Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

ние возможности использования в качестве буфера нанопористого

слоя, который играет роль «мягкой» подложки и способствует эффек-

тивной релаксации механических напряжений.

Несмотря на перспективы применения кубического карбида крем-

ния для создания приборов электронной и микросистемной техники,

промышленного оборудования для CVD-эпитаксии 3С-SiC на крем-

ниевые подложки в России нет. Отсутствие оборудования для эпитак-

сиального роста, обеспечивающего возможность проведения процесса

при высоких температурах (до 1400 ºС), препятствует развитию произ-

водства структур 3С-SiC/Si, которые представляют определенный ин-

терес и для оптоэлектроники при использовании гетерокомпозиции

SiC/Si в качестве монокристаллической подложки для осаждения слоев

GaN, кристаллохимически и термомеханически совместимого с SiC.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ» совместно с ЦНИИ «Электрон» (Санкт-Петер-

бург) выполнил ряд исследований по разработке технологических про-

цессов и оборудования для газофазного осаждения кубического карби-

да кремния на кремниевые подложки, включая отработку базовых опе-

раций подготовки их поверхности, режимов формирования буферных

слоев и собственно процесса эпитаксии [7]–[9].

Показано, что минимальный уровень механических напряжений в

структурах 3С-SiC/Si может быть достигнут путем использования под-

ложек с нанопористым кремнием при проведении процесса в интерва-

ле температур 1350–1370 ºС

Предложен способ создания гетеростуктур n-3C-SiC/p-Si с улуч-

шенными электрофизическими характеристиками, включающий фор-

мирование нанопористого слоя в подложке без использования элек-

трохимического травления и последующую карбидизацию поверхно-

сти перед проведением процесса эпитаксии.

Определены закономерности, связывающие степень структурного

совершенства эпитаксиальных слоев 3С-SiC/Si с температурой процес-

са, концентрацией ростообразующих компонентов в газовой фазе и

расходами газовых потоков.

Одна из возможных схем реализации реактора для эпитаксии SiC

на Si методом CVD представлена на рис. 8.

а б

Рис. 8. Внешний вид (а) и конструкция (б) реактора для CVD-эпитаксии:

1 – кварцевый колпак (Ø124 мм); 2 – водоохлаждаемый индуктор; 3 – подложка;

4 – графитовый экран; 5 – термопара; 6 – кварцевое основание (Ø98 мм);

7 – фланец; 8 – кварцевая труба вращения; 9 – графитовая труба вращения (Ø20 мм);

10 – труба кварцевая; 11 – оболочка из графитового войлока; 12 – подложкодержатель

Газовая смесь, включающая в себя водород, пропан и моносилан,

подается через фланец в нижнюю часть реактора и направляется к под-

ложкодержателю, расположенному в центральной части на графитовой

трубе вращения, где происходит пиролиз газов и взаимодействие про-

дуктов реакции с подложкой.

При размещении подложки на нижней грани подложкодержателя

и подаче газовой смеси снизу удается максимально снизить влияние

конвекции, достичь скоростей роста порядка 2-3 мкм/ч и обеспечить

однородность по толщине слоя не хуже 10 %.

Температурно-временная диаграмма, отражающая последова-

тельность реализации процессов при гетероэпитаксии карбида кремния

на кремнии, приведена на рис. 9.

1300 ºС

карбидизация

1000 ºС

травление

1390 ºС рост

Время

Температура

Рис. 9. Температурно-временная диаграмма процесса

газофазной эпитаксии 3С-SiC на кремниевую подложку

Эволюция структурно-морфологических изменений в зависимо-

сти от условий процесса осаждения представлена на рис. 10.

а б

в г

Рис. 10. Морфология и структура поверхности слоев 3C-SiC на различных

временных этапах эпитаксиального роста (t

роста

= а – 12 мин.; б – 30 мин.;

в – 50 мин.; г – 105 мин.). Температура подложкодержателя 1390 °С

При увеличении температуры подложки структурное совершен-

ство слоя растет, а шероховатость его поверхности уменьшается и при

температуре 1390 ºС составляет не более 40 нм.

Помимо температуры на структуру и морфологию эпитаксиаль-

ного слоя влияет соотношение Si/C в газовой фазе. На рис. 11 пред-

ставлена морфология поверхности эпитаксиальных слоев, полученных

при изменении соотношения Si/C в газовой фазе.

а б

Рис. 11. Морфология поверхности и электронограммы слоев,

осажденных при варьировании соотношения Si/C = a – 0,15; б – 0,26.

