RU2814063C1

RU2814063C1 - Method for growing semiconductor film

Info

Publication number: RU2814063C1
Application number: RU2023129395A
Authority: RU
Inventors: Валентин Николаевич ЖМЕРИК; Дмитрий Валерьевич Нечаев; Алексей Николаевич Семенов
Filing date: 2023-11-13
Publication date: 2024-02-21

Abstract

FIELD: molecular beam epitaxy technology.

SUBSTANCE: invention relates to methods for growing epitaxial heterostructures, allowing control of liquid metal directly during growth on the growth surface using molecular beam epitaxy technology. A method for growing a semiconductor film involves growing a semiconductor film in the form of an AlGaN-based heterostructure on a substrate by molecular beam epitaxy under metal-enriched growth conditions and measuring with a pyrometer the intensity of infrared radiation emitted by the surface of the growing semiconductor film. Based on changes in intensity, the metal flows and phase times of the pulsed process of growing a semiconductor film are adjusted. When the intensity decreases to a given value, film growth is stopped and excess metal is desorption from the surface of the grown film until the intensity of infrared radiation is restored to the initial level, after which the phases of growing the semiconductor film and desorption of excess metal from the surface of the grown film are repeated.

EFFECT: ability to control the accumulation of liquid metal (aluminium, gallium, indium) on the surface of a growing epitaxial semiconductor film and prevent the accumulation of excess metal during film growth.

7 cl, 2 ex

Description

Настоящее изобретение относится к способам выращивания эпитаксиальных гетероструктур на основе соединений A³N, а более конкретно - к способам, позволяющим контролировать жидкий металл непосредственно в процессе роста на ростовой поверхности при использовании технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ).The present invention relates to methods for growing epitaxial heterostructures based on A ³ N compounds, and more specifically to methods that make it possible to control the liquid metal directly during the growth process on the growth surface using molecular beam epitaxy (MBE) technology.

Разработка способов in situ (в процессе роста) контроля за растущим эпитаксиальным слоем началась одновременно с появлением таких методов эпитаксиального роста, как МВЕ (молекулярно-пучковая эпитаксия, МПЭ) и MOCVD (газофазная эпитаксия из паров металлоорганических соединений, ГФЭ). Более того, бурное развитие различных способов in situ диагностики во многом обусловило популярность и развитие этих эпитаксиальных методик. Основными параметрами, которые контролируются в процессе роста, являются толщина растущего эпитаксиального слоя, скорость роста и шероховатость поверхности. Применительно к нитридам металлов третьей группы все большее распространение получают оптические методы контроля за состоянием поверхности выращиваемой эпитаксиальной пленки.The development of methods for in situ (during growth) control of the growing epitaxial layer began simultaneously with the advent of such epitaxial growth methods as MBE (molecular beam epitaxy, MBE) and MOCVD (metal-organic vapor phase epitaxy, HPE). Moreover, the rapid development of various in situ diagnostic methods largely determined the popularity and development of these epitaxial techniques. The main parameters that are controlled during the growth process are the thickness of the growing epitaxial layer, growth rate and surface roughness. In relation to nitrides of metals of the third group, optical methods for monitoring the state of the surface of the grown epitaxial film are becoming increasingly widespread.

Известен способ измерения скорости роста пленки во время МПЭ (US4812650, МПК G01N 21/00, С30В 23/02, G01N 23/22, опубл. 14.03.1989), в основе которого лежит анализ вторичных фотоиндуцированных электронов, испускаемых растущей эпитаксиальной пленкой при облучении ее сфокусированным оптическим излучением.There is a known method for measuring the rate of film growth during MBE (US4812650, IPC G01N 21/00, C30B 23/02, G01N 23/22, publ. 03/14/1989), which is based on the analysis of secondary photoinduced electrons emitted by the growing epitaxial film during irradiation its focused optical radiation.

Этот известный способ не получил дальнейшего развития, поскольку для измерения скорости роста требовался крайне чувствительный амперметр с необходимостью измерять токи на уровне единиц пикоампер. Измерение таких низких значений токов является чрезвычайной трудной задачей. Шумы и наводки могут приводить к заметным погрешностям в измерении скорости роста. Однако сама идея использования оптических методов получила в дальнейшем широкое развитие.This known method was not further developed because measuring the growth rate required an extremely sensitive ammeter with the need to measure currents at the picoampere level. Measuring such low currents is extremely difficult. Noise and interference can lead to noticeable errors in measuring growth rates. However, the very idea of using optical methods was subsequently widely developed.

Известен способ контроля шероховатости поверхности растущего кристалла (US5205900, МПК С30В 23/08, С30В 23/02, С30В 25/02, H01L 23/02, H01L 23/203, опубл. 27.04.1993), в соответствии с которым на поверхность растущего кристалла фокусируют сигнал от лазерного источника, а дифрагированный свет от поверхности считывают приемником оптического излучения. Несомненным достоинством данного способа является возможность его использования в установках эпитаксиального роста, не требовательных к высокому вакууму, например, в технологии осаждения из пара метал-органических соединений или в других эпитаксиальных методиках роста из газовой фазы.There is a known method for controlling the surface roughness of a growing crystal (US5205900, MPK S30V 23/08, S30V 23/02, S30V 25/02, H01L 23/02, H01L 23/203, publ. 04/27/1993), according to which the surface of the growing The signal from the laser source is focused on the crystal, and the diffracted light from the surface is read by an optical radiation receiver. The undoubted advantage of this method is the possibility of its use in epitaxial growth installations that do not require high vacuum, for example, in the technology of vapor deposition of metal-organic compounds or in other epitaxial growth techniques from the gas phase.

