автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Технология структур "карбид кремния - кремний" для приборов микроэлектроники и микросистемной техники

На х РУК0ПИСИ

003456215

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

О 'о

¡.о

ой

Санкт-Петербург - 2008

003456215

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 "¿7" ноября 2008 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Карбид кремния (БЮ) является перспективным материалом для создания электронных, оптических приборов и микроэлектромеханических устройств экстремальной электроники. Благодаря высокой критической напряженности поля пробоя, превышающей 2'10б 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 БЮ 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 бН^С в настоящее время ограничен 4 дюймами, а стоимость их на несколько порядков превышает стоимость кремниевых подложек. Гетероэпитаксия ЗС-БЮ на кремниевые подложки существенно удешевляет процессы создания приборов на основе этого материала. Однако при эпитаксии ЗС-БЮ на 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 ЗС-БЮ на Б! 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 ЗС-81С, 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 СУБ-эпитаксии ЗС-Б1С 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 ЗС^С/Бь

Объектами исследования настоящей работы являются оборудование для СУВ-эпитаксии ЗС-БЮ на 81, режимы технологических процессов формирования буферных слоев и эпитаксиальных слоев карбида кремния, а также собственно гетероструктуры ЗС^С/Бь

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 ЗС-БЮ на Б!, исследование температурных, временных, концентрационных соотношений в процессах с целью оптимизации режимов карбидизации и роста эпитаксиальных слоев;

- Отработка режимов роста эпитаксиальных слоев ЗС-БЮ 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 ЗС^СЖ и электрофизических параметров и характеристик изотипных и анизотипных гетероструктур п-ЗС^С/п-Б! и п-ЗО-БЮ/р-Бь

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 ЗС-БЮ, изготовление мембран методами анизотропного жидкостного и реактивного ионно-плазменного травления, формирование меза-гетероструктур ЗС-8Ю/81 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 (Т1В-технологии).

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

- установлено, что в процессах эпитаксии ЗС-БЮ на Б! 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 ЗС-БЮ/Б! может быть достигнут путем использования подложки с нанопористым кремнием при проведении процесса в интервале температур 1350 - 1370°С.

- предложен способ создания гетероструктур п-ЗС^С/р-Б! с улучшенными электрофизическими характеристиками, включающий формирование на-нопористого 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 ЗС-БЮ, характеризующиеся высокой чувствительностью к механическим воздействиям.

- определены закономерности, связывающие степень структурного совершенства эпитаксиальных слоев ЗС-ЗЮ/Б! 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 1.5x1.5 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 о (порядка 30 МПа) и высокой прочностью (критическое давление до 90кПа).

3. Изготовлены образцы гетероструктур на основе композиции ЗС^С/'Би Проведены исследования вольт-амперных характеристик образцов, изготовленных на подложках п-81 и р-Бь Установлено, что для получения диодов на гетеропереходах с высоким коэффициентом выпрямления (более 10) необходимо формировать мезаструктуры методом реактивного ионно-плазменного травления.

4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ ЦМИД-165 «Эпитаксия», ЦМИД-172 «Опас-ность-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-SÍC.

3. В области технологических режимов формирования слоев 3C-SÍC 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 (SÍ3N4) обеспечивают большую чувствительность к механическому воздействию.

4. Буферные слои на основе нанопористого кремния, подверженного кар-бидизации, позволяют формировать диодные анизотипные; гетероструктуры ЗС-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.

i

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 89 наименований. Основ-

ная часть работы изложена на 113 страницах машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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 гетероэпитаксш 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 ЗС-БКЗ пленки го газовой фазы.

В конце главы приводится описание базовых методов исследования полученных структур.

Вторая глава посвящена описанию

Руг

< г—-г» рк, - кГ!

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

методики получения ЗС-БЮ, разработанной в ходе данного исследования. Глава содержит общее описание установки, подробно рассмотрены вопросы конструирования реакторного блока: приводится обоснование выбора геометрии реактора и конструкционных материалов, описаны пути увеличения диаметра подложек до 3 дюймов. Эскиз конструкции реактора приведен на рис. 1. Газовая смесь, включающая в себя водород, пропан и моносилан, подается через фланец (7) в нижнюю часть реактора и направляется к подложкодержателю (12), расположенному в

б

центральной части и установленному на графитовой трубе вращения (9). Подложкодержатель представляет собой цилиндр с подложками размером 15x25мм2, закрепленными на нижнем основании. С помощью ВЧ-генератора мощностью 10 кВт работающего на частоте 28 кГц производится разогрев графитового экрана (4), опирающегося на кварцевое основание (6), а за счет теплоизлучения экрана нагревается подложкодержатель. Контроль температуры, - осуществляется - вольфрам-рениевой термопарой (5), расположенной в центре подложкодержателя. Для защиты кварцевого колпака (0124 мм) (1) от перегрева графитовый экран снаружи покрыт оболочкой из графитового войлока (11). В качестве подложек использовались пластины кремния КЭФ-15, КЭФ-7.5, КДБ -7.5 ориентации (100).

Подробно исследованы основные этапы процесса осаждения 3C-SiC на Si: подготовка подложек, формирование буферного слоя и рост слоя SiC. Подложки отмывались по стандартной методике, используемой в кремниевой технологии известной под названием RCA процесс. Затем образцы загружались в реактор, проводилась откачка реактора и осуществлялась продувка водородом. После продувки температура поднималась до 1000°С и производилось газовое водородное травление в течение 5 минут.

На следующем этапе производилось формирование буферного слоя. В данной работе использовались три методики создания буферного слоя: карбидизация монокристаллического кремния, карбидизация нанопористого кремния и использование нанопористого кремния без предварительной карбидизации.

Карбидизация монокристаллического кремния проводилась сразу после окончания водородного травления. В газовый поток вводился пропан и температура подложки поднималась до температуры карбидизации. При попадании в разогретую область вблизи подложкодержателя происходит пиролиз пропана и свободные атомы углерода адсорбируются на поверхность подложки, где взаимодействуют с атомами кремния с образованием фазы SiC. Процесс образования карбидизированного слоя является самоограниченным. Это связано с тем, что при образовании сплошного слоя SiC на поверхности кремния из-за малости коэффициента самодиффузии в карбиде кремния блокируется диффузионный поток кремния из подложки к поверхности роста и процесс роста слоя SiC останавливается. Исследования структуры и состава поверхностного слоя методом дифракции быстрых электронов и электронной Оже-спектроскопии показали наличие на поверхности тонкого слоя 3C-SiC. Толщина карбидизированного слоя составила 15-20 нм. По мере увеличения температуры подложки от 1200°С до 1390°С кристаллическая структура поверхностного слоя изменяется от аморфного состояния до совокупности ориентационно-коррелированных кристаллитов 3C-SiC.

