WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Матузов Антон Викторович

ТЕХНОЛОГИЯ СТРУКТУР «КАРБИД КРЕМНИЯ-КРЕМНИЙ» ДЛЯ ПРИБОРОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОСИСТЕМНОЙ

ТЕХНИКИ

Специальность: 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель –

кандидат физико-математических наук, доцент Владимир Алексеевич Ильин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Владимир Александрович Карачинов

доктор физико-математических наук, в.н.с. Павел Анатольевич Иванов

Ведущая организация – Государственное учреждение Научно-производственный комплекс «Технологический центр» Московского государственного института электронной техники

Защита состоится «18» декабря 2008 г. в 14 час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.04 при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан “17” ноября 2008 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и

кандидатских диссертаций Мошников В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Карбид кремния (SiC) является перспективным материалом для создания электронных, оптических приборов и микроэлектромеханических устройств экстремальной электроники. Благодаря высокой критической напряженности поля пробоя, превышающей 2·106 В/см, температуре Дебая ~1200 К, механической прочности, устойчивости к температурным, химическим и радиационным воздействиям, потенциальные параметры приборов на его основе в ряде случаев значительно превышают параметры приборов на традиционных материалах. Реализация уникальных свойств SiC в значительной степени определяется уровнем развития технологии формирования приборных структур. Одной из проблем получения эпитаксиальных слоев карбида кремния является подложечный материал. Максимальный размер коммерчески доступных подложек карбида кремния гексагональных политипных модификаций 4Н- и 6Н-SiC в настоящее время ограничен 4 дюймами, а стоимость их на несколько порядков превышает стоимость кремниевых подложек. Гетероэпитаксия 3C-SiC на кремниевые подложки существенно удешевляет процессы создания приборов на основе этого материала. Однако при эпитаксии 3C-SiC на Si росту качественных монокристаллических слоев препятствуют рассогласование периодов решеток кремния и карбида кремния, составляющее порядка 20% и различие температурных коэффициентов линейного расширения (~8%). Для минимизации уровня механических напряжений в структурах, вызванных этими факторами, и улучшения кристаллического совершенства растущего слоя на поверхности исходной кремниевой подложки возможно создание тонкого переходного слоя, выполняющего функцию буфера. В большинстве работ, посвященных эпитаксии 3C-SiC на Si буферный слой получают методом карбидизации. Процесс карбидизации заключается в обработке поверхности подложки кремния углеродсодержащими газообразными компонентами при температуре 1000°С и более. Однако, хотя таким образом и удается получать монокристаллические слои 3C-SiC, они не свободны от структурных дефектов и механических напряжений. Важной проблемой является исследование возможности использования в качестве буфера нанопористых слоев, пористая структура которых играет роль «мягкой» подложки и способствует эффективной релаксации механических напряжений. В этой связи представляет несомненный интерес исследование зависимостей параметров и характеристик слоев карбида кремния, выращенных на кремниевых подложках, от условий их получения.

Несмотря на очевидность перспектив применения кубического карбида кремния для создания приборов электронной и микросистемной техники, промышленного технологического оборудования для CVD-эпитаксии 3C-SiC на кремниевые подложки в России не существует. Отсутствие оборудования для эпитаксиального роста, обеспечивающего возможность проведения процесса при высоких температурах (до 1400°С) препятствует развитию производства структур 3C-SiC/Si.

Объектами исследования настоящей работы являются оборудование для CVD-эпитаксии 3C-SiC на Si, режимы технологических процессов формирования буферных слоев и эпитаксиальных слоев карбида кремния, а также собственно гетероструктуры 3C-SiC/Si.

Цель работы. Разработка технологических процессов и оборудования для газофазного осаждения кубического карбида кремния на кремниевые подложки, отработка базовых режимов формирования буферных слоев и режимов эпитаксии карбида кремния, исследование морфологических, структурных, механических и электрофизических свойств гетероструктур для приборов электроники и микросистемной техники.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Создание методик и аппаратуры для выращивания эпитаксиальных слоев 3С-SiC на Si, исследование температурных, временных, концентрационных соотношений в процессах с целью оптимизации режимов карбидизации и роста эпитаксиальных слоев;

- Отработка режимов роста эпитаксиальных слоев 3С-SiC на подложках с карбидизированными и некарбидизированными нанопористыми слоями кремния;

- Исследование морфологии, состава, структуры осаждаемых слоев в зависимости от режимов их формирования;

- Исследование механических характеристик структур 3С-SiC/Si и элек­трофизических параметров и характеристик изотипных и анизотипных гетероструктур n-3C-SiC/n-Si и n-3C-SiC/p-Si.

Методы исследования. Для решения поставленных задач реализован комплекс технологических операций, включающий формирование буферных слоев на монокристаллических подложках кремния и подложках кремния с нанопористым слоем, газофазное осаждение слоев 3C-SiC, изготовление мембран методами анизотропного жидкостного и реактивного ионно-плазменного травления, формирование меза-гетероструктур 3С-SiC/Si с использованием ионно-плазменного травления. Для определения свойств и параметров слоев применялись следующие методы исследования: электронная Оже-спектроскопия, ИК Фурье спектроскопия, рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), дифракция быстрых электронов, электрофизические измерения, атомно-силовая, растровая электронная (РЭМ) и ионная микроскопия. Подготовка образцов для растровой микроскопии осуществлялась с использованием техники остросфокусированного ионного пучка (FIB-технологии).

Научная новизна работы. В качестве оригинальных можно выделить следующие результаты диссертационной работы:

- установлено, что в процессах эпитаксии 3C-SiC на Si с использованием реактора вертикального типа рост пленок определяется не только кинетиче­скими и диффузионными ограничениями, но и процессами гетерогенной и го­могенной кристаллизации.

