Способ формирования слоя карбида кремния на кремниевой подложке

Способ формирования слоя карбида кремния на кремниевой подложке

Реферат

 

Изобретение может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность изобретения: способ включает активирование приповерхостной области кремниевой подложки путем бомбардировки ионами аргона и термообработку подложки в углеводородной среде реактора, в частности в остаточных парах масла из пароструйного вакуумного насоса, в присутствии нагретого графитового стержня.

Изобретение относится к физико-химической технологии получения материалов электронной техники и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Известен способ формирования слоев карбида кремния [1] путем бомбардировки монокристалла кремния пучками ионов углерода с энергий 30-100 кэВ и последующей термообработки в вакууме. Для улучшения однородности формируемого слоя на поверхность монокристалла кремния предварительно наносят слой углерода толщиной 30-80 нм, а ионную бомбардировку ведут импульсами длительностью 1-20 мс при частоте следования 15-20 с^-1.

Данный способ является слишком сложным для его практической реализации. Кроме того, синтезированный слой =SiC в отсутствие возможности обеспечения нужного стехиометрического соотношения между атомами С и Si оказывается неоднородным. Усложнение способа связано, с одной стороны, с добавлением операции предварительного осаждения углеродного слоя и операции удаления остатка углерода после ионной бомбардировки и термообработки, с другой, с заменой непрерывного облучения импульсным, что кроме необходимости встраивания в ионно-лучевую установку модулятора ионного потока сопряжено с многократным увеличением длительности процесса синтеза.

По способу [2], взятому за прототип, предусмотрены анодирование в плавиковой кислоте и нагрев обработанной указанным образом подложки до температуры 1050-1250^оС в атмосфере метана, этана, этилена, пропана, пропилена или их смесей в течение времени, достаточного для протекания реакции между пористым кремнием и углеводородным газом.

Недостатком способа-прототипа является то, что одна из его операций - анодирование в плавиковой кислоте - несовместима с многими традиционными технологическими операциями производства полупроводниковых приборов и интегральных схем (окисление поверхности подложки в атмосфере кислорода, ионно-лучевое легирование, металлизация и др.), что препятствует созданию единого автоматизированного производственного процесса. Кроме того, при анодировании в монокристаллическом кремнии вытравливаются крупные прямолинейные каналы, которые впоследствии наследуются формируемым слоем карбида кремния. В результате возникает ситообразная микроструктура, лишенная сплошности и однородности. Таким образом, данный способ не позволяет достичь желаемого технического результата - однородного текстурированного или поликристаллического карбида кремния.

Сущность заявленного способа направлена на решение проблемы создания на поверхности кремниевой подложки однородного поликристаллического или текстурированного карбида кремния посредством получения аморфного приповерхностного слоя, обеспечивающего эффективную реакцию углеводородного газа с кремнием.

Сущность заключается в том, что по способу формирования слоя карбида кремния на кремниевой подложке, включающему активирование приповерхностной области кремниевой подложки и термообработку подложки в углеводородной среде реактора, активирование осуществляют бомбардировкой ионами аргона с энергией не менее 1 кэВ и дозой не менее 6,3 10¹⁴ ион/см при комнатной или пониженной температуре, в качестве углеводородной среды используют остаточные пары масла из пароструйного вакуумного насоса с парциальным давлением не ниже 10^-5 Па, а термообработку проводят при температуре 900-1000^оС в течение времени не менее 3 мин в присутствии графитового стержня, нагретого до температуры 450-1000^оС.

В заявляемом способе для активирования приповерхностного слоя подложки используется бомбардировка ионами аргона при комнатной температуре. Получаемый в результате такой обработки аморфный слой эффективно реагирует с углеводородным газом вследствие того, что этот слой обладает губчатоподобной структурой с множеством ненасыщенных и оборванных связей. С другой стороны, эта структура оказывается более однородной, чем та, которая образуется при анодировании согласно способу-прототипу, и однородность структуры переносится в формируемый слой карбида кремния.

Замена ионов углерода на ионы аргона имеет следующие последствия. С одной стороны, это позволяет сократить время облучения, так как если для ионно-лучевого синтеза требуется чрезвычайно большая доза облучения (не менее 10¹⁸ ион/см²) при довольно низкой плотности ионного потока вследствие слабой ионизируемости углерода, то для создания достаточно стабильного аморфного слоя пучком ионов аргона с энергией 50 кэВ, например, требуется доза 6,3 10¹⁴ ион/см². С другой стороны, внедренный аргон блокирует распространение фронта эпитаксиальной рекристаллизации аморфизованного слоя, обеспечивая тем самым условия для протекания химической реакции между аморфным кремнием и углеводородным газом.

Раскаленный графитовый стержень призван обеспечить снижение парциального давления кислорода в составе остаточных газов вакуумированной реакционной камеры за счет реакции окисления, что способствует более эффективному протеканию реакции соединения кремния с углеродом. Температурные границы применения стержня определяются температурой самовозгорания графита, с одной стороны, и температурой плавления, с другой (оптимальная температура стержня 1000^оС).

Выбор энергии ионов выше 1 кэВ связан с тем, что бомбардировка ионами с меньшей энергией не может привести к аморфизации при разумных дозах облучения, так как низкоэнергетические ионы создают в основном точечные радиационные дефекты, а к аморфизации приводит накопление достаточно крупных разупорядоченных областей и кластеров дефектов.