Для уменьшения влияния рассогласования параметров кристаллических решеток Si и 3C-SiC в работе предложено использовать в качестве буферного слой нанопористого кремния, выполняющего роль «мягкой» подложки. Слои нанопористого кремния, формировались методом химического травления

подложек кремния в растворе 49% плавиковой кислоты (НР) с добавлением азотистокислого натрия (ЫаЫОг). Толщина слоя варьировалась от 50 нм до 120 нм. В результате взаимодействия с травителем на поверхности подложки формировался слой нанопористого кремния, который, по результатам электронографических исследований, характеризовался монокристаллической структурой. При этом поверхность пористой структуры оказалась гидрогенизированной. Наличие связей БьН на поверхности нанопористого кремния подтверждено методом ИК Фурье спектроскопии. После приготовления образцы загружались в реактор и осуществлялся процесс карбидизации в смеси пропана и водорода при условиях, аналогичных карбидизации монокристаллического кремния.

После формирования буферного слоя устанавливалась требуемая температура, в реактор подавалась смесь реакционных газов и начинался рост эпитаксиального слоя. В качестве реакционных газов использовались пропан (5% смесь с Н2) и моносилан (5% смесь с Аг). В качестве транспортного газа использовался водород Н2, прошедший финишную очистку. Раздельная подача моносилана и пропана позволяла варьировать соотношение Б1/С в газовой фазе. Рост осуществлялся при атмосферном давлении. По завершении процесса роста I подача ростообразующих компонентов в газовый поток прекращалась, выключался нагрев, и реактор охлаждался до комнатной температуры естественным путем. Параметры процесса эпитаксиального роста изменялись в следующих пределах: скорость потока СзНв от 40 до 160 мл/мин; скорость потока 81Н4 от 25 до 400 мл/мин; скорость потока Н2 от 5 до 16 л/мин; ! температура подложки от 1100 до 1390°С. В результате были получены эпитаксиальные слои ЗС-Б1С толщиной от 0,5 до 3,0 мкм без включений других

политипов. Однородность слоя по толщине в пределах структуры не превышала 10%. На рис. 2 представлено изображение

поперечного среза структуры ЗС-БЮ/Б1 изготовленного с использованием методики

остросфокусированного ионного пучка. Граница гетероперехода ровная без пустот и инородных включений.

Установлено, что основным технологическим параметром, оказывающим влияние на структуру растущего слоя, является температура подложки. На рис. 3 приведены РЭМ изображения морфологии поверхности

эпитаксиальных слоев и

Рис. 2. Поперечный разрез структуры ЗС-БЮ/Б1 изготовленный с использованием методики остросфокусированного

ионного пучка

соответствующие им электронограммы «на отражение», показывающие изменение структуры слоев карбида кремния по мере увеличения температуры подложки.

в г

Рис. 3. Изображения морфологии поверхности эпитаксиальных слоев и соответствующие им электронограммы: я - температура подложки 1100°С, б -1200°С, в - 1300°С, г - 1390°С. Электронный луч падает в направлении (110)

Все слои осаждались на подложки, предварительно карбидизированые в потоке пропана при температуре 1300°С в течение 1 минуты. При температурах порядка 1100°С структура слоя поликристаллическая с включениями монокристаллической фазы, о чем свидетельствует форма рефлексов в виде полуколец и наличие точечных рефлексов (рис. За). При увеличении температуры до 1200°С структура растущего слоя становится текстурированной, на электронограмме (рис. 36) наблюдаются рефлексы в форме дуг. Увеличение температуры подложки до 1300°С приводит к росту монокристаллческого ЗС-81С. На электронограмме видны точечные рефлексы,

характерные для ориентации (001), при этом наблюдаются рефлексы от кристаллитов посторонних ориентаций (рис. Зе). Дальнейший подъем температуры подложки ведет к улучшению кристаллической структуры растущего слоя, уменьшается интенсивность рефлексов от посторонних ориентаций, наблюдается возникновение вертикальных тяжей (рис. Зг), что свидетельствует об увеличении планарности поверхности эпитаксиального слоя.

Показано, что помимо температуры подложки на кристаллическую структуру и морфологию растущего слоя оказывает влияние соотношение ростообразующих компонентов в газовой фазе, скорости газовых потоков в реакторе и время процесса.

Исследование кинетики процесса осаждения показало, что скорость роста слоя ЗС-БЮ заметно снижается с ростом температуры подложки. На рис. 4а представлены температурные зависимости скорости осаждения слоя карбида кремния на подложке кремния при скоростях потока водорода равных 5 и 11 л/мин.

Ч

г

Температура подложки, °С и Температура подложки, °С

а б

Рис. 4. Температурная зависимость скорости роста слоя ЗС-вЮ при различных скоростях потока Н2 (а) и скорости гетерогенной кристаллизации на оснастке реактора (б)

При этом снижение скорости роста становится гораздо заметнее при снижении скорости потока водорода через реактор. Такой характер температурной зависимости скорости роста не может быть объяснен ни в рамках диффузионной модели роста, ни в рамках кинетической модели. Диффузионный режим обычно характеризуется линейной зависимостью скорости роста от величины потока газа-носителя (водорода) в реакторе и потоков ростообразующих компонентов. При этом зависимость скорости роста от температуры слабо выражена. В кинетическом режиме отсутствует зависимость скорости роста от потоков водорода и ростообразующих

компонентов, а зависимость скорости роста от температуры носит экспоненциальный характер.