- показано, что минимальный уровень механических напряжений в структурах 3C-SiC/Si может быть достигнут путем использования подложки с нанопористым кремнием при проведении процесса в интервале температур 1350 - 1370°С.

- предложен способ создания гетероструктур n-3C-SiC/p-Si с улучшен­ными электрофизическими характеристиками, включающий формирование на­нопористого слоя в подложке без использования электрохимического травления и последующую карбидизацию поверхности перед проведением процесса эпитаксии.

- установлено, что разработанная аппаратура и технологические про­цессы эпитаксии позволяют создавать плоские и гофрированные мембранные структуры на основе 3С-SiC, характеризующиеся высокой чувствительностью к механическим воздействиям.

- определены закономерности, связывающие степень структурного со­вершенства эпитаксиальных слоев 3C-SiC/Si с температурой процесса, концен­трацией ростообразующих компонентов в газовой фазе, а также с расходами газовых потоков.

Практическая значимость работы.

1. Разработано оригинальное технологическое оборудование и методика, обеспечивающая получение монокристаллических, текстурированных и поли­кристаллических пленок карбида кремния кубической политипной модифика­ции на подложках кремния при температурах до 1400°С.

2. Получены экспериментальные образцы плоских и гофрированных мембран размером 1.5х1.5 мм2 и толщиной от 0.6 до 0.8 мкм. Полученные пло­ские мембраны характеризуется высокой чувствительностью к механическому воздействию (до 14 нм/Па), низкими значениями внутренних напряжений (порядка 30 МПа) и высокой прочностью (критическое давление до 90кПа).

3. Изготовлены образцы гетероструктур на основе композиции 3C-SiC/Si. Проведены исследования вольт-амперных характеристик образцов, изготовлен­ных на подложках n-Si и p-Si. Установлено, что для получения диодов на гетеропереходах с высоким коэффициентом выпрямления (более 105) необходимо форми­ровать мезаструктуры методом реактивного ионно-плазменного травления.

4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ ЦМИД-165 «Эпитаксия», ЦМИД-172 «Опас­ность-РЛ».

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. При газофазном осаждении карбида кремния на подложку кремния в вертикальном реакторе при атмосферном давлении уменьшение скорости роста эпитаксиального слоя с ростом температуры определяется не только кинетиче­скими и диффузионными ограничениями, но и процессами гетерогенной и го­могенной кристаллизации.

2. Величины механических напряжений в эпитаксиальных слоях карбида кремния определяются температурой роста и способом модификации поверх­ности подложки кремния. Минимальные значения напряжений независимо от метода подготовки буферного слоя соответствуют диапазону температур роста 1350 - 1370°С. Нанопористая структура буферного слоя снижает уровень на­пряжений но, при этом, увеличивает степень разупорядоченности кристалличе­ской структуры эпислоя 3C-SiC.

3. В области технологических режимов формирования слоев 3C-SiC на Si, обеспечивающих минимальный уровень остаточных напряжений, возможно создание структур МЭМС для устройств на основе плоских и гофрированных мембран, которые при сопоставимых геометрических размерах с аналогами на традиционных материалах (Si3N4) обеспечивают бльшую чувствительность к механическому воздействию.

4. Буферные слои на основе нанопористого кремния, подверженного кар­бидизации, позволяют формировать диодные анизотипные гетероструктуры 3C-SiC/Si, ха­рактеризующиеся эмиссионно-рекомбинационным механизмом транспорта но­сителей заряда и пробивными напряжениями, превышающими 200 В.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV и VIII международные научные конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 19-24 сентября, 2004 г. и 14-19 сентября 2008 г.; II междуна­родная конференция по физике электронных материалов, Калуга, 24-27 мая 2005 г.; 7-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводни­ков и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 5-9 де­кабря 2005 г.; 9 и 10 Научные молодежные школы по твердотельной электро­нике, Санкт-Петербург, 27-28 мая 2006 г. и 24-25 мая 2007г.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 работах, среди которых одна публикация в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем перечне ВАК, а также 6 докладов на конференциях и семинарах различного уровня. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 89 наименований. Основ­ная часть работы изложена на 113 страницах машинописного текста. Работа со­держит 53 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Рис. 1. Эскиз конструкции реактора: 1 – кварцевый колпак, 2 – водоохлаждаемый индуктор, 3 – подложка, 4 – графитовый экран, 5 – термопара, 6 – кварцевое основание, 7 – фланец, 8 - кварцевая труба, 9 – графитовая труба вращения, 10 – кварцевая труба, 11 – оболочка из графитового войлока, 12 – подложкодержатель

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, опреде­лены цель и задачи исследования. Сформулированы научная новизна, практи­ческая значимость полученных результатов и научные положения, вы­носимые на защиту.

В первой главе представлен анализ литературы по вопросам гетероэпитаксии кубической модификации карбида кремния на кремнии методом осаждения из газовой фазы. Рассмотрены вопросы подготовки подложек кремния к процессу осаждения, а именно жидкостного химического и сухого газового травления. Обоснована необходимость создания буферного слоя между подложкой и эпитаксиальным слоем. Сформулированы основные требования к буферному слою, рассмотрены различные методики его получения. Более подробно проанализирована наиболее распространенная методика - карбидизация поверхности кремния в углеродсодержащей атмосфере при температурах порядка 1300°С. Рассмотрены вопросы осаждения гетероэпитаксиальной 3C-SiC пленки из газовой фазы.

В конце главы приводится описание базовых методов исследования полученных структур.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»