Нижний порог дозы облучения (6,3 10¹⁴ ион/см²) определяется тем, что для активации приповерхностного слоя образца кремния необходимо разрушить кристаллическую решетку в пределах этого слоя и разрыхлить его структуру. Кроме того, требуется создать препятствие для эпитаксиальной рекристаллизации кремния вдоль и поперек аморфизованного слоя. Этим требованиям удовлетворяют дозы облучения 6,3 10¹⁴ ион/см² и выше. Верхний порог дозы облучения ионами аргона не определен, так как вследствие распыления атомов мишени при определенной дозе облучения, зависящей от энергии ионов (около 3 10¹⁷ ион/см² для ионов аргона с энергией 50 кэВ, например) достигается предельное состояние, которое в дальнейшем не изменяется.

Полезный технический эффект применения заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом объясняется следующим. Известно, что прямая реакция синтеза карбида кремния проводится в температурном интервале 1900-2700^оС (по методу Ачесона). При более низких температурах реакция между углеродсодержащим газом и монокристаллическим кремнием может иметь место, если только обеспечивается транспортировка атомов углерода к находящимся в узлах кристаллической решетки атомам кремния посредством диффузии. Наиболее эффективно диффузия может осуществляться по дефектным местам этой решетки - ядрам дислокаций, границам раздела, поверхности, порам и т.п. Поэтому на поверхности монокристалла, не подвергнутого специальной обработке, кристаллы =SiC вырастают в местах выхода дислокации. Лишь вдоль дислокационных трубок происходит ускоренная диффузия атомов углерода, что и ограничивает формирование соединения.

В случае применения анодной обработки в монокристалле кремния вытравливается густая сеть каналов, что увеличивает общую площадь свободной поверхности, т. е. число дефектных мест, по которым может идти ускоренная диффузия углерода. Еще более эффективной становится транспортировка атомов углерода к слабо связанным с узлами кристаллической решетки атомам кремния, если путем ионной бомбардировки сформировать аморфный слой, обладающий рыхлой пористой структурой.

Заключительная стадия формирования сплошного карбидного слоя проводится в следующей последовательности. Вначале путем пропускания электрического тока разогревают графитовый стержень, который, окисляясь, понижает парциальное давление кислорода в реакционной камере. Затем постепенно поднимают температуру образца кремния, облученного пучком ионов аргона. При этом облученная грань образца кремния должна быть открыта для воздействия случайно блуждающих молекул углеводородного газа (например, паров масла), В ходе роста температуры идут, все более ускоряясь, два конкурирующих процесса: эпитаксиальной рекристаллизации аморфного кремния со стороны подложки и синтеза карбида кремния со стороны поверхности. Перемещение фронта эпитаксиальной рекристаллизации кремния тормозится внедренными атомами инертного газа, однако кристаллизационное давление оттесняет их все ближе к поверхности по мере роста температуры. Атомы инертного газа, находясь в пересыщенном твердом растворе, коагулируют в газовые пузырьки и тем самым еще более разрыхляют структуру остатка аморфного слоя, который насыщается углеродом вплоть до концентрации, отвечающей стехиометрическому соотношению для карбида кремния. При температуре 860^оС начинается кристаллизация аморфного карбида кремния. Для завершения этого процесса в течение 0,5 ч требуется температура 900^оС, а при 1000^оС достаточно 0,05 ч. Кристаллизация карбида кремния сопровождается вытеснением инертного газа наружу.

Заявляемый способ апробирован в лабораторных условиях. Ниже приведен пример применения способа, причем во всех случаях исходные образцы кремния представляли собой пластинки 6х5х0,3 мм, вырезанные в плоскости (111) из материала марки КДБ-15. Грани, предназначенные для ионной имплантации, подвергались химико-механической и химической полировке традиционными методами с использованием смеси плавиковой и азотной кислот с целью получения зеркальной поверхности. Активирование поверхности Si проводилось на установке "Везувий". Во избежание радиационного нагрева мишени, препятствующего аморфизации, внедрение ионов аргона проводилось при сравнительно невысокой плотности ионного потока (1,2 10¹³ ион/см² с). Для синтеза =SiC каждая из подложек помещалась в камеру реактора объемом 50 дм³, откачиваемую с помощью пароструйного вакуумного насоса до давления не ниже 10^-5 Па. Графитовый стержень имел размеры 10х4х60 мм. Для нагрева подложки использовалась кварцевая трубка, окруженная молибденовой либо вольфрамовой спиралью. Температура графитового стержня контролировалась с помощью оптического пирометра, температура подложки - с помощью термопары. В качестве летучего компонента реакции синтеза =SiC служили продукты крекинга молекул вакуумного масла, попадающих на нагретую поверхность подложки. Парциальное давление паров масла в камере реактора изменялось путем вариации степени вымораживания их азотной ловушкой.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ, включающий активирование приповерхностной области кремниевой подложки и термообработку подложки в углеводородной среде реактора, отличающийся тем, что активирование осуществляют бомбардировкой ионами аргона с энергией не менее 1 кэВ и дозой не менее 6,3 10¹⁴ ион/см² при комнатной или пониженной температуре, в качестве углеводородной среды используют остаточные пары масла из пароструйного вакуумного насоса с парциальным давлением не ниже 10^-5 Па, а термообработку проводят при 900 - 1000^oС не менее 3 мин в присутствии графитового стержня, нагретого до 450 - 1000^oС.