При проведении процессов экспериментально наблюдалось осаждение вещества на оснастке реактора до зоны эпитаксиального роста, в первую очередь на трубе вращения (поз. 9 рис. 1) и кварцевой трубе (поз. 10 рис. 1). Элементный анализ состава осадка, проведенный с использованием метода РСМА, показал, что это многофазная система, представляющая собой смесь поликристаллов кремния и карбида кремния. Для оценки влияния гетерогенной кристаллизации на элементах оснастки на скорость роста эпитаксиального слоя труба вращения взвешивалась до и после процесса эпитаксиального наращивания с точностью 0,1 мг. Увеличение массы трубы вращения позволяет судить об интенсивности кристаллизации на деталях оснастки в процессе эпитаксиального роста. Предполагается, что кристаллизация на других деталях оснастки происходит с той же скоростью, что и на трубе вращения. То есть характер зависимостей прироста массы трубы вращения после проведения процесса эпитаксиального наращивания от температуры и величины газовых потоков будет соответствовать характеру зависимостей потерь компонентов на всех деталях оснастки. На рис. 46 представлена зависимость скорости гетерогенной кристаллизации от температуры подложкодержателя. Количество вещества, сконденсировавшегося на оснастке, растет при увеличении температуры, но такой прирост массы не позволяет объяснить столь заметное снижение скорости эпитаксиального роста. Характер полученных зависимостей позволяет сделать вывод о наличии дополнительного механизма, приводящего к снижению концентрации ростообразующих компонентов в газовой фазе. Анализ характера газовых потоков в реакторе позволяет предположить, что при повышенных значениях температуры эпитаксии и потока моносилана обеднение газовой фазы может быть связано с возникновением гомогенной кристаллизации. Вследствие трения о стенки реактора и внутреннего трения происходит изменение скорости газового потока по сечению реактора от стенки к центру. Распределение скоростей по сечению потока определяется значением числа Рейнольдса. Проведенные оценки показывают, что в нашем случае поток является ламинарным. При этом в областях, непосредственно примыкающих к трубе вращения и опорной трубе, возникают обширные области, характеризующиеся резким снижением скорости потока. Это приводит к увеличению времени пребывания газовой смеси вблизи стенок. С другой стороны, исходя из условий нагрева, стенки реактора характеризуются максимальной температурой. Оба этих фактора - минимальная скорость потока вблизи стенок реактора и максимальная их температура должны приводить к тому, что гетерогенная кристаллизация будет наблюдаться уже при относительно низких температурах эпитаксии и при минимальных значениях расхода моносилана. Возникновение гомогенной кристаллизации можно ожидать при более высоких температурах и значениях скорости потока. Результатом протекания процесса гомогенной кристаллизации являются наблюдаемые включения в эпитаксиальный слой разориентированных микро

кристаллитов. Увеличение концентрации таких включений хорошо коррелирует со снижением скорости роста эпитаксиального слоя, наблюдаемом при высоких значениях температуры эпитаксии и потока моносилана.

В главе также приведены результаты исследования влияния буферного слоя на кристаллическую структуру и уровень механических напряжений в слое. В случае эпитаксии на пористом кремнии без предварительной карбидизации на поверхности наблюдается дендритный рост с высокой плотностью дефектов. Структура растущих в таких условиях слоев поликристаллическая. При эпитаксии на пористом кремнии с предварительной карбидизацией, дендриты на поверхности растущего слоя отсутствуют, а структура растущего слоя монокристаллическая с включениями поликристаллической фазы. На монокристаллическом карбидизированном кремнии в аналогичных условиях наблюдается рост карбида кремния со структурой блочного монокристалла. Несмотря на наличие промежуточного буферного слоя в полученных структурах возникают механические напряжения. Наличие буферного слоя приводит к частичной релаксации этих напряжений, но не устраняет их полностью, что приводит к изгибу структур.

На рис. 5 представлена зависимость отношения изгиба структуры к толщине растущего слоя от температуры подложки. Сравнение величины изгиба

структуры ЗС-81С/81 при использовании различных буферных слоев позволяет сделать вывод, что осаждение на пористом буферном слое происходит с минимальным уровнем

гас. э. зависимость отношения изгио/толщина слоя остаточных

от температуры для структур ЗС-БУЖ с напряжении. Но при

использованием различных буферных слоев этом Р^тущая на таком

буферном слое пленка

карбида кремния обладает меньшим структурным совершенством, чем слой, растущий на карбидизированном монокристаллическом кремнии. Наблюдаемый характер зависимости с минимумом объясняется тем, что с одной стороны по мере увеличения температуры подложки происходит уменьшение уровня механических напряжений в структуре благодаря тому, что при приближении к температуре размягчения кремния вероятность релаксации напряжений несоответствия увеличивается. На зависимости отношения изгиб/толщина от температуры подложки мы наблюдаем спад до температур

■ карбидизированный кремний - карбмдизированиый наиопористый кремний ' наиопористый кремний без карбидизации

1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 1380 1390 1400

Температура подложки, °С

порядка 1350°С, что говорит о снижении уровня механических напряжений в слое. Но, по мере увеличения температуры подложки увеличиваются термические напряжения, обусловленные различием коэффициентов линейного расширения подложки и наращиваемого слоя, возникающие в процессе охлаждения эпитаксиальной структуры. При увеличении температуры подложки выше области экстремума, увеличивается вклад этой составляющей, что и объясняет растущий характер зависимости при температуре выше 1350°С. Таким образом общий вид температурной зависимости объясняется суперпозицией двух типов механических напряжений: напряжений несоответствия и термических напряжений.

Для оценки уровня механических напряжений в структуре ЗС-Б1С/81 от величины прогиба была использована широко известная методика Стони подробно описанная, например, в работе. Расчеты по данной методике проводятся в предположении однородности напряжений по толщине пленки и при условии, что её толщина значительно меньше толщины подложки. Величина рассчитанных таким образом механических напряжений в слое составляла 1 ГПа и более, в зависимости от условий получения и толщины слоев БЮ. Полученные результаты свидетельствуют об уменьшении механических напряжений в слоях на пористом материале по сравнению со структурами, полученными на немодифицированных подложках КЭФ 15, что свидетельствует о более эффективной релаксации напряжений на границе раздела слой/подложка.

В третьей главе предложено использовать структуры ЗС-81С/81(100) в качестве активных элементов датчиков давления и интерферометрических микрофонов. Основные преимущества ЗС-БЮ:

1. Высокая химическая стойкость позволяет вытравливать мембраны без использования стоп слоев и защитных маскирующих покрытий, создает возможность эксплуатировать приборы в условиях агрессивных сред;

2. Существует возможность локально изменять проводимость материала мембраны, и, следовательно, формировать в мембране активные приборы;

3. В ЗС-81С - наблюдается тензоэффект, что дает возможность использовать мембрану как активный элемент.

Представлена методика изготовления мембран двух типов: плоских и гофрированных. Процесс формирования гофрированной мембраны состоит из следующих последовательных технологических операций: изготовления гофра и меток совмещения на лицевой и обратной сторонах кремниевой подложки методом жидкостного химического травления; газофазного осаждения пленки БЮ на лицевой и обратной стороне подложки; формирования маски для анизотропного травления мембраны с обратной стороны подложки; жидкостного анизотропного травления мембраны; разделения пластины на кристаллы.