Температура подложки – 1350 ºС

Поперечное сечение гетероэпитаксиальной структуры 3С-SiC/Si,

синтезированной на (100)-подложке и рентгеновская дифрактограмма

(Cu-Kα, U = 35 кВ) представлены на рис. 12.

3С-SiC

400

400 (

)

400 (a)

3С-SiC

200

2Q, …º

а б

Рис. 12. Изображение поперечного сечения гетероэпитаксиальной

структуры 3С-SiC/Si (а) и рентгеновская дифрактограмма

монокристаллического слоя кубического карбида кремния (б)

Осаждение карбида кремния

на инородную диэлектрическую подложку

Изолирующая подложка представляет интерес для технологии

получения гетероструктур различного функционального назначения.

Учитывая традиционно высокие при получении ориентированных сло-

ев SiC температуры подложки, а также агрессивность кремнийсодер-

жащих компонентов и восстановительные свойства углеводородов, в

качестве базовой технологии низкотемпературного получения карбида

кремния было выбрано реактивное ионно-плазменное осаждение.

Нанесение слоев осуществлялось в системе, оснащенной высоко-

вакуумной камерой, турбомолекулярным насосом и магнетронными

системами распыления. В качестве источника атомно-молекулярного

потока использовались поликристаллическая SiC-мишень и компози-

ционная (Si + C)-мишень (при распылении в инертном газе), а также

Si-мишень (при распылении в аргон-метановой газовой смеси). Оста-

точное давление составляло10

–3

-10

–4

Па.

Пленки SiC получали в диапазоне температур от 20 до 1200 °С,

на подложках из различных материалов (Si, SiC, Al

, AlN, SiO

) с различной кристаллической структурой и ориентацией [10].

Была разработана модель, описывающая технологию реактивного

ионно-плазменного осаждения SiC, проанализированы процессы, про-

исходящие на поверхности распыляемой мишени, а также механизмы

структурного и химического упорядочения на поверхности роста.

С целью обеспечения процессов получения структурно упорядоченно-

го стехиометрического SiС были детально проанализированы адсорб-

ция реактивного газа на поверхности мишени, разложение реакцион-

ного газа в плазме, перераспыление, формирование потоков компонен-

тов к подложке, пиролиз реакционного газа на поверхности подложки,

бомбардировка высокоэнергетичными частицами, а также условия ад-

сорбционно-десорбционного равновесия [11].

Анализ этих факторов и установление количественных взаимо-

связей между параметрами процесса и свойствами синтезируемых пле-

нок SiC позволил более эффективно управлять процессами химическо-

го и структурного упорядочения SiC на инородной подложке [12].

Было определено влияние температуры подложки и скорости

роста пленок на их структурное и химическое упорядочение. Так, при

температуре подложки от 20 до 350 °С образование химических связей

обусловлено случайными процессами встраивания адсорбированных

атомов. В этом диапазоне температур получены аморфные структуры

метастабильной фазы твердого раствора «Si – C» переменного состава.

А в диапазоне температур 350–700 °С получены поликристаллические

слои SiC, а также SiC в механической смеси с избыточным компонен-

том потока (рис. 13).

100 200 300

0,25

0,50

0,75

1,00

о. е.

кр

Образование

поликристаллической

структуры

T, ºC

Аморфная

фаза

Рис. 13. Зависимость доли связей C

в пленке SiC от температуры подложки:

1 – Si–C; 2 – Si–Si; 3 – C–C

При этом скорость роста слоев не зависела от температуры под-

ложки и определялась потоком частиц к подложке. При температурах

700–950 °С решающее влияние начинает оказывать кинетика процес-

сов на ростовой поверхности. В этом диапазоне температур наблюда-

ется образование пленок SiC с упорядоченной кристаллической струк-

турой на монокристаллической подложке (рис. 14).

а б

в г

Рис. 14. Последовательность изменения структуры пленки SiC

с температурой при осаждении на

(

)

1012

-подложки из сапфира

(без подслоя): а – 100 °C; б – 600 °C; в – 800 °C; г – 900 °C

С увеличением температуры подложки происходит уменьшение

скорости роста и увеличение доли углерода в составе пленки из-за из-

быточной десорбции кремния с поверхности роста. Введение избыточ-

ного кремния в поток частиц, поступающих на подложку, способствует

самостабилизации стехиометрического состава пленки в данном ин-

тервале температур (рис. 15).