Недостатком известного способа является достаточно сложные условия для наблюдения дифракционных картин. Способ был апробирован применительно к эпитаксиальным слоям на основе GalnAs с достаточно высоким структурным совершенством. В случае роста нитридных эпитаксиальных гетероструктур, характеризующихся заметно более низким кристаллическим совершенством, условия для наблюдения дифракционных картин, как правило, не выполняются.The disadvantage of this known method is that the conditions for observing diffraction patterns are quite difficult. The method was tested in relation to epitaxial layers based on GalnAs with a fairly high structural perfection. In the case of the growth of nitride epitaxial heterostructures, which are characterized by noticeably lower crystalline perfection, the conditions for observing diffraction patterns are, as a rule, not met.

Известен способ выращивания пленки, сопровождаемый контролем за толщиной растущей эпитаксиальной пленки (ЕР0814505, МПК С30В 23/02, H01L 21/66, H01L 21/20, опубл. 29.12.1997), в основе которого лежат оптические методы, такие как эллипсометры, поляриметры, системы отражения поляризованного света или другие функционально аналогичные системы, в которых световой пучок падает на эпитаксиальный слой под углом, превышающим угол Брюстера, при этом позволяя формировать сигнал, достаточно чувствительный для использования в мониторинге и управлении процессом роста в реальном времени. Важно отметить, что сигнал «в реальном времени» для использования в мониторинге и контроле эпитаксиального роста в системах МПЭ может содержать информацию не только о скорости роста напыляемого эпитаксиального слоя и его толщине, но и о составе, шероховатости и температуре во время осаждения. При этом сигналы, полученные с помощью эллипсометра, могут быть легко использованы в управлении технологическим процессом МПЭ.There is a known method for growing a film, accompanied by control over the thickness of the growing epitaxial film (EP0814505, IPC S30B 23/02, H01L 21/66, H01L 21/20, publ. 12/29/1997), which is based on optical methods such as ellipsometers, polarimeters , polarized light reflection systems, or other functionally similar systems in which the light beam strikes the epitaxial layer at an angle greater than the Brewster angle while still producing a signal sensitive enough for use in real-time monitoring and control of the growth process. It is important to note that the “real-time” signal for use in monitoring and controlling epitaxial growth in MBE systems can contain information not only about the growth rate of the deposited epitaxial layer and its thickness, but also about the composition, roughness and temperature during deposition. In this case, the signals obtained using an ellipsometer can be easily used in controlling the MPE technological process.

Однако известный способ не позволяет контролировать накопление жидкого металла на поверхности растущей эпитаксиальной пленки.However, the known method does not allow controlling the accumulation of liquid metal on the surface of the growing epitaxial film.

Известен способ выращивания эпитаксиальной пленки (KR100381538, МПК H01L 21/66, опубл. 22.05.2003), сопровождаемый контролем толщины и состава эпитаксиальной пленки за счет корректировки количества исходного газа, поступающего в камеру, путем сравнения оптического сигнала, полученного при отражении света от поверхности растущего слоя с известными значениями показателя преломления и отражения для данного состава и толщины эпитаксиальной пленки. Известное техническое решение включает в себя источник излучения света, направленный на поверхность эпитаксиального слоя в ростовой камере, и фотодетектор, регистрирующий интенсивность отраженного свет.A known method for growing an epitaxial film (KR100381538, IPC H01L 21/66, publ. 05/22/2003), accompanied by control of the thickness and composition of the epitaxial film by adjusting the amount of source gas entering the chamber, by comparing the optical signal obtained by reflecting light from the surface growing layer with known values of the refractive index and reflection for a given composition and thickness of the epitaxial film. The known technical solution includes a light source directed to the surface of the epitaxial layer in the growth chamber, and a photodetector that records the intensity of the reflected light.

Для определения шероховатостей на поверхности и тем более наличия капель металлов третьей группы известный способ не применялся. Однако идея использования оптических методов получила широкое распространение.The known method was not used to determine surface roughness and, especially, the presence of droplets of metals of the third group. However, the idea of using optical methods has become widespread.

Известен способ измерения толщины верхнего полупроводникового слоя в двухслойном полупроводниковом покрытии (JP7141044, H01L 21/66, G01B 11/06, опубл. 22.09.2022) посредством использования устройства измерения толщины пленки. Применяемое в способе устройство для измерения толщины пленки включает в себя источник света, предметный столик, полузеркало, фотоприемник и вычислитель толщины пленки. Свет, излучаемый источником света, отражается полузеркалом, а затем полупроводниковой подложкой, закрепленной на предметном столике, при этом свет, отраженный полупроводниковой подложкой, проходит через полузеркало и попадает на фотоприемник. Устройство измерения толщины пленки выполнено таким образом, что свет, отраженный полупроводниковой подложкой, делится на два пучка: отраженный поверхностью второго полупроводникового слоя и отраженный границей раздела между вторым полупроводниковым слоем и первым полупроводниковым слоем.There is a known method for measuring the thickness of the top semiconductor layer in a two-layer semiconductor coating (JP7141044, H01L 21/66, G01B 11/06, publ. 09/22/2022) by using a film thickness measuring device. The device used in the method for measuring film thickness includes a light source, a stage, a half-mirror, a photodetector and a film thickness calculator. The light emitted by the light source is reflected by the half-mirror and then by the semiconductor substrate mounted on the stage, and the light reflected by the semiconductor substrate passes through the half-mirror and hits the photodetector. The film thickness measuring device is designed in such a way that the light reflected by the semiconductor substrate is divided into two beams: reflected by the surface of the second semiconductor layer and reflected by the interface between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности контроля накопления жидкого металла на поверхности растущей эпитаксиальной пленки.The disadvantage of this known method is the inability to control the accumulation of liquid metal on the surface of the growing epitaxial film.

