WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 10 Особенности роста жидкофазных эпитаксиальных слоев карбида кремния в вакууме © Д.А. Бауман¶, А.В. Гаврилин+, В.А. Иванцов=, А.М. Морозов,=, Н.И. Кузнецов,+ Институт высокопроизводительных вычислений и баз данных, 198005 Санкт-Петербург, Россия Центр исследования и роста кристаллов, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия = TDI Inc., 8660 Dakota, Gaithersburg MD 20877, USA (Получена 12 февраля 2001 г. Принята к печати 13 февраля 2001 г.) Проведено исследование роста эпитаксиальных слоев 4H-SiC в вакууме методом жидкофазной эпитаксии.

Установлена необходимость предварительного нанесения на подложку затравочного слоя с характерными для жидкофазной эпитаксии ступенями роста. Показано, что рост в вакууме приводит к снижению концентрации некомпенсированных носителей Nd–Na до уровня 2 · 1016 см-3.

Введение фитовый тигель, с концентрацией остаточной примеси в диапазоне (1-5) · 1016 см-3.

Прогресс в области полупроводниковой электроники Для решения этой задачи была проведена серия экспепоследних десятилетий стимулировал развитие новых риментов в аргоне высокой степени очистки (99.9997%) методов создания полупроводниковых структур и пос использованием в качестве конструкционного материлучение новых полупроводниковых материалов. Карбид ала тигля и тепловых экранов особо чистого графита.

кремния является одним из широко используемых в Это позволило вырастить свободные от политипов слои этой области соединений благодаря своим уникальным 4H-SiC n-типа с концентрацией остаточной примеси свойствам [1]. В настоящей работе исследован метод порядка 1017 см-3. Измеренная средняя нормальная получения эпитаксиальных слоев карбида кремния в проскорость роста при этом составляла приблизительно цессе жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Данная техно0.27 мкм/ч. Для исключения возможности неконтролирулогия имеет ряд несомненных преимуществ по сравнеемого попадания примесей через газовую атмосферу и нию с другими методами получения карбид-кремниевых дальнейшего снижения концентрации примеси в слоях структур. Во-первых, в ряде работ (см., например, [2,3]) 4H-SiC был предложен метод их выращивания в вакууме.

были предложены методы заращивания методом ЖФЭ макродефектов (micropipes) на поверхности подложек путем нанесения буферного покрытия (covering layer).

Описание эксперимента Это позволило выращивать эпитаксиальные слои с высокой степенью однородности и с малым количеством Для роста ЖФЭ слоев карбида кремния использовадефектов. Другим преимуществом является возможность выращивания ЖФЭ слоев на подложках большого разме- лась установка ”Ника-С”, модернизированная для прора (до 50 мм в диаметре) [4], что обеспечивает возмож- ведения жидкофазной эпитаксии карбида кремния. Описание установки можно найти, например, в работе [3].

ность создания полупроводниковых приборов большой площади. Кроме того, технология ЖФЭ позволяет вы- Графитовая оснастка, включая тигель, была изготовлена ращивать слои карбида кремния с достаточно большой из особо чистого графита. В качестве активного комподиффузионной длиной и малой концентрацией глубоких нента расплава был взят монокристаллический кремний уровней [5]. Сказанное выше обусловливает перспектив- с удельным сопротивлением 400 Ом · см.

ность применения жидкофазной эпитаксии при создании Во всех экспериментах в вакууме давление в камере мощных полупроводниковых приборов.

составляло (4-5) · 10-4 Па, температура роста 1250C, К недостаткам контейнерной технологии ЖФЭ следупродолжительность процесса выращивания 2-5ч.

ет прежде всего отнести высокую концентрацию остаДля роста использовались подложки CREE 4H-SiC точных примесей, источниками которых могут быть, n-типа с разориентацией 3.5 и8.0 в направлении [1210] например, атмосфера в ростовой камере или графитовая относительно базисной грани Si(0001). Часть подложек оснастка. Основной задачей данных исследований являимела зеркально-гладкую полированную поверхность, на лась разработка технологии роста нелегированных ЖФЭ других на эту поверхность методом ЖФЭ в аргоне был слоев 4H-SiC из раствора–расплава, помещенного в грапредварительно нанесен затравочный слой n-типа толщи¶ ной 1.0-1.5 мкм с концентрацией остаточной примеси E-mail: bauman@mail.ru Fax: (812) 2476425 1018 см-3 и с характерными для ЖФЭ ступенями роста.

