Kinetische und spannungsinduzierte Selbstorganisation auf Si

Instabilitäten während des epitaktischen Wachstums sind ein weitverbreitetes Phänomen, das insbesondere auf Metalloberflächen intensiv untersucht wurde. Trotz höherer Anwendungsrelevanz werden derartige Effekte erst seit kurzem auch auf Halbleitern untersucht, insbesondere im Zusammenhang mit dreidimensionales Wachstum in verspannten Heterosystemen, das zu selbstorganisierten Nanostrukturen führen kann. Wir entdeckten kürzlich eine Wachstumsinstabilität auf der technisch wichtigen Si(001) Oberfläche, die zur Bildung von quasiperiodischer Welligkeit unter rein kinetischen Bedingungen führt. Das vorliegenden Projekts soll zum einen die zugrundeliegenden Mechanismen aufklären und zum anderen das Wechselspiel zwischen kinetischen und spannungsinduzierten Wachstumseffekten für neue Konzepte selbstorganisierten Wachstums nutzbar zu machen. Dazu ist es zunächst notwendig, die Amplitude und die mittlere Periode der kinetischen Instabilität als Funktion der relevanten Wachstumsparameter meßtechnisch zu erfassen. Da die Kinetik von Vorgängen auf atomarer Ebene dominiert wird, sind dazu Rastersondentechniken entsprechender Auflösung nötig. Die experimentellen Ergebnisse werden dann dazu verwendet, realistische OberflächenDiffusionspotentiale für zweidimensionale kinetische Monte-Carlo-Simulationen zu erstellen. Daraus soll ein quantitatives Modell gewonnen werden, das Vorhersagen über das Verhalten der Instabilität bei Änderung der Wachstumsparameter erlaubt. In weiteren Verlauf sollen kinetische und spannungsinduzierte Effekte im Si/SiGe Heterosystem kombiniert werden, um einen höheren Grad der Selbstorganisation zu erreichen. Dabei sorgt die Schichtverspannung für die bekannte Erzeugung von Quante-Punkten, während der kinetische Beitrag zur langreichweitigen, über die Wachstumsparameter einstellbaren Ordnung dieser Inseln führen soll. Das Aufrauhen der Si-Oberfläche unter kinetischen Wachstumsbedingungen soll auch im Zusammenhang mit den besonders anwendungsorientierten SiGe/Si Feldeffekttransistoren untersucht werden: Seit langem ist bekannt, daß SiGe-Kanälen auf Si-Substraten nicht zu der theoretisch vorhergesagten Verbesserung der Trägerbeweglichkeit führen. Unklar ist aber nach wie vor, ob Grenzflächenrauhigkeits- oder Legierungsstreung die Beweglichkeiten limitieren. Mit der in relativ weiten Bereichen kinetisch einstellbaren Grenzflächenrauhigkeit lassen sich nun erstmals die beiden Mechanismen separieren. Sollte sich tatsächlich herausstellen, daß die Grenzflächenrauhigkeit die Beweglichkeit limitiert, so ließen sich erhebliche Verbesserungen durch Optimieren der Wachstumsbedingungen erzielen, die die einfach herzustellenden SiGe/Si. Feldeffekttransistoren attraktiv für den großtechnischen Einsatz machen könnten.

Die Si-(001)-Oberfläche ist die technisch wichtigste Silicium-Oberfläche, weil sie von grundlegender Funktion für alle integrierten Digitalbauelemente ist. Epitaktisches Kristallwachstum auf dieser Oberfläche ist seit vielen Jahren ein Standardprozeß bei der Herstellung von Silicium-Computer-Chips. Trotzdem war bis zu unserer Veröffentlichung 1999 nicht bekannt, daß Kristallwachstum auf dieser Oberfläche unter bestimmten Bedingungen instabil ist und zu quasi-periodischen Modulationen der Oberfläche durch lokale Anhäufung einatomarer Höhenstufen (sog. Step-Bunching) führen kann. Das FWF-Projekt P16223N08 baute auf diesem experimentellen Befund auf und hatte sich zum Ziel gesetzt, dieses Wachstumsphänomen umfassend zu charakterisieren und mögliche Anwendungspotentiale auf dem Gebiet der Selbstorganisation zu erschließen. Durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen konnten wir den dominierenden Mechanismus identifizieren, der zu kinetischem Step-Bunching führt: Es handelt sich dabei um die Wechselwirkung zwischen der Oberflächenrekonstruktion auf atomarer Ebene, die zu einer ausgeprägten Diffusionsasymmetrie führt, und der Adsorptions/Desorptions-Kinetik an den atomaren Höhenstufen. Experimentell konnte nachgewiesen werden, daß im Flankenbereich der Step-Bunches bevorzugte Nukleation von Si- und SiGe-Inseln erfolgt, die im sogenannten Stranski-Krastanow-Selbstorganisations-Mechanismus erzeugt werden. Durch Kombination der beiden Prozesse läßt sich somit ein gewisses Maß an Ordnung beim Inselwachstum erzeugen. Perfekte Ordnung wird dagegen erreicht, wenn die Substrate per Lithographie mit periodischen Vertiefungen nanostrukturiert werden. Unter geeigneten Abscheidebedingungen nukleieren die Inseln dann am tiefsten Punkt der Gruben und bilden so eine Anordnung, die die Geometrie der lithographischen Vorstrukturen perfekt reproduziert. Derartige periodische Anordnungen sind von großem Interesse für Anwendungen, bei denen einzelne Inseln elektrisch kontaktiert werden müssen. Auf der Basis der anfänglichen Experimente, bei denen kinetisches Step-Bunching mit Inselwachstum kombiniert wurde, entwickelten wir ein qualitatives Modell für die Nukleation von Inseln am Boden lithographisch hergestellter Gruben. Dieses Modell wurde in nachfolgenden Simulationen bestätigt, die ergaben, daß der tiefste Punkt einer Grube kinetisch und energetisch der bevorzugte Nukleationsort für Ge-Inseln darstellt. Die Ergebnisse haben zu einem weit verbesserten Verständnis von Selbstorganisationsphänomenen im Si/SiGe Heterosystem geführt. Es kann erwartet werden, daß sie wichtig werden für neue Anwendungen, die Top-Down- (Lithographie) und Bottom-Up- (Selbstorganisation) - Methoden kombinieren, um geordnete Halbleiternanostrukturen zu erzeugen. Darüber hinaus stellten die Ergebnisse von Projekt P16223 die Basis für das Teilprojekt P2 im international besetzten Spezialforschungsbereich SFB 025 des FWF dar.