Известен способ измерения скорости роста пленки (US10488334, МПК G01N 21/41, G01N 21/84, H01L 21/66, С23С 16/52, опубл. 26.11.2019), включающий облучение поверхности эпитаксиального слоя излучением света различной длины волны и регистрация отраженного света рефлектометром. Коэффициент отражения на разных длинах волн при этом рассчитывается с использованием модельной функции. Модельная функция служит для выбора оптимального значения коэффициента отражения и определения наборов подгоночных параметров для каждой из длин волн, для которых ошибка между расчетным и измеренным значением коэффициента отражения минимальна. Отражательную способность тонкой пленки измеряют с помощью рефлектометра. Кроме того, изменение отражательной способности во времени моделируют расчетом соответствующей функции (модельной функцией отражательной способности) с использованием таких параметров эпитаксиальной пленки, как скорость роста, показатель преломления и т.п. Толщину эпитаксиальной пленки при этом определяют путем подгонки результата моделирования с использованием вышеперечисленных параметров таким образом, чтобы иметь минимальную погрешность сравнения результата моделирования с измеренными рефлектометром значениями изменения отражательной способности.There is a known method for measuring the film growth rate (US10488334, IPC G01N 21/41, G01N 21/84, H01L 21/66, C23C 16/52, publ. November 26, 2019), which includes irradiating the surface of the epitaxial layer with light of different wavelengths and recording the reflected light with a reflectometer. The reflectance at different wavelengths is calculated using the model function. The model function is used to select the optimal value of the reflectance and determine sets of fitting parameters for each of the wavelengths for which the error between the calculated and measured reflectance is minimal. The reflectivity of a thin film is measured using a reflectometer. In addition, the change in reflectivity over time is modeled by calculating the corresponding function (model reflectance function) using parameters of the epitaxial film such as growth rate, refractive index, etc. The thickness of the epitaxial film is determined by adjusting the simulation result using the above parameters in such a way as to have a minimum error in comparing the simulation result with the reflectivity change values measured by a reflectometer.

Известный способ не позволяет контролировать накопление жидкого металла на поверхности растущей эпитаксиальной пленки.The known method does not allow controlling the accumulation of liquid metal on the surface of the growing epitaxial film.

Известен способ измерения скорости осаждения пленки из паровой фазы (US11022428, МПК G01B 11/06, G01N 21/41, G01N 21/84, опубл. 01.06.2021), в котором отражательную способность тонкой пленки на заданной длине волны измеряют с помощью рефлектометра in situ в процессе роста. В дальнейшем модельную функцию отражательной способности подгоняют к измеренной отражательной способности, а скорость роста рассчитывают по результатам подгонки. Алгоритм работы данного способа состоит в следующем. Когда экспериментально определены максимальное и минимальное значение отражательной способности R₊ и R_-, схема обработки осуществляет вычисления коэффициента отражения r₀ на границе раздела между эпитаксиальной пленкой и воздушной средой на основе уравнения:There is a known method for measuring the rate of film deposition from the vapor phase (US11022428, IPC G01B 11/06, G01N 21/41, G01N 21/84, publ. 06/01/2021), in which the reflectivity of a thin film at a given wavelength is measured using a reflectometer in situ in the process of growth. Subsequently, the model reflectance function is fitted to the measured reflectance, and the growth rate is calculated from the fitting results. The operating algorithm of this method is as follows. When the maximum and minimum values of reflectivity R ₊ and R _- are experimentally determined, the processing circuit calculates the reflection coefficient r ₀ at the interface between the epitaxial film and the air environment based on the equation:

и абсолютное значение показателя преломления границы раздела между тонкой пленкой и подложкой (ρ) на основе уравнения:and the absolute value of the refractive index of the interface between the thin film and the substrate (ρ) based on the equation:

На основании полученных значений определяют скорость роста пленки.Based on the obtained values, the film growth rate is determined.

Однако, когда скорость роста рассчитывают по результатам подгонки, обычно получают несколько возможных решений, и не так просто определить, какое решение наиболее точно совпадает со скоростью роста пленки.However, when the growth rate is calculated from the fitting results, several possible solutions are usually obtained, and it is not easy to determine which solution most closely matches the film growth rate.

Известен способ выращивания пленок, сопровождаемый измерением толщины и стехиометрии тонких пленок (US6342265, МПК B05D 1/00, B05D 3/06, С23С 14/52, G01N 23/02, С30В 23/02, G01B 15/02, опубл. 29.01.2002), в котором имплантируют один или несколько источников альфа-излучения в субстрат, помещают субстрат в ростовую камеру с детектором, защищенным экраном, где выращивают пленку на подложке, регистрируют в реальном времени и in situ потерю энергии альфа-частиц при выращивании пленки на подложке, при этом калибруют детектор калибровочным источником, защищенным экраном, во время стадии роста.There is a known method for growing films, accompanied by measuring the thickness and stoichiometry of thin films (US6342265, IPC B05D 1/00, B05D 3/06, C23C 14/52, G01N 23/02, C30B 23/02, G01B 15/02, publ. 29.01. 2002), in which one or more sources of alpha radiation are implanted into the substrate, the substrate is placed in a growth chamber with a detector protected by a screen, where the film is grown on the substrate, and the energy loss of alpha particles during the growth of the film on the substrate is recorded in real time and in situ , while calibrating the detector with a calibration source protected by a screen during the growth stage.