В соответствии с методикой, подробно описанной в работе, проведена оценка величины встроенных механических напряжений слоев. Методика заключается в измерении прогиба центра мембраны в зависимости от

приложенного давления и вычисления по линейному участку полученной зависимости значений напряжений. Проведено сравнение чувствительности карбидокремниевых мембран с мембранами из нитрида кремния ^ИД Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты измерений механических напряжений и чувствительности

материал мембраны тип мембраны размер, мм толщина, мкм механические напряжения о, МПа чувствительность, нм/Па

ЗС-БЮ деформированная 1,5 0,58 28 14

зс-вю плоская 1,5-1,8 0,6 30-530 0,8-14

зс-зю гофрированная 1,5 0,8 17

513Ьт4 плоская 1,5 0,6 - 0,5

Наиболее качественные из полученных плоских мембран характеризуются высокой чувствительностью (порядка 14 нм/Па) и высокой прочностью (критическое давление до 90кПа). Значение внутренних напряжений составляет а~30 МПа. Для сравнения у нитридных мембран с толщинами того же порядка чувствительность ~ 0,5 нм/Па, т.е. в 30 раз хуже.

Полученные результаты показывают, что для плоских мембран чувствительность уменьшается с увеличением значения внутренних напряжений а. Максимальная чувствительность достигнута на гофрированных мембранах, несмотря на большую, по сравнению с плоскими мембранами, толщину. Это позволяет заключить, что на основе структур 81С/81 возможно получение мембран с более высокой чувствительностью, чем у мембран из 813М4.

В четвертой главе рассматривается возможность использования гетероструктур ЗОБЮ/Б! для фотоприемников, фотовольтаических преобразователей и транзисторных структур с широкозонным эмиттером.

В главе приводятся результаты исследований диодных свойств изотипных и анизотипных гетероструктур ЗС^С^ с буферным слоем, изготовленным методом карбидизации монокристаллического кремния и карбидизацией нанопористого кремния.

Представлена технология формирования гетероструктур ЗС^С/Бь включающая нанесение алюминиевых контактов на лицевую и обратную стороны структуры методом магнетронного напыления, фотолитографию по металлу со стороны эпитаксиального слоя для формирования контактных площадок, формирование мезаструктур методом реактивного ионно-плазменного травления.

Показано, что структуры с изотипными гетеропереходами не обладают выпрямляющими свойствами, ни на самом гетеропереходе, ни на контакте металл-карбид кремния. В тоже время анизотипные гетероструктуры обладают диодными свойствами с максимальными обратными напряжениями до 200 В.

На рис. 6 представлены прямая и обратная ветви ВАХ структуры п-ЗС-81С/р-81 с карбидизированным нанопористым буферным слоем. Далее в главе приводятся результаты анализа вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик анизотипных и изотипных гетероструктур, проводятся оценки

диффузионных потенциалов анизотипных гетероструктур. Их значения составили 0,79...0,92 эВ. Анализ процессов транспорта носителей заряда в гетероструктурах п-БЮ/р-Б! показал, что наиболее вероятным механизмом электронного транспорта в анизотипных гетероструктурах является эмиссионно-рекомбинационный. Далее в главе приводятся результаты сопоставления теоретических и экспериментальных ВАХ для исследуемых образцов структур п-ЭКЗ/р-Бь Показано, что теоретическая зависимость ВАХ прямой ветви анизотипной гетероструктуры хорошо согласуется с экспериментально полученной и, следовательно, может быть описана в рамках эмиссионно-рекомбинационной модели.

В заключении подведены итоги проделанной работы и сформулированы основные результаты исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разработана и изготовлена установка СУО эпитаксии, позволяющая проводить подготовку интерфейса и осаждение слоев ЗС-Б1С на 81 при температурах до 1400°С.

2. Определены оптимальные условия карбидизации монокристаллического кремния и нанопористого кремния.

3. Экспериментально установлено, что скорость роста при СУО эпитаксии ЗС-81С монотонно уменьшается с ростом температуры. Такой характер зависимости объясняется обеднением газовой фазы ростообразующими компонентами за счет гетерогенной кристаллизации и увеличением вклада гомогенной кристаллизации в области подложки. При этом

б

Рис, 6. Прямая (а) и обратная (б) ветви ВАХ образца с буферным слоем на основе

карбидизированного нанопористого кремния

влияние гомогенной кристаллизации наиболее заметно при максимальных температурах эпитаксии и значениях потока моносилана.

4. Показано, что при осаждении карбида кремния в температурном диапазоне от 1200 до 1390°С при скорости потока водорода 5,5 л/мин и соотношении Si/C на входе в реактор 0,26 в интервале температур 1200 -1300°С наблюдается рост преимущественно поликристаллических слоев с включениями монокристаллической фазы. В интервале температур 1300-1350°С наблюдается рост текстурированных пленок 3C-SÍC, а при 1390°С наблюдается рост монокристаллического 3C-SÍC.

5. Установлено, что уменьшение потока пропана при фиксированном потоке моносилана ведет к изменению структуры слоя от монокристаллической до поликристаллической. Соотношение потоков пропана и моносилана на входе в реактор изменялось от 1,3 до 0.

6. Определен диапазон оптимальных температур подложки, позволяющий получать слои карбида кремния с минимальным уровнем механических напряжений. Минимальные значения напряжений независимо от метода подготовки буферного слоя соответствуют диапазону температур роста 1350 - 1370°С.

7. Изготовлены образцы гетероструктур на основе композиции ЗС-SiC/Si. Установлено, что для получения гетеропереходов, с высоким коэффициентом выпрямления (более 105) необходимо формировать мезаструктуры методом реактивного ионно-плазменного травления.

8. Проведены исследования вольт-амперных характеристик образцов, изготовленных на подложках n-Si и p-Si. Показано, что структуры с изотипными гетеропереходами не обладают выпрямляющими свойствами, ни на самом гетеропереходе, ни на контакте металл-карбид кремния. В тоже время анизотипные гетероструктуры обладали диодными характеристиками с максимальными обратными напряжениями до 200 В.

9. С использованием известных моделей токопереноса в гетероструктурах и результатов измерений ВАХ показано, что наиболее вероятным механизмом электронного транспорта в анизотипной гетероструктуре n-SiC/p-Si является эмиссионно-рекомбинационный.