Особенности роста жидкофазных эпитаксиальных слоев карбида кремния в вакууме Результаты эксперимента При использовании подложек с затравочным слоем были выращены монотипные ЖФЭ слои 4H-SiC толщиной 3 мкм при нормальной скорости роста 0.8 мкм/ч.

Скол одной из таких структур представлен на фотографии (рис. 1), сделанной с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Поверхность слоя, выращенного в вакууме, имеет ступенчатую структуру, характерную для роста ЖФЭ на разориентированных подложках (рис. 2). При этом отчетливо прослеживается преимущественное расположение ступеней вдоль напра вления [1100] на большей части поверхности подложки.

Результаты вольт-фарадных (C-V) измерений концентрации нескомпенсированной примеси представлены на рис. 3. Видно, что уровень концентрации примесей составляет (2-3) · 1016 см-3, что почти на порядок меньше той величины, которая была характерна для слоев, выращенных в аргоне.

В результате экспериментов, проведенных на зеркально-гладких подложках без предварительно осажденного Рис. 2. Поверхность эпитаксиального слоя 4H-SiC, выращенного на подложке с предварительно нанесенным затравочным эпитаксиального слоя, ступени роста не наблюдались слоем. Время роста — 2 ч, толщина слоя — 3 мкм, температура и поверхности образцов оставались гладкими. При исроста T = 1250C. Одно деление шкалы соответствует 4 мкм.

пользовании СЭМ даже при максимальном увеличении не удалось различить слои на сколах данных структур. C-V-измерения обнаружили профиль концентрации, представленный на рис. 3. Глубина профиля (около 0.2 мкм) и его форма оказались независящими от продолжительности нахождения подложки в расплаве.

Резкий подъем профиля в области 5 · 1018 см-3 соответствует уровню концентрации примесей в подложке.

Форма оставшейся части профиля концентрации (плато на уровне 1017 см-3) может быть объяснена следующим образом. Испарение расплава приводит к конденсации паров на подложке после ее отрыва от расплава. Давление паров углерода при температуре около 1250C Рис. 3. Концентрация нескомпенсированной примеси Nd-Na в эпитаксиальном слое 4H-SiC, выращенном на зеркальногладкой поверхности подложки (1) и на подложке с предварительно осажденным эпитаксиальным затравочным слоем (2).

Уровень легирования исходных подложек 4H-SiC составлял 5 · 1018 см-3.

составляет около 10-15 Торр и пренебрежимо мало по сравнению с давлением паров кремния при той же температуре. Таким образом, оседающий на подложке расплав сильно обеднен по углероду. Это приводит к частичному подрастворению подложки в слое конденсированного вещества. При последующем остывании происходит обратный процесс кристаллизации, что и приводит к Рис. 1. Изображение поперечного скола структуры (полуобразованию дефектного слоя с концентрацией около ченное с помощью сканирующего электронного микроскопа), 1017 см-3. Роста из расплава в вакууме в описанных выращенной в вакууме на подложке 4H-SiC с затравочным выше условиях на зеркально-гладких поверхностях подслоем. Толщина верхнего эпитаксиального слоя 3 мкм. Толщина затравочного слоя 1 мкм. ложек по результатам наблюдений не происходило.

2 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1186 Д.А. Бауман, А.В. Гаврилин, В.А. Иванцов, А.М. Морозов, Н.И. Кузнецов Обсуждение результатов Заключение В результате проведенных исследований был предлоОдной из особенностей роста ЖФЭ слоев в вакууме жен метод получения ЖФЭ слоев SiC в вакууме с низкой является достаточно интенсивное испарение расплава концентрацией остаточной примеси. Была показана необпри температурах выше 1400C. Это приводит, воходимость предварительного выращивания затравочнопервых, к существенному изменению эпитаксиального го слоя SiC. Рост в вакууме имеет свои особенности, режима в процессе роста, а во-вторых, к ограничению в частности, из-за сильного испарения расплава, что времени роста, и, как следствие, к ограничению возможможет приводить к некоторой нестабильности роста. Для ной толщины эпитаксиального слоя. Для обеспечения решения этой проблемы представляется целесообразным стабильного роста в вакууме необходимо существенное проведение роста при пониженном давлении, превышаснижение ростовой температуры. Однако при снижении ющем давление, характерное для вакуума. Кроме того, температуры (в нашем случае — на 150C по сравнению как было указано, помимо нейтральной атмосферы исс ростом в аргоне) уменьшается растворимость углерода точником примеси может служить графитовая оснаств расплаве и снижается скорость диффузионного насыка. Поэтому к дальнейшему снижению концентрации, щения расплава углеродом на границе расплава с повозможно, приведет использование графита, покрытого верхностью графитового тигля. В свою очередь хорошо слоем карбида кремния. Это будет служить предметом известно [6], что для начала кристаллизации пленки дальнейших исследований.