В то же время при выращивании широкой номенклатуры полупроводниковых эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы (AIN-GaN) все чаще используют различные импульсные режимы роста в условиях избытка металла на поверхности роста. Такие условия обеспечивают двумерный режим роста за счет увеличения подвижности адатомов Ga. В этом случае оказывается возможным получить пленарные структуры с минимальными шероховатостями поверхности и резкими гетерограницами.At the same time, when growing a wide range of semiconductor epitaxial structures based on group 3 metal nitrides (AIN-GaN), various pulsed growth modes are increasingly used under conditions of excess metal on the growth surface. Such conditions provide a two-dimensional growth regime due to an increase in the mobility of Ga adatoms. In this case, it turns out to be possible to obtain plenary structures with minimal surface roughness and sharp heterointerfaces.

К сожалению, это также приводит к образованию скоплений избыточного металла на поверхности, который имеет тенденцию к каплеобразованию. При этом под металлической каплей растет плотность точечных дефектов. (С. Kruse, S. Einfeldt, Т. Bottcher, D. Hommel, D. Rudloff, J. Christen, Appl. Phys. Lett. 78 (24), 2001, 3827-3829 http://dx.doi.Org/10.1063/1.1377629).Unfortunately, this also results in accumulations of excess metal on the surface, which tends to form droplets. At the same time, the density of point defects under the metal drop increases. (S. Kruse, S. Einfeldt, T. Bottcher, D. Hommel, D. Rudloff, J. Christen, Appl. Phys. Lett. 78 (24), 2001, 3827-3829 http://dx.doi.Org /10.1063/1.1377629).

Известен способ контроля толщины и состава растущей пленки (KR100381538, МПК H01L 21/66, 22.05.2003), включающий облучение светом эпитаксиальной структуры в ростовой камере; определение интенсивности отраженного света с помощью фотодетектора. Данный способ обеспечивает сравнение значения сигнала, зарегистрированного фотодетектором с референсным сигналом в компараторе, вычисление числового значения, характеризующего скорость роста и ввод в персональный компьютер. Когда значение интенсивности света, меньше целевого значения, происходит увеличение подачу газа носителя для увеличения скорости роста, а когда значение превышает базовое, подача газа носителя уменьшается. В основе этого способа лежит изменение коэффициента отражения растущего эпитаксиального слоя в зависимости от состава и толщины эпитаксиального слоя.There is a known method for controlling the thickness and composition of the growing film (KR100381538, IPC H01L 21/66, 05/22/2003), including irradiating the epitaxial structure in the growth chamber with light; determining the intensity of reflected light using a photodetector. This method provides a comparison of the signal value recorded by the photodetector with a reference signal in the comparator, calculation of a numerical value characterizing the growth rate and input into a personal computer. When the light intensity value is less than the target value, the carrier gas supply is increased to increase the growth rate, and when the value exceeds the base value, the carrier gas supply is decreased. This method is based on changing the reflectance of the growing epitaxial layer depending on the composition and thickness of the epitaxial layer.

Известный способ не обеспечивает контроль за покрытием поверхности эпитаксиальной пленки атомами металла при ее выращивании. Изменение интенсивности отраженного света, которое неизбежно должно иметь место при покрытии поверхности эпитаксиальной пленки атомами металла, никак не учитывается.The known method does not provide control over the coverage of the surface of the epitaxial film with metal atoms during its growth. The change in the intensity of reflected light, which must inevitably occur when the surface of the epitaxial film is covered with metal atoms, is not taken into account in any way.

Известен способ выращивания полупроводниковой пленки (JP1994144992, МПК С30В 23/08, G01J 5/00, H01L 21/203, опубл. 24.05.1994), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает выращивание на подложке молекулярно-пучковой эпитаксией эпитаксиальной пленки, измерение пирометром интенсивности инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью растущей эпитаксиальной пленки и определение ее толщины по изменению интенсивности инфракрасного излучения и корректирование потоков металла и времени фаз импульсного процесса выращивания эпитаксиальной пленки.There is a known method for growing a semiconductor film (JP1994144992, IPC S30B 23/08, G01J 5/00, H01L 21/203, publ. 05.24.1994), which coincides with the present technical solution in the largest number of essential features and is accepted as a prototype. The prototype method involves growing an epitaxial film on a substrate using molecular beam epitaxy, measuring with a pyrometer the intensity of infrared radiation emitted by the surface of the growing epitaxial film and determining its thickness by changing the intensity of infrared radiation and adjusting the metal flows and the time of the phases of the pulsed process of growing the epitaxial film.

Известный способ-прототип не обеспечивает контроль за накоплением жидкого металла на поверхности растущего эпитаксиального слоя и не предотвращает накопление избыточного металла во время роста пленки.The known prototype method does not provide control over the accumulation of liquid metal on the surface of the growing epitaxial layer and does not prevent the accumulation of excess metal during film growth.

Задачей настоящего технического решения является разработка способа выращивания полупроводниковой пленки, который бы обеспечивал непосредственно в процессе роста контроль за накоплением жидкого металла (алюминия, галлия, индия) на поверхности растущей эпитаксиальной полупроводниковой пленки и предотвращал накопление избыточного металла во время роста пленки.The objective of the present technical solution is to develop a method for growing a semiconductor film that would directly during the growth process control the accumulation of liquid metal (aluminum, gallium, indium) on the surface of the growing epitaxial semiconductor film and prevent the accumulation of excess metal during film growth.