10. Исследование значений остаточных напряжений в 3C-SÍC мембранах показало, что для плоских мембран чувствительность уменьшается с увеличением значения внутренних напряжений а. Максимальная чувствительность была достигнута на гофрированных мембранах, несмотря на большую, по сравнению с плоскими мембранами, толщину.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Из перечня изданий, рекомендованных ВАК:

1. Методика эшиаксиального наращивания кубического карбида кремния на кремнии по технологии CVD / Матузов А.В., Ильин В.А., Казак-Казакевйч А.З., Петров А.С. // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2007. № 3. С. 22-26.

и другие:

2. Оборудование и технология CVD-эпитаксии карбида кремния / А.В. Матузов, А.В. Афанасьев, В.А. Ильин, А.В. Каманин, В.В. Лучинин, А.С. Петров, Б.В. Пушный // IV Международная научная конференциия «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 19-24 сентября 2004 г. Кисловодск : [сб. докл.] Кисловодск. 2004. С. 252-253.

3. A.V, Matuzov, M.A. Kuznetsova, A.Yu. Savenko. Silicon carbide on silicon substrate structures investigation by means of focused ion beam (Исследование структур карбида кремния на подложках кремния с использованием остросфокусированного ионного пучка) // Physics of Electronic Materials : 2"d International Conférence Proceedings, Kaluga, Russia, May 24-27, 2005. Volume 2 / Ed. K.G. Nikiforov. Kaluga : KSPU Press, 2005. P. 49-51.

, 4. Получение эпитаксиальных слоев кубического карбида кремния на подложках кремния. методом газо-фазной эпитаксии / А.В. Матузов, Н.М. Коровкина, М.А. Кузнецова, А.Ю. Савенко // 7-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 5-9 декабря 2005 г. Санкт-Петербург: [сб. матер.] Санкт-Петербург. 2005. С. 35.

5. Влияние водородного травления на морфологию поверхности пористого кремния / А.В. Матузов, Н.М. Коровкина, Б.Б. Логинов // 9-я Научная молодежная школа по твердотельной электронике, нанотехнологии и нанодиагностики, 27-28 мая 2006 г. Санкт-Петербург : [сб. матер.] Санкт-Петербург. 2006. С. 44.

6. Особенности морфологии полупроводниковых структур на пористом кремнии / А.В. Матузов, Ю.М. Канагеева, А.И. Максимов // 10-я Научная молодежная школа по твердотельной электронике, нанотехнологии и нанодиагностики, 24-25 мая 2007 г., Санкт-Петербург : [сб. матер.] Санкт-Петербург. 2007, С. 36.

7. Эпитаксиальные слои кубического карбида кремния на кремнии по технологии CVD. Получение, свойства, применение / А.В. Матузов, В.А. Ильин, А.С. Петров, В.П. Растегаев // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии : сборник докладов VIII Международной научной конференции, 14-19 сентября 2008 г., Кисловодск, 2008. С. 259.

Подписано в печать 14.11.2008. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/1114. П. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 120 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812) 327 5098

Список терминов, условных обозначений и сокращений

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ВОПРОСАМ ЭПИТАКСИИ

КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИИ

1.1. Способы получения и особенности технологии роста гетероэпитаксиальных структур 3C-SiC/Si

1.1.1. Методы подготовки подложек

1.1.2. Методики формирования буферного слоя

1.1.3. Процессы осаждения 3C-SiC на кремниевые подложки

1.2. Базовые методы исследования структур 3C-SiC/Si

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВЫЕ ПОДЛОЖКИ

2.1. Описание установки газофазного осаждения карбида кремния

2.2. Разработка конструкции реактора

2.2.1. Выбор геометрии реактора

2.2.2. Выбор материалов для изготовления оснастки реактора

2.2.3. Конструкция реактора

2.2.4. Перспективы увеличения площади подложек

2.3. Подготовка подложек к процессу осаждения

2.4. Методики формирования буферного слоя

2.4.1. Карбидизация поверхности монокристаллического кремния

2.4.2. Карбидизация нанопористого кремния

2.4.3. Использование нанопористого кремния без карбидизации

2.5. Методика выращивания эпитаксиальных слоев

2.5.1. Влияние технологических параметров на характеристики эпитаксиального слоя

2.5.2. Влияние параметров буферного слоя на характеристики эпитаксиального слоя

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР SiC/Si ДЛЯ СОЗДАНИЯ МЕМБРАН МЭМС

ЗЛ. Перспективы использования структур ЗС- SiC/Si в качестве мембран в МЭМС '

3.2. Методика изготовления мембран на основе 3C-SiC/Si

3.3. Методика исследования и результаты измерения механических напряжений в 3C-SiC мембранах

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ГЕТЕРОСТРУКТУР SiC/Si ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

4.1. Перспективы использования гетероперехода n-SiC/p-Si для фотоприемников, фотовольтаических преобразователей и транзисторных структур с широкозонным эмиттером

4.2. Методика изготовления экспериментальных образцов диодных структур

4.3. Исследование вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур 3C-SiC/Si

4.3.1. Структура с изотипным гетеропереходом n-SiC/n-Si

4.3.2. Структура с анизотипным гетеропереходом n-SiC/p-Si

4.3.3. Определение диффузионного потенциала на основе анализа вольт-амперных и C-V характеристик

4.4. Анализ процессов транспорта носителей заряда в гетероструктурах n-SiC/p-Si 100 Заключение 102 Литература

Список терминов, условных обозначений и сокращений

АСМ — атомно-силовая микроскопия; МЭМС - микроэлектромеханические системы; РСМА - рентгеноспектральный микроанализ; РЭМ — растровая электронная микроскопия; ЭОС - электронная Оже-спектроскопия;

CVD (Chemical Vapor Deposition) - химическое осаждение из газовой фазы;

Cold-wall CVD - химическое осаждение из газовой фазы (метод холодной стенки);

C-V — вольт-фарадный метод измерения параметров полупроводников; Hot-wall CVD — химическое осаждение из газовой фазы (метод горячей стенки);

МВЕ (Molecular Beam Epitaxy) - молекулярно-пучковая эпитаксия; RTCVD (Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition) - химическое осаждение из газовой фазы с высокой скоростью подъема температуры.

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 [1-3]. 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 6H-SiC в настоящее время ограничен 4 дюймами, а стоимость их на несколько порядков превышает стоимость кремниевых подложек [4]. Гетероэпитаксия кубического карбида кремния (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.

В этой связи, целью настоящей работы является 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, механических и электрофизических свойств структур для приборов электроники и микросистемной техники.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - Создание методики и аппаратуры для выращивания эпитаксиальных слоев 3C-SiC на Si, исследование температурных, временных, концентрационных соотношений с целью оптимизации режимов карбидизации и роста эпитаксиальных слоев;

- Отработка режимов роста эпитаксиальных слоев 3C-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 3C-SiC/Si и электрофизических параметров и характеристик анизотипных гетероструктур n-3C-SiC/p-Si.