Добавка углеродсодержащего газа (метана) приводит к пропор-

циональному увеличению доли углерода в пленках (через графитиза-

цию мишени и выделение в поток активных радикалов из области раз-

ряда). При температуре подложки свыше 800 °С значительная часть

углерода поступает в результате пиролиза метана на поверхности под-

ложки. При этом диапазон стабилизации стехиометрического состава

пленки находится при более высоких температурах подложки [13].

Самостабилизация стехиометрического состава пленки при неко-

торой вариации технологических параметров связана с различием эф-

фективных энергий десорбции (адсорбции) компонентов на поверхно-

стях роста, обогащенных кремнием или углеродом. В этом диапазоне

состав пленки и ее структура чувствительны к дефектам поверхности

400

800

0,4

0,8

T, ºC

мкмч

400

800

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

o. e.

T, ºC

Рис. 15. Зависимость скорости роста (а) и элементного состава (б) слоев SiC

от температуры подложки при различном соотношении основных компонентов

в потоке: ○ – слои с избытком Si; □ – слои близкие к стехиометрическому

составу SiC; ● – слои с избытком С:1 – Si/С = 1; 2 – Si/С = 0,7; 3 – Si/С = 1,2

подложки, вблизи которых наблюдается нарушение стехиометрическо-

го состава (чаще в сторону избытка Si). Увеличение температуры под-

ложки выше данного диапазона приводит к резкому возрастанию доли

углерода в пленке вплоть до температуры «отсечки», при которой ско-

рость роста равна нулю.

В условиях стабилизации сте-

хиометрического состава получены

структурно-упорядоченные пленки

SiC на монокристаллических под-

ложках AlN/Al

(рис. 16).

Пленки SiC, полученные ме-

тодом ионно-плазменного осажде-

ния, имеют, как правило, высокое

значение удельного сопротивления.

Высокая концентрация дефектов в пленке определяет низкую подвиж-

ность носителей. Температурная зависимость сопротивления характе-

ризуется практически линейным спадом логарифма сопротивления до

температур 600–700 °С.

Представленные результаты демонстрируют, что метод реактив-

ного ионно-плазменного осаждения представляет определенную аль-

тернативу другим высокотемпературным методам нанесения SiC и, как

будет показано далее, имеет свою область применения при создании

изделий микросистемной техники, хотя и требует дальнейшего разви-

тия и совершенствования.

Приборы на основе SiC

Диоды силовой электроники

В настоящее время разработки высокоэффективных источников

питания для мощных лазеров и рентгеновского оборудования, а также

силовых преобразователей для аппаратуры медико-биологического на-

значения ведутся с использованием новой компонентной базы силовой

электроники. При этом наблюдается устойчивая тенденция замещения

кремниевых дискретных силовых компонентов (главным образом дио-

дов) на карбидокремниевые [14].

Рис. 16. Электронограмма слоя SiC,

осажденного на подложку

из сапфира с подслоем AlN

На сегодняшний день на основе карбида кремния выпускаются

диоды Шоттки, обладающие явными преимуществами по сравнению с

кремниевыми аналогами, к которым можно отнести:

– более высокое напряжение пробоя (существуют промышленные

диоды с максимальным обратным напряжением 1700 В [15]);

– высокая температура функционирования (свыше 200

С кристалл,

175

С корпус);

– малое (10

–9

–10

–8

с) время восстановления обратного сопротив-

ления при переключениях (рис. 17);

– скорость нарастания тока di/dt (в отличие от кремниевых p–i–n-

диодов) не зависит от величины прямого тока и температуры (рис. 17).

600V, 10A Si FRED

= 25 ºC

= 50 ºC

= 100 ºC

= 150 ºC

600

S80

= 25, 50,100,150 ºC

–

1,0

–

0,5

1,0

1,5

2,0

Время, ×10

–

Ток, А

Рис. 17. Характеристики обратного восстановления диода Шоттки

на основе SiC (Cree 10A, 600 В) и кремниевого диода с быстрым

восстановлением (10А, 600 В) при разных температурах [15]

Нами были разработаны экспериментальные образцы диодов с

барьером Шоттки на подложках монокристаллического 4Н-SiC, полу-

ченного в СПбГЭТУ «ЛЭТИ». При изготовлении диодов Шоттки для

приборов силовой электроники были использованы эпитакисальные

Лучинин В.В. Физика и технология микро - и наносистем

Подождите немного. Документ загружается.