Поставленная задача решается тем, что способ включает выращивание на подложке молекулярно-пучковой эпитаксией полупроводниковой пленки, измерение пирометром интенсивности инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью растущей полупроводниковой пленки, и по изменению интенсивности инфракрасного излучения корректировку потоков металлов и времени фаз импульсного процесса выращивания полупроводниковой пленки. Новым в способе является то, что выращивание осуществляют в металл-обогащенных условиях роста пленки в виде гетероструктуры на основе AlGaN, при снижении интенсивности инфракрасного излучения до заданного значения прекращают выращивание пленки и проводят десорбцию избытка металла с поверхности выращиваемой гетероструктуры до восстановления интенсивности инфракрасного излучения к исходному уровню, после чего повторяют фазы выращивания пленки и десорбции избытка металла с поверхности выращиваемой пленки.The problem is solved in that the method includes growing a semiconductor film on a substrate using molecular beam epitaxy, measuring with a pyrometer the intensity of infrared radiation emitted by the surface of the growing semiconductor film, and, based on changes in the intensity of infrared radiation, adjusting the flow of metals and the time of the phases of the pulsed process of growing the semiconductor film. What is new in the method is that the growth is carried out under metal-enriched conditions of growth of a film in the form of an AlGaN-based heterostructure; when the intensity of infrared radiation decreases to a given value, the growth of the film is stopped and excess metal is desorption from the surface of the grown heterostructure until the intensity of infrared radiation is restored to the original level, after which the phases of film growth and desorption of excess metal from the surface of the grown film are repeated.

В качестве пирометра может быть использован узкоселективный инфракрасный фотодиод.A narrow-selective infrared photodiode can be used as a pyrometer.

В качестве пирометра может быть использована также ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица инфракрасного спектрального диапазона.A CCD (charge-coupled device) matrix in the infrared spectral range can also be used as a pyrometer.

Подложка может быть изготовлена из оксида алюминия А₂О₃.The substrate can be made of aluminum oxide A ₂ O ₃ .

Подложка может быть изготовлена из кремния (Si).The substrate may be made of silicon (Si).

Подложка может быть изготовлена из карбида кремния (SiC).The substrate can be made of silicon carbide (SiC).

Подложка может быть изготовлена из карбида кремния (SiC) гексагонального политипа 2Н.The substrate can be made of silicon carbide (SiC) of the 2H hexagonal polytype.

Подложка может быть изготовлена из карбида кремния (SiC) гексагонального политипа 4Н.The substrate can be made of silicon carbide (SiC) of the 4H hexagonal polytype.

Подложка может быть изготовлена из карбида кремния (SiC) гексагонального политипа 6Н.The substrate can be made of silicon carbide (SiC) of the 6H hexagonal polytype.

Настоящее техническое решение позволяет контролировать количество накопленного металла и своевременно переходить от стадии накопления к стадии десорбции и наоборот. Важно отметить, что для осуществления контроля за жидким металлом на поверхности эпитаксиальной пленки, нет необходимости оснащении установки эпитаксиального роста дополнительным диагностическим оборудованием. Процесс эпитаксиального роста методом МПЭ структур на основе нитридов металлов III группы проводят при температурах 600-900°С. Хорошо известен факт, что нагретый до таких температур объект излучает в широком спектральном диапазоне. В процессе проведение экспериментов было достоверно установлено, что покрытие поверхности нагретой эпитаксиальной структуры атомами металла, приводит к заметным изменениям в ее излучательной способности. Наиболее заметны эти изменения в инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне. Эти изменения могут фиксироваться как обычным пирометром, так и узкоселективным ИК фотодиодом, или CCD матрицей и служить надежным индикатором степени покрытия поверхности атомами металла.This technical solution allows you to control the amount of accumulated metal and timely move from the accumulation stage to the desorption stage and vice versa. It is important to note that in order to monitor the liquid metal on the surface of the epitaxial film, there is no need to equip the epitaxial growth installation with additional diagnostic equipment. The process of epitaxial growth by MBE of structures based on group III metal nitrides is carried out at temperatures of 600-900°C. It is a well-known fact that an object heated to such temperatures emits radiation in a wide spectral range. During the experiments, it was reliably established that coating the surface of a heated epitaxial structure with metal atoms leads to noticeable changes in its emissivity. These changes are most noticeable in the infrared (IR) spectral range. These changes can be detected either by a conventional pyrometer or by a highly selective IR photodiode or CCD matrix and serve as a reliable indicator of the degree of surface coverage with metal atoms.

Способ выращивания полупроводниковой пленки осуществляют следующим образом.The method of growing a semiconductor film is carried out as follows.