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 травления, формирование гетероструктур 3C-SiC/Si, с использованием реактивного 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 3C-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 состоит в том, что:

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 1.5x1.5 мм" 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 о (порядка 30 МПа) и высокой прочностью (критическое давление до 90кПа).

3. Изготовлены образцы гетероструктур на основе композиции ЗС-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 большую чувствительность к механическому воздействию.

4. Буферные слои на основе нанопористого кремния, подверженного карбидизации, позволяют формировать диодные анизотипные гетеро структуры 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. Основные положения защищены подачей заявки на патент на группу изобретений №2008139737 от 06.10.2008.

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.

Основные результаты работы:

1. Разработана и изготовлена установка CVD эпитаксии, позволяющая проводить подготовку интерфейса и осаждение слоев 3C-SiC на Si при температурах до 1400°С.

2. Определены оптимальные условия карбидизации монокристаллического кремния и нанопористого кремния.

3. Экспериментально установлено, что скорость роста при CVD эпитаксии 3C-SiC монотонно уменьшается с ростом температуры. Такой характер зависимости объясняется обеднением газовой фазы ростообразующими компонентами за счет гетерогенной кристаллизации и увеличением вклада гомогенной кристаллизации в области подложки. При этом влияние гомогенной кристаллизации наиболее заметно при максимальных температурах эпитаксии и значениях потока моносилана.

4. Показано, что при осаждении карбида кремния в температурном диапазоне от 1200 до 1390°С при скорости потока водорода 5,5 л/мин и соотношении Si/C на входе в реактор 0,26 в интервале температур 1200 -1300°С наблюдается рост преимущественно поликристаллических слоев с включениями монокристаллической фазы. В интервале температур 1300-1350°С наблюдается рост текстурированных пленок 3C-SiC, а при 1390°С наблюдается рост монокристаллического 3C-SiC.

5. Установлено, что уменьшение потока пропана при фиксированном потоке моносилана ведет к изменению структуры слоя от монокристаллической до поликристаллической при изменении соотношения потоков пропана и моносилана на входе в реактор от 1,3 до 0.

6. Определен диапазон оптимальных температур подложки, позволяющий получать слои карбида кремния с минимальным уровнем механических напряжений. Минимальные значения напряжений независимо от метода подготовки буферного слоя соответствуют диапазону температур роста 1350 -1370°С.

7. Изготовлены образцы гетероструктур на основе композиции 3C-SiC/Si. Установлено, что для получения гетеропереходов, с высоким коэффициентом выпрямления (более 10^) необходимо формировать меза-структуры методом плазмохимического травления.

8. Проведен анализ вольт-амперных характеристик образцов, изготовленных на подложках n-Si и p-Si. Показано, что структуры с изотипными гетеропереходами не обладают выпрямлением, как на самом гетеропереходе, так и на контакте металл-карбид кремния. В тоже время анизотипные гетероструктуры обладали диодными характеристиками с максимальными обратными напряжениями до 200 В.

9. С использованием известных моделей токопереноса в гетероструктурах и результатов измерений ВАХ показано, что наиболее вероятным механизмом электронного транспорта в анизотипной гетероструктуре п-SiC/p-Si является эмиссионно-рекомбинационный.

10. Исследование значений остаточных напряжений в 3C-SiC мембранах показало, что для плоских мембран чувствительность уменьшается с увеличением значения внутренних напряжений а. Максимальная чувствительность была достигнута на гофрированных мембранах, несмотря на большую, по сравнению с плоскими мембранами, толщину.

Заключение

1. Иванов, П.А. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния Текст. / П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, А.К. Agarwal // ФТП. - 2005. - т. 39, 8. - С. 897-913.

2. Лучинин, В.В. Карбид кремния материал экстремальной электроники Текст. / В.В. Лучинин, Ю.М. Таиров // Петербургский журнал электроники. - 1996. - № 02 (11). - С. 53-78.

3. Карачинов, В.А. Пирометрические зонды на основе кристаллов карбида кремния Текст. / В.А. Карачинов, С.В. Ильин, Д.В. Карачинов // ПЖТФ. 2005. - том 31. - выпуск 11. - С. 1-4.

4. Электронная страница компании Cree, Inc. Электронный ресурс. // (http://www.cree.com/products/materials.asp)

5. Мохов, Е.Н. Проблемы управляемого получения легированных структур на базе карбида кремния Текст. / Е.Н. Мохов, Ю.Ф. Водаков, Г.А. Ломакина // Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников: сб. материалов. Л.: ЛИЯФ, 1979. - С.136-149.

6. Vodakov, Yu. A. Epitaxial Growth of SiC layers by sublimation Sendwich method I Текст. / Yu. A. Vodakov, E. N. Mokliov, M. C. Ramm, A. D. Roenkov // Ciyst. Res. & Teclm. 1979. - №14(6). - P.729 - 741.

7. Mokhov, E. N. Epitaxial Growth of SiC layers by sublimation Sandwich method II Текст. / E. N. Mokhov, I. L. Schulpina, D. S. Tregubova, Yu. A. Vodakov // Cryst. Res. & Techn. 1981. - №16(8). - P.879 - 886.

8. Shigehiro, Nishino Production of large-area single-crystal wafers of cubic SiC for semiconductor devices Текст. / Shigehiro Nishino, J. Anthony Powell, Herbert A. Will // Appl. Phys. Lett. 1983. - vol.42(5). - P.460.

9. Hernandez, M.J. Study of surface defects on 3C-SiC films grown on Si(lll) by CVD Текст. / M.J. Hernandez, G. Ferro, T. Chassagne, J. Dazord, Y. Monteil // Journal Of Crystal Growth. 2003. - vol.253. - P.95-101.

10. Нашел ьский, А .Я. Технология полупроводниковых материалов Текст. /-А.Я. Нашельский // М.: Металлургия, 1987. 268 с.

11. Киреев, В.Ю. Технологии микроэлектроники. Химическое осаждение из газовой фазы Текст. / В.Ю. Киреев, А.А. Столяров // М.: Техносфера, 2006. 83 с.

12. Kern, Werner The evolution of silicon wafer cleaning technology Текст. / Werner Kern //J. Electrochem. Soc. 1990. - vol.137. - P. 1887.

