Способ синтеза пленок карбида кремния на кремниевой подложке

Способ синтеза пленок карбида кремния на кремниевой подложке

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов.

Известны методы формирования пленок карбида кремния на различных подложках, где источником атомов кремния является сама подложка, на которой и происходит рост карбида кремния [1, 2].

Известен способ, который позволяет формировать слой SiC в месте контакта твердого углесодержащего материала с кремниевой подложкой при Т=1373-1673 К. Наилучшее структурное и морфологическое совершенство пленок в этом методе было получено в случае, когда давление механического контакта превышало 1,5 Па [1]. Недостатком этого метода является относительно высокая температура и длительность синтеза.

Предложенный в работе [2] способ формирования пленки SiC путем изотермического отжига тонкой пленки С₆₀ на подложке монокристаллического кремния позволяет снизить температуру синтеза до 1073-1273 К. Однако, использование пленки С₆₀ как углеродосодержащего материала на сегодняшний день достаточно дорого.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является способ получения пленки карбида кремния, предложенный в работе [3]. Известный способ включает следующие стадии:

размещение кремниевой подложки в вакуумной камере;

термическая очистка кремниевой подложки при Т=1473 К от естественного оксида в сверхвысоком вакууме 1·10^-8 Па (безмасляные средства откачки) в течение 5 мин;

напуск газа 99,6% С₂Н₂ в камеру до достижения рабочего давления 1·10^-2 Па;

синтез пленки карбида кремния происходит на поверхности кремниевой подложки в результате термического отжига кремниевой подложки при температурах Т=1273-1473 К в течение 15-30 мин.

Основным недостатком этого способа является относительно высокая температура и большая длительность процесса формирования сплошной пленки SiC. Кроме того, данная технология является сложной в аппаратурном оформлении.

Изобретение направлено на снижение температурной нагрузки на кремниевую подложку при изготовлении изделия и позволяет избежать негативных явлений, связанных с продолжительным высокотемпературным нагревом подложки.

Это достигается тем, что синтез пленок карбида кремния на кремниевой подложке, включающий нагрев подложки в среде углеродсодержащих газов, осуществляется при воздействии импульсного излучения ксеноновых ламп (ИКЛ) с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм. Плотность энергии излучения подаваемого на облучаемую кремниевую подложку выбирают из интервала 240-260 Дж·см^-2. Снижение температурной нагрузки на Si-подложку происходит за счет малого времени обработки пакетами импульсов длительностью 10^-2 с, в течение 1,5-2 с. Последующую термообработку пленок карбида кремния проводят некогерентным излучением в вакууме, на воздухе или в инертном газе.

Способ реализуется следующим образом.

Синтез пленок карбида кремния производили на модернизированной установке импульсной фотонной обработки УОЛП - 1 [4]. Установка состоит из рабочей камеры, в которой установлены ксеноновые лампы (диапазон длин волн 0,2-1,2 мкм); вакуумной системы; системы напуска газовой смеси в рабочую камеру; блока управления. Кремниевую подложку, представляющую собой пластину монокристаллического кремния или поликристаллической пленки на поверхности SiO₂, помещают в рабочую камеру параллельно плоскости, в которой расположены лампы. Перед помещением в рабочую камеру поверхность подложки освежали в буферном травителе состава HF:H₂O=1:10 с последующей промывкой в дистиллированной воде. Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивается воздух и напускается реакционный газ.

После достижения необходимого давления в камере фотонную обработку осуществляют пакетами импульсов длительностью 10^-2 с в течение 1,5-2 с. При этом плотность энергии излучения, поступающего на образец (Е_И), изменяется в интервале 240-260 Дж·см^-2.

В ходе обработки происходит хемосорбция газа на кремниевой подложке и его пиролиз с выделением углерода. В результате последующего взаимодействия с кремнием на поверхности кремниевой подложки происходит формирование нанокристаллической пленки карбида кремния. Полученная пленка может быть островковой, лабиринтной или сплошной различной толщины. Указанные особенности и структура пленок определяются парциальным давлением газа и плотностью энергии излучения. На монокристаллических пластинах кремния получали эпитаксиальные пленки карбида кремния, совершенство структуры которых также зависит от парциального давления газа и плотности энергии излучения.

Пример 1. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 (кремний полупроводниковой квалификации, легированный бором) размером 20×10 мм с ориентацией поверхности (111). Перед напылением поверхность пластин Si очищают химическим травлением в растворе плавиковой кислоты, а затем промывают в дистиллированной воде. Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивается воздух до получения давления 5·10^-3 Па. После откачки в камеру напускается пропанобутановая смесь (С₃Н₈:С₄Н₁₀=1:4) до достижения давления в камере 5,3·10^-1 Па. После достижения необходимого давления в камере фотонную обработку проводили ИКЛ пакетами импульсов длительностью 10^-2 с в течение 1,5-2 с. Плотность энергии излучения, поступающего на образец (Е_И), изменяли в интервале 240-260 Дж·см^-2. После чего кремниевую пластину извлекают из камеры. Фазовый состав, структуру и ориентацию поверхности полученного образца проводили методами ПЭМ на приборе ЭМВ-100БР и ДБЭ на приборе ЭГ-100М. Для исследования в электронном микроскопе на просвет образцы утонялись с обратной стороны методом химической полировки в растворе HF:HNO₃=1:4 до толщины 100 нм.