На подложке, например, из оксида алюминия А₂О₃ (в качестве подложки также может быть использован кремний (Si) или карбид кремния (SiC) гексагонального политипа 2Н или 4Н, или 6Н), молекулярно-пучковой эпитаксией выращивают в металл-обогащенных условиях роста пленку в виде гетероструктуры на основе AIGaN, одновременно регистрируя пирометром интенсивность инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью растущей полупроводниковой пленки. При начале эпитаксиального роста в металл обогащенных условиях, избыточные атомы металла начинают накапливаться на поверхности. На начальной стадии формируется тонкий атомарный слой металла, а затем и бислой металла. Именно такая конфигурация (бислой) является термодинамически устойчивой и обладает более высокой энергией активации. Дальнейшее накопление атомов металла на ростовой поверхности приводит к образованию капель, размер которых может достигать нескольких микрон (размер капель зависит от количества осажденного металла). На стадии накопления металла в первоначальный момент возникает резкий скачек сигнала пирометра, обусловленный дополнительной засветкой подложки от источника металла (как правило, сильно нагретого) при открытии заслонки и начале роста эпитаксиального слоя. В дальнейшем наблюдается быстрый спад сигнала из-за уменьшения излучательной способности эпитаксиальной поверхности запыленной металлом. Как правило, сигнал достигает равновесного уровня при напылении 30-40 МС (монослоев) металла. На данном этапе на поверхности уже формируются капли металла. При снижении интенсивности инфракрасного излучения, регистрируемого пирометром, до заданного значения прекращают фазу выращивания полупроводниковой пленки, закрывая заслонки подачи молекулярных потоков, и начинают фазу десорбции избытка металла с поверхности выращиваемой пленки. Испарение избыточного накопленного металла с поверхности подложки осуществляют за счет термически активируемой десорбции. На первой стадии происходит преимущественное испарение металла из капли, испарение из бислоя при этом незначительно, а сам бислой восполняется за счет перехода металла из капли в бислой. После того, как капля металла полностью испаряется, начинается интенсивное испарение металла из бислоя и атомарного слоя. На стадии накопления металла в первоначальный момент возникает резкий скачек сигнала пирометра, обусловленный дополнительной засветкой подложки от источника металла (как правило, сильно нагретого) при открытии заслонки и начале роста эпитаксиального слоя. В дальнейшем наблюдается быстрый спад сигнала из-за уменьшения излучательной способности эпитаксиальной поверхности запыленной металлом. Как правило, сигнал достигает равновесного уровня при напылении 30-40 МС металла. На данном этапе на поверхности уже формируются капли металла. Небольшой рост уровня сигнала в дальнейшем, возможно, объясняется медленным нагревом эпитаксиальной пленки за счет лучистой энергии нагретого источника металла (например, типичная температура источника галлия 1100°С). При переходе к стадии удаления избыточного металла (закрытие заслонки источника металла), наблюдается вначале резкое падение уровня сигнала пирометра из-за устранения паразитной засветки подложки от источника металла, а затем его плавное уменьшение (медленное остывание эпитаксиальной пленки). Важно отметить, что на данном этапе поддерживается покрытие эпитаксиальной пленки бислоем металла, испарение происходит преимущественно из капель металла. Затем начинается испарение металла из бислоя, этому процессу отвечает резкое возрастание сигнала пирометра из-за изменения излучательной способности поверхности эпитаксиальной пленки. При восстановлении интенсивности инфрактасного излучения к исходному уровню прекращают фазу десорбции избытка металла и затем повторяют фазы выращивания полупроводниковой пленки и десорбции избытка металла с поверхности выращиваемой пленки.On a substrate, for example, aluminum oxide A ₂ O ₃ (silicon (Si) or silicon carbide (SiC) of the hexagonal polytype 2H or 4H, or 6H can also be used as a substrate), grown by molecular beam epitaxy under metal-enriched conditions growth of a film in the form of an AIGaN-based heterostructure, while simultaneously recording with a pyrometer the intensity of infrared radiation emitted by the surface of the growing semiconductor film. When epitaxial growth begins under metal-enriched conditions, excess metal atoms begin to accumulate on the surface. At the initial stage, a thin atomic layer of metal is formed, and then a metal bilayer. It is this configuration (bilayer) that is thermodynamically stable and has a higher activation energy. Further accumulation of metal atoms on the growth surface leads to the formation of droplets, the size of which can reach several microns (the size of the droplets depends on the amount of deposited metal). At the metal accumulation stage, at the initial moment there is a sharp jump in the pyrometer signal, due to additional illumination of the substrate from the metal source (usually very heated) when the shutter opens and the growth of the epitaxial layer begins. Subsequently, a rapid decrease in the signal is observed due to a decrease in the emissivity of the epitaxial surface covered with metal dust. As a rule, the signal reaches an equilibrium level when 30-40 ML (monolayers) of metal are deposited. At this stage, drops of metal are already forming on the surface. When the intensity of infrared radiation recorded by the pyrometer decreases to a predetermined value, the phase of growing the semiconductor film is stopped by closing the dampers for supplying molecular flows, and the phase of desorption of excess metal from the surface of the grown film begins. Evaporation of excess accumulated metal from the surface of the substrate is carried out due to thermally activated desorption. At the first stage, the predominant evaporation of metal from the drop occurs, evaporation from the bilayer is insignificant, and the bilayer itself is replenished due to the transfer of metal from the drop to the bilayer. After the metal droplet has completely evaporated, intense evaporation of the metal from the bilayer and the atomic layer begins. At the metal accumulation stage, at the initial moment there is a sharp jump in the pyrometer signal, due to additional illumination of the substrate from the metal source (usually very heated) when the shutter opens and the growth of the epitaxial layer begins. Subsequently, a rapid decrease in the signal is observed due to a decrease in the emissivity of the epitaxial surface covered with metal dust. As a rule, the signal reaches an equilibrium level when 30-40 ML of metal is deposited. At this stage, drops of metal are already forming on the surface. A slight increase in the signal level in the future may be explained by the slow heating of the epitaxial film due to the radiant energy of the heated metal source (for example, the typical temperature of the gallium source is 1100°C). When moving to the stage of removing excess metal (closing the metal source shutter), there is first a sharp drop in the pyrometer signal level due to the elimination of parasitic illumination of the substrate from the metal source, and then a smooth decrease (slow cooling of the epitaxial film). It is important to note that at this stage the coating of the epitaxial film with a metal bilayer is maintained, evaporation occurs predominantly from metal droplets. Then the evaporation of the metal from the bilayer begins; this process corresponds to a sharp increase in the pyrometer signal due to a change in the emissivity of the surface of the epitaxial film. When the intensity of infratasm radiation is restored to the initial level, the phase of desorption of excess metal is stopped and then the phases of growing the semiconductor film and desorption of excess metal from the surface of the grown film are repeated.