13. Ishizaka, A. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon МВЕ Текст. / A. Ishizaka, Y. Shiraki // J. Electrochem. Soc.-1986.-vol.133.-P.666.

14. Fawcett, T.J. Hydrogen gas sensors using 3C-SiC/Si epitaxial layers Текст. / T.J. Fawcett, J.T. Wolan, R.L. Myers, J. Walker, S.E. Saddow // Materials Science Forum. 2004. - vol.457-460. - P. 1499-1502.

15. Becourt, N. Characterization of the buffer layer in SiC heteroepitaxy Текст. / N. Becourt, B. Cros, J.L. Ponthenier, R. Berjoan, A.M. Papon, C.Jaussaud//Appl. Surf. Sci. 1993. - vol.68. - P.461-466.

16. Jia, Hujun Epitaxial growth and microstructure of cubic SiC films on Si substrate Текст. / Hujun Jia, Yintang Yang, Changchun Chai, Yuejin Li, Zuoyun Zhu // Optical Materials. 2003. - vol.23. - P.49-54.

17. Yuan, С. Effects of carbonisation on the growth of 3C-SiC on Si(lll) by silacyclobutane Текст. / С. Yuan, A. J. Steckl, M. J. Loboda // Appl. Phys. Lett. 1994. - vol.64(22). - P.3000-3002.

18. Li, J. P. Structural characterization of nanometer SiC films grown on Si Текст. / J. P. Li, A. J. Steckl, I. Golecki, F. Reidinger, L. Wang, X. J. Ning, P. Pirouz // Appl. Phys. Lett. 1993. - vol.62(24). - P.3135-3137.

19. Addamiano, A. Chemically formed buffer layers for growth of cubic silicon carbide on silicon single crystals Текст. / A. Addamiano, P. H. Klein // J. Cryst. Growth. 1984. - V.70. - P.291-294.

20. Christian, A. Epitaxial growth of 3C-SiC films on 4 in. diam (100) silicon wafers by atmospheric pressure CVD Текст. / С. A. Zorman, A. J. Fleischman, S.A. Dewa, Mehran Mehregany // J. Appl. Phys. 1995. - vol.78(8). -P.5136-5138.

21. Hu, Ming Shien Surface carbonization of Si (111) by C2H2 and the subsequent SiC (111) epitaxial growth from SiH4 and C2H2 Текст. / Ming Shien Hu, Lu Sheng Hong// Journal of Crystal Growth. 2004. - vol.265. - P.382-389.

22. Новикова, С.И. Тепловое расширение твердых тел Текст. / С.И. Новикова // М.: Наука, 1974. 294 с.

23. Мильвидский, М.Г. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях полупроводников Текст. / М.Г. Мильвидский, В.Б. Освенский // М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

24. Learn, A.J. Growth morphology and crystallographic orientation of P-SiC films formed by chemical conversion Текст. / A.J. Learn, I.H. Khan // Thin solid films. 1970. - vol.5. - P.145-155.

25. Nishino, Shigehiro Chemical vapor deposition of single crystalline beta-SiC films on silicon substrate with sputtered SiC intermediate layer

26. Текст. / Shigehiro Nishino, Yoshikazu Hazuki, Hiroyuki Matsunami, Tetsuro Tanaka // J. Electrochem. Soc. 1980. - vol.127. - P.2674.

27. Wang, Y.S. The effects of carbonized buffer layer on the growth of SiC on Si Текст. / Y.S. Wang, J.M. Li, F.F. Zhang, L.Y. Lin // J. Cryst. Growth.1999. V.201/202. - P.564-567.

28. Hurtos, E. Low temperature SiC growth by metalorganic LPCVD on MBE carbonized Si (001) substrates Текст. / E. Hurtos, J. Rodrigues-Viejo, J. Bassas, M.T. Clavaguera-Mora, K. Zekentes // Materials Science and Engineering. 1999. - V.61-62. - P.549-552

29. Scholz, R. Micropipes and voids at beta-SiC/Si(100) interfaces: an electron microscopy study Текст. / R. Scholz, U. Gosele, E. Niemann, F. Wischmeyer // Appl. Phys. A. 1997. - V.64. - P.l 15-125.

30. Addamiano, A. "Buffer layer" technique for the growth of single crystal SiC on Si Текст. / A. Addamiano, J.A. Sprague // Applied Physics Letters. 1984. - vol. 44. - P. 525-527.

31. Ferro, G. Atomic force microscopy growth modeling of SiC buffer layers on Si(100) and quality optimization Текст. / G. Ferro, Y. Monteil, H. Vincent and V. Thevenot // J. Appl. Phys. 1996. - V.80 (8). - P.4691-4702.

32. Nishino, S. Epitaxial growth and electric characteristics of cubic SiC on silicon Текст. / S. Nishino, H. Suhara, H. Ono, H. Matsunami // J. Appl. Phys. 1987. - V.61. - P.4889-1987.

33. Nagasawa, H. Suppression of etch pit and hillock formation on. carbonization of Si substrate and low temperature growth of SiC Текст. / H. Nagasawa, Y. Yamaguchi // J. Cryst. Growth. 1991. - V.115. - P.612-616.

34. Mendez, D. Analysis of SiC islands formation during first steps of Si carbonization process. Текст. / D. Mendez, A. Aouni, D. Araujo, E. Bustarret, G. Ferro, Y. Monteil // Materials Science Forum. 2005. - V.483-485. - P.555-558.

35. Nagasawa, Hiroyuki 3C-SiC hetero-epitaxial growth on undulant Si(001) substrate Текст. / Hiroyuki Nagasawa, Kuniaki Yagi, Takamitsu Kawahara // Journal of Crystal Growth. 2002. - Vol. 237-239. - P. 1244-1249.

36. Ishida, Y. CVD Growth Mechanism of 3C-SiC on Si Substrates Текст. / Y. Ishida, T. Takahashi, H. Okumura, S. Yoshida, T. Sekigawa // Materials Science Forum. 1998. - Vols. 264-268. - P. 183-186.

37. Steckl, A. J. Growth of crystalline 3C-SiC on Si at reduced temperatures Текст. / A.J. Steckl, C. Yuan, J.P. Li // Appl. Phys. Lett. 1993. -Vol. 63. - P. 3347-3349. r.

38. Reyes, M. Increased Growth Rates of 3C-SiC on Si (100) Substrates via HC1 Growth Additive Текст. / M. Reyes, Y. Shishkin, S. Harvey, S.E. Saddow // Materials Science Forum. 2007. - Vols. 556-557. - P. 191-194.

