°C results in highly defective films with a maximum carbon content close to 0.4%. the high density defects is responsible for the partial strain relaxation observed in those layers. The amount of substitutional Si also decreases drastically with increasing temperature. Profile fitting of rocking curves using dynamical X-ray theory is used to estimate the carbon concentration and the strain and disorder profiles of the heterostructures.