Высокую чувствительность пирометра подтвердили эксперименты по напылению тонкого слоя металла, номинальной толщиной 1, 2, 4 и 7 монослоев на предварительно очищенную поверхность эпитаксиального слоя. Таким образом, импульсная методика роста может быть легко оптимизирована непосредственно в процессе роста эпитаксиального слоя. На основе полученных данных разработанный алгоритм определяет оптимальные времена стадий накоплений галлия (этап непосредственно роста в условиях избытка металла на поверхности) и стадии ликвидации капель (в условиях прерывания роста). Времена роста (t_роста) и времена паузы (t_паузы) импульсной эпитаксиальной методики при этом определяются согласно выражению (1 и 2):The high sensitivity of the pyrometer was confirmed by experiments on deposition of a thin layer of metal with a nominal thickness of 1, 2, 4 and 7 monolayers on a pre-cleaned surface of the epitaxial layer. Thus, the pulsed growth technique can be easily optimized directly during the growth of the epitaxial layer. Based on the data obtained, the developed algorithm determines the optimal times for the stages of gallium accumulation (the stage of direct growth under conditions of excess metal on the surface) and the stage of droplet elimination (under conditions of interrupted growth). The growth times (t _growth ) and pause times (t _pause ) of the pulsed epitaxial technique are determined according to expression (1 and 2):

где Δt₁ - время накопления металла на поверхности (определяется по выходу показаний пирометра на стационарный уровень);where Δt ₁ is the time of metal accumulation on the surface (determined by the pyrometer readings reaching a stationary level);

Δt₂ - времена фазы десорбции избытка металла;Δt ₂ - times of the desorption phase of excess metal;

h_слоя - толщина эпитаксиального слоя, которую необходимо вырастить;h _layer is the thickness of the epitaxial layer that needs to be grown;

υ_роста - скорость роста (определяется скоростью поступления азота).υ _growth - growth rate (determined by the rate of nitrogen supply).

Пример 1. Осуществляли выращивание цифрового твердого раствора AlGaN. Твердый раствор AlGaN был выращен на подложке из Al₂O₃ с односторонней полировкой, которая во время роста вращалась со скоростью 30 об/мин, методом плазменно-активированной МПЭ на установке Riber 21 Compact с вертикальной геометрией ростовой камеры. После предварительного отжига подложки при температуре Ts=820°С в течение 40 минут была проведена процедура нитридизации в потоке атомарного азота, возбужденного с использованием плазменного источника. Время нитридизации поверхности составляло 8 минут. Состояние поверхности при этом контролировали с помощью системы дифракции отраженных быстрых электронов. Затем был выращен зародышевый слой AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией адатомов при температуре Ts=780°С. После формирования зародышевого слоя толщиной 60-130 нм, рост AIN продолжали в режиме металл-модулированной эпитаксии, когда избыток металла не десорбировался с поверхности эпитаксиальной пленки, а встраивался с потоком активированного азота во время прерывания роста. Рост твердого раствора AlGaN проводили при температуре Ts=700°С. На первой стадии в течение 16 сек напыляли слой AIN (при этом также была открыта заслонка Ga для поддержания металл-обогащенных условий роста), затем в течении 4 сек выращивали слой GaN (соотношение потоков Ga/N~1.2), после чего осуществляли прерывание роста до полного удаления избытка металла. Время прерывания в данном случае составляло 40 секунд и было определено на основе показаний пирометра по методике, предложенной в настоящем техническом решении. Далее все три стадии многократно повторяли (600 раз) для выращивания эпитаксиального слоя твердого раствора заданной толщины.Example 1. A digital AlGaN solid solution was grown. The AlGaN solid solution was grown on an Al ₂ O ₃ substrate with one-sided polishing, which rotated at a speed of 30 rpm during growth, using plasma-activated MBE on a Riber 21 Compact installation with a vertical growth chamber geometry. After preliminary annealing of the substrate at a temperature of Ts=820°C for 40 minutes, a nitridation procedure was carried out in a flow of atomic nitrogen excited using a plasma source. The surface nitridation time was 8 minutes. The state of the surface was monitored using a system of reflected high-energy electron diffraction. Then the AIN seed layer was grown in epitaxy mode with increased migration of adatoms at a temperature of Ts=780°C. After the formation of a seed layer 60–130 nm thick, AIN growth continued in the metal-modulated epitaxy mode, when excess metal was not desorbed from the surface of the epitaxial film, but was incorporated with a flow of activated nitrogen during growth interruption. The growth of the AlGaN solid solution was carried out at a temperature of Ts=700°C. At the first stage, an AIN layer was sputtered for 16 sec (at the same time, the Ga shutter was also opened to maintain metal-enriched growth conditions), then a GaN layer was grown for 4 sec (Ga/N flux ratio ~ 1.2), after which the growth was interrupted until excess metal is completely removed. The interruption time in this case was 40 seconds and was determined based on pyrometer readings using the method proposed in this technical solution. Then, all three stages were repeated many times (600 times) to grow an epitaxial layer of the solid solution of a given thickness.