на твердой подложке необходимо, чтобы пересыщение расплава превосходило некоторое критическое значение, Авторы благодарны В.А. Дмитриеву за полезные закоторое в общем случае зависит от температуры, со- мечания при обсуждении работы. Данная работа была става расплава, состояния поверхности и ряда других выполнена при частичной поддержке грантов STP-факторов. Снижение уровня пересыщения расплава мо- и INTAS № 97-2141.

жет служить одной из возможных причин отсутствия роста. Для проверки этого предположения был проведен Список литературы эксперимент в вакууме с расплавом, предварительно насыщенным в аргоне при большей температуре, в те[1] B.J. Baliga. In: Proc. 6th Int. Conf. Silicon Carbide and чение времени, большего по сравнению с временем Related Materials (Kyoto, Japan, 1995) v. 142, p. 1.

насыщения в вакууме, и использованном ранее для ЖФЭ [2] S.V. Rendakova, I.P. Nikitina, A.S. Tregubova, V.A. Dmitriev. J.

Electron. Mater., 27, 292 (1998).

SiC в аргоне при большей температуре в течение 6 ч.

[3] S.V. Rendakova, V. Ivantsov, V.A. Dmitriev. Mater. Sci. Forum, В результате на зеркально-гладкой подложке после роста 264–268. 163 (1998).

был обнаружен только дефектный слой, а на подложке [4] V.E. Chelnokov, A.L. Syrkin, V.A. Dmitriev. Diamond and с затравочными ступенями вырос эпитаксиальный слой.

Related Mater., 6, 1480 (1997).

Таким образом, можно считать, что либо пересыщение [5] N.I. Kuznetsov, A.M. Morozov, D.A. Bauman, V. Ivantsov, расплава в вакууме при данных условиях не играет опреV. Sukhoveev, I. Nikitina, A. Zubrilov, S. Rendakova, V. Dmitделяющей роли для начала кристаллизации, либо его riev, D. Hofmann, P. Masri. Mater. Sci. Forum, 338–342, критическое значение не сильно зависит от содержания (2000).

углерода в расплаве.

[6] G. Sears. J. Chem. Phys., 25, 154 (1956).

[7] M.N. Kahn, S. Nishizawa, W. Bahng, K. Arai. Mater. Sci.

Другой особенностью роста эпитаксиальных слоев Forum, 338–342, 233 (2000).

SiC из расплава в вакууме является малый градиент [8] С.А. Кукушкин, В.В. Слезов. Дисперсные системы на температур в ростовой области расплава по сравнению поверхности твердых тел (СПб., Наука, 1996).

с градиентом в аргоне. Это, очевидно, связано с меньшим теплоотводом от верхней стороны подложки и графито- Редактор Т.А. Полянская вой оснастки. Градиент температур в околоподложечной части расплава влияет на величину потока вещества к подложке, скорость конвективной подпитки обедненной приподложечной области и определяет кинетику зарождения и роста эпитаксиального слоя [7,8]. Снижение градиента температуры могло стать причиной отсутствия роста в указанных выше условиях.

Таким образом, для устойчивого роста ЖФЭ слоев в вакууме при достаточно низких температурах ( 1250C) экспериментально показана необходимость нанесения на подложку затравочного слоя с характерными ступенями роста. Однако окончательное установление точной причины отсутствия роста на гладких подложках требует дополнительных исследований.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Особенности роста жидкофазных эпитаксиальных слоев карбида кремния в вакууме Distinctive features of liquid-phase epitaxial growth of SiC in vacuum D.A. Bauman, A.V. Gavrilin+, V.A. Ivantsov=, A.M. Morozov,=, N.I. Kuznetsov,+ Institute for High Performance Computing and Data Bases, 198005 St. Petersburg, Russia Crystal Growth Research Center, 194021 St. Petersburg, Russia + Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia = TDI Inc., 8660 Dakota, Gaithersburg MD 20877, USA

Abstract

An investigation of 4H-SiC epitaxial layers grown by the liquid-phase epitaxy in vacuum has been made. It is shown that background concentration decrease when the growth process was carried out on substrates having a previously grown epitaxial layer. The minimum concentration, Nd-Na, was found to be of 2 1016 cm-3.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.