На фиг.1 приведены типичные электронограммы образцов на просвет (а, в) и на отражение (б) и микрофотография. Расшифровка электронограмм, приведенная в таблице, показывает, что на поверхности кремниевой подложки сформирована пленка карбида кремния. Из электронограмм видно, что пленки имеют ярко выраженную двухосную текстуру: аксиальную и азимутальную привязку кристаллитов к подложке - на это указывают яркие пучности на электронограммах (фиг.1а, б, в). Увеличение плотности энергии излучения приводит к увеличению толщины пленок, о чем свидетельствует увеличение интенсивности колец и пучностей на электронограммах (см. фиг.1а, б). Исследование структуры показывает, что пленки являются сплошными. Тем самым получено изделие, представляющее собой кремниевую пластину с пленкой карбида кремния на ее поверхности.

Пример 2. Пример осуществляется аналогично примеру 1. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 размером 20×10 мм с ориентацией поверхности (001). Исследование фазового состава и структуры пленки, проведенные методами ПЭМ и ДБЭ, указывают на формирование пленки карбида кремния на поверхности кремниевой подложки (см. фиг.2). На фиг.2 приведены электронограммы на просвет и на отражение, полученные с данного образца. Из электронограмм видно, что пленки, как и в примере 1, имеют двухосную текстуру. Тем самым подтверждено получение изделия, представляющее собой кремниевую пластину с пленкой карбида кремния на ее поверхности.

Пример 3. Пример осуществляется аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что в качестве подложки используют следующую гетероструктуру. На пластинах монокристаллического кремния термическим окислением формировали слои SiO₂ толщиной 0,2 мкм. Слои поли-Si наносили на SiO₂ пиролитическим разложением моносилана в вакууме по стандартной технологии. Подложку помещали в камеру, и после достижения давления пропанобутановой смеси в камере давления в камере 5,3·10^-1 Па проводили фотонную обработку ИКЛ при Е_И=255 Дж·см^-2. Исследования методом ПЭМ слоев отделенных от SiO₂ показали образование сплошной пленки карбида кремния. Полученные пленки SiC, в отличие от пленок, полученных в примерах 1 и 2, были поликристаллическими и имели аксиальную текстуру (пучности на электронограмме на отражение, см. фиг.3б).

Пример 4. Пример осуществляется аналогично примеру 1. Фотонную обработку ИКЛ проводили при давлении в камере 1,3·10^-2 Па при Е_И=255 Дж·см^-2. Установлено, что пороговое значение Е_И для синтеза карбида в пропанобутановой среде не зависит от рабочего давления и составляет 240 Дж·см^-2. Исследование методом дифракции электронов (а) и ПЭМ (б) показали, что на поверхности кремниевой подложки образуется пленка карбида кремния (см. таблицу). Толщина пленки меньше, чем полученной при давлении 5,3·10^-1 Па (пример 1), о чем свидетельствует более слабая интенсивность колец на электронограмме. Слабые пучности на кольцах свидетельствуют о том, что часть кристаллитов имеет преимущественную ориентацию.

Реализация предлагаемого способа позволяет получить изделия, состоящие из кремниевой подложки и сформированной на ее поверхности пленки карбида кремния. В сравнении с известными способами предложенное техническое решение обеспечивает упрощение технологии и значительное сокращение времени изготовления изделия.

Литература

1. Патент RU 2286616 С2 Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности. Гордеев С.К., Корчагина С.Б., Кукушкин С.А., Осипов А.В. 2006.

2. Moro L., Paul A., Lorents D.С., Malhotra R., et al. Silicon carbide formation by annealing C60 films on silicon // J. Appl. Phys., 1997. - V.81. - No.9. - P.6141-6146.

3. Renzi V. De, Biagi R., Pennino U. Del. Thin Film SiC Epitaxy on Si(111) from Acetylene Precursor // Materials Science Forum. 2003. - Vols.433-436. - P.221-224.

4. A.C. CCCP, №1228716, кл. 21/268, 1984. Кущев С.Б., Тонких Н.Н., Злобин В.П. и др. Способ изготовления элементов металлизации.

Таблица
Способ синтеза пленок карбида кремния на кремниевой подложке
№ кольцаПример	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Пример 1
Фиг.1а	2,65	2,51	2,17	1,53	1,33	1,32			1,01
Фиг.1б	2,66	2,52	2,19	1,54	1,34	1,31	1,25	1,03	0,99
Фиг.1 в	2,65	2,50	2,18	1,54	1,34
Пример 2
Фиг.2а			2,18	1,53				1,09
Фиг.2б		2,50	2,19	1,52		1,31		1,08
Пример 3
Фиг.3а	2,67	2,51	2,18	1,53	1,34	1,31	1,25
Фиг.3б	2,66	2,50	2,18	1,52	1,33	1,30	1,24
Пример 4
Фиг.1а	2,67	2,50		1,53		1,31
Табличные значения SiC	2,68	2,51	2,18	1,54	1,34	1,31	1,258	1,089	0,999	0,97	0,889	0,838

1. Способ синтеза пленок карбида кремния на кремниевой подложке, включающий нагрев кремниевой подложки в среде углеродосодержащих газов, отличающийся тем, что нагрев подложки в среде углеродосодержащих газов осуществляют пакетами импульсов излучения ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм, длительностью импульсов 10^-2 с в течение 1,5-2 с при плотности энергии излучения 240-260 Дж·см^-2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующую термообработку полученных пленок карбида кремния проводят некогерентным излучением в вакууме, на воздухе или в инертном газе.