Пример 2. Была выращена гетероструктура AlGaN УФ фотодиода Шоттки на подложке из Al₂O₃ с двусторонней полировкой, которая во время роста вращалась со скоростью 30 об/мин, методом плазменно-активированной МПЭ на установке Riber 21 Compact с вертикальной геометрией ростовой камеры. После отжига подложки при температуре Ts=820°С в течение 40 минут была проведена процедура нитридизации в потоке атомарного азота, возбужденного с использованием плазменного источника. Время нитридизации поверхности составляло 8 минут. Состояние поверхности при этом контролировали с помощью системы дифракции отраженных быстрых электронов. Затем был выращен зародышевый слой AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией адатомов при температуре Ts=780°С. После формирования зародышевого слоя толщиной 60-130 нм, рост AIN продолжали в режиме металл-модулированной эпитаксии, когда избыток металла не десорбировался с поверхности эпитаксиальной пленки, а встраивался во время прерываний роста под потоком активированного азота. Далее при температуре Ts=700°С осуществляли рост твердого раствора Al_0.7Ga_0.2N, легированного кремнием, в режиме эпитаксии с термическим испарением капель избыточного металла. Данный слой обеспечивает в диодной структуре n-контакт. Для этого вначале в течение 40 секунд осуществляли рост Al_0.7Ga_0.2N твердого раствора в металл-обогащенных условиях (соотношение потоков элементов III/V групп ~ 1.8). На этой стадии происходило постепенное накопление галлия на ростовой поверхности. Затем вводилась пауза, когда все заслонки закрывали, и в течение 40 секунд осуществлялась десорбция избыточного металла с ростовой поверхности. Время, в течение которого осуществлялось прерывание роста (40 секунд), определяли на основании показаний пирометра по методике, предложенной в настоящем техническом решении. Далее обе стадии повторялись до формирования заданной толщины (300 нм) эпитаксиальной пленки. После роста Al_0.7Ga_0.2N твердого раствора осуществляли рост активной области диода Шоттки при температуре Ts=700°С, которая представляла собой слой твердого раствора Al_0.55Ga_0.45N толщиной 200 нм. Для этого вначале в течение 40 секунд осуществляли рост Al_0.55Ga_0.45N твердого раствора в металл-обогащенных условиях (соотношение потоков элементов III/V групп ~ 1.8). На этой стадии происходило постепенное накопление галлия на ростовой поверхности. Затем вводилась пауза, когда все заслонки закрывали и в течение 40 секунд осуществлялась десорбция избыточного металла с ростовой поверхности. Время, в течение которого осуществлялось прерывание роста (40 секунд) определяли на основании данных пирометра по методике, предложенной в настоящем техническом решении. Далее обе стадии повторяли до формирования заданной толщины (200 нм) эпитаксиальной пленки.Example 2. An AlGaN heterostructure of a Schottky UV photodiode was grown on an Al ₂ O ₃ substrate with double-sided polishing, which rotated at a speed of 30 rpm during growth, using plasma-activated MBE on a Riber 21 Compact installation with a vertical growth chamber geometry. After annealing the substrate at a temperature of Ts=820°C for 40 minutes, a nitridization procedure was carried out in a flow of atomic nitrogen excited using a plasma source. The surface nitridation time was 8 minutes. The state of the surface was monitored using a system of reflected high-energy electron diffraction. Then the AIN seed layer was grown in epitaxy mode with increased migration of adatoms at a temperature of Ts=780°C. After the formation of a seed layer 60–130 nm thick, AIN growth continued in the metal-modulated epitaxy mode, when excess metal was not desorbed from the surface of the epitaxial film, but was incorporated during growth interruptions under a flow of activated nitrogen. Next, at a temperature Ts=700°C, the Al _0.7 Ga _0.2 N solid solution doped with silicon was grown in the epitaxy mode with thermal evaporation of excess metal droplets. This layer provides an n-contact in the diode structure. To do this, the Al _0.7 Ga _0.2 N solid solution was first grown for 40 seconds under metal-enriched conditions (ratio of group III/V element flows ~ 1.8). At this stage, gallium gradually accumulated on the growth surface. Then a pause was introduced when all the shutters were closed, and excess metal was desorption from the growth surface for 40 seconds. The time during which growth was interrupted (40 seconds) was determined based on pyrometer readings using the method proposed in this technical solution. Then both stages were repeated until a given thickness (300 nm) of the epitaxial film was formed. After the growth of the Al _0.7 Ga _0.2 N solid solution, the active region of the Schottky diode was grown at a temperature of Ts = 700°C, which was a layer of the Al _0.55 Ga _0.45 N solid solution 200 nm thick. To do this, the Al _0.55 Ga _0.45 N solid solution was first grown for 40 seconds under metal-enriched conditions (ratio of group III/V element flows ~ 1.8). At this stage, gallium gradually accumulated on the growth surface. Then a pause was introduced when all the shutters were closed and excess metal was desorption from the growth surface for 40 seconds. The time during which growth was interrupted (40 seconds) was determined based on pyrometer data using the method proposed in this technical solution. Then both stages were repeated until a given thickness (200 nm) of the epitaxial film was formed.

Claims

1. A method for growing a semiconductor film, including growing a semiconductor film on a substrate using molecular beam epitaxy, measuring with a pyrometer the intensity of infrared radiation emitted by the surface of the growing semiconductor film, and, based on changes in the intensity of infrared radiation, adjusting the flow of metals and the time of phases of the pulsed process of growing a semiconductor film, characterized in that that growth is carried out under metal-enriched conditions of film growth in the form of an AlGaN-based heterostructure; when the intensity of infrared radiation decreases to a given value, film growth is stopped and excess metal is desorption from the surface of the grown film until the intensity of infrared radiation is restored to the original level, after which it is repeated phases of growing a semiconductor film and desorption of excess metal from the surface of the grown film.

2. The method according to claim 1, characterized in that a narrowly selective infrared photodiode is used as a pyrometer.

3. The method according to claim 1, characterized in that a CCD matrix of the infrared spectral range is used as a pyrometer.

4. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is made of aluminum oxide A ₂ O ₃ .

5. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is made of silicon (Si).

6. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is made of silicon carbide (SiC).

7. The method according to claim 6, characterized in that the substrate is made of silicon carbide (SiC) of the hexagonal polytype 2H, or 4H, or 6H.