39. Pazik, J.C. Epitaxial growth of beta-SiC on silicon-on-sapphire substrates by chemical vapor deposition Текст. / J. C. Pazik, G. Kelner, N. Bottka // Appl. Phys. Lett. 1991. - vol. 58. - P.1419-1421.

40. Cloitre, Т. Growth of 3G-SiC on Si by Low Temperature CVD

41. Текст. / Т. Cloitre, N. Moreaud, P. Vicente, M.L. Sadowski, R.L. Aulombard // Materials Science Forum. 2001. - V.353-356. - P. 159-162.

42. Shibahara, K. Surface morphology of cubic SiC(lOO) grown on Si(100) by chemical vapor deposition Текст. / К. Shibahara, S. Nishino, H. Matsunami // J. Cryst. Growth. 1986. - V.78. - P.538-544.

43. Зеленин, B.B. Некоторые аспекты газофазной эпитаксии карбида кремния Текст. /В.В. Зеленин, М.Л. Корогодский, А.А. Лебедев // Физика и техника полупроводников. 2001. - т. 35. - вып.10. - С.1169.

44. Чепурнов, В.И. Высокочувствительный датчик температуры на основе гетероэпитаксиальной структуры SiC/Si Текст. / В.И. Чепурнов, Т.П. Фридман // Микросистемная техника. 2002. - Выпуск 2. - С. 17-21.

45. Батавин, В.В. Контроль параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных слоев Текст. / В.В. Батавин // М.: «Сов. радио». 1986. - 104с.t .

46. Гоулдстейн, Дж. Растровая электронная микроскопия ирентгеновский микроанализ Текст.: кн. 1. / Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери и др.//пер. с англ. М: Мир. - 1984. - 303с.

47. Сергеева, Н.Е. Введение в электронную микроскопию минералов Текст. / Н.Е. Сергеева // М.: Изд-во Моек ун-та. 1977. - 144 с.

48. Карлсон, Т. Фотоэлектронная и оже-спектроскопия Текст. / Карлсон Т.//пер. с англ.- Л. 1981. - 432 с.

49. Еловиков, С.С. Оже-электронная спектроскопия Текст. / С.С. Еловиков // Соросовский Образовательный Журнал. 2001. - № 2. - Том 7. -С.82-88.

50. Вайнштейн, Б. К. Структурная электронография Текст.: монография. Москва: Изд-во Академии наук СССР, 1956. - 342 с.

51. Кузнецова, М. А. Ионно-лучевая технология сверхлокального препарирования интегральных схем Текст. / М. А. Кузнецова, В.Вг Лучинин, А.Ю. Савенко// Известия ТЭТУ. 2006. - №2.

52. Суслов, А. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) Текст. / А. А. Суслов, С. А. Чижик// Материалы, Технологии, Инструменты. -1997. Т.2. -№3.-С.78-89.

53. Шермергор, Т. Новые профессии туннельного микроскопа Текст. / Т. Шермергор, В. Неволин // Наука и жизнь. 1990. - № 11. - С.54-57.

54. Донской, А.В. Улучшение характеристик высокочастотных электротермических установок Текст. / А.В. Донской, В.В. Володин //М.-Л.: Энергия. 1966. - 136 с.

55. Математическое моделирование газодинамических процессов в проточных газоэпитаксиальных реакторах Текст.: учеб-метод, пособие /

56. A.И. Жмакин, И.П. Ипатова, Ю.Н. Макаров, А.А. Фурсенко // Л.: ФТИ. -1985.-95 с.

57. Матузов, А.В. Методика эпитаксиального наращивания кубического карбида кремния на кремнии по технологии CVD Текст. /

58. B.А. Ильин, А.З. Казак-Казакевич, А.В. Матузов, А.С. Петров // Известиявысших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2007. - № 3. -С.22-26.

59. Luryi, S. New approach to the high quality epitaxial growth of lattice-mismatched materials Текст. / S. Luryi, E. Suhir // Appl. Phys. Lett. -1986. V.49. -P.140.

60. Логинов, Б.Б. Влияние концентрации компонентов на кинетику реакций кремния с плавиковой кислотой, содержащей NaNC>2 Текст. / Б.Б. Логинов, С.И. Кольцов // Журнал прикладной химии. 1982. - №6. -С.1233.

61. Логинов, Б.Б. Взаимодействие кремния с плавиковой кислотой, содержащей азотистокислую соль Текст. / Б.Б. Логинов // Журнал прикладной химии. 1977. - №8. - С. 1683.

62. Логинов, Б.Б. Синтез и исследование кремневодородных пленок на кремнии Текст.: дис. канд. хим. наук: 02.00.04. Л. 1979. - 149 с.

63. Кашкаров, П.К. Необычные свойства пористого кремния Текст. / П.К. Кашкаров // Соросовский образовательный журнал. — 2001. -№1. с. 102-107.

64. Евтух, А.А. Механизм токопрохождения в электролюминесцентных структурах пористый кремний-монокристаллический кремний Текст. / А.А. Евтух, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Н.А. Семененко // ФТП. 2006. - том 40. - выпуск 2. - С. 180.

65. Smith, R. L. Porous silicon formation mechanisms Текст. / R. L. Smith, S. D. Collins // J. Appl. Phys. Vol. 71. - №8. - P.R1-R22.

66. Матузов, A.B. Получение эпитаксиальных слоев кубического карбида кремния на подложках кремния методом газо-фазной эпитаксии Текст. / Н.М. Коровкина, М.А. Кузнецова, А.В. Матузов, А.Ю. Савенко //

67. Материалы 7-й всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. 5-9 декабря 2005 г. -Санкт-Петербург. С.З5.

68. Chassagne, Т. A comprehensive study of SiC growth processes in a VPE reactor Текст. / Т. Chassagne, G. Ferro, D. Chaussende, F. Cauwet, Y. Monteil, J. Bouix // Thin Solid Films. 2002. - v.402. - P.83.

69. Hu, M.S. Surface carbonization of Si(lll) by C2H2 and the subsequent SiC(lll) epitaxial growth from SiH4 and C2H2 Текст. / M.S. Hu, L.S. Hong//Journal of Crystal Growth. 2004. - 265. - P.3 82.

70. Технология полупроводникового кремния Текст. / Под ред. Э.С. Фалькевича// М.: Металлургия. 1992. - С.243.

71. Емельянов, А.В. Газофазная металлургия тугоплавких соединений Текст. / А.В. Емельянов // М.: Металлургия.- 1987. 208с.

72. Hernandez-Calderon, I. New method for the analysis of reflection high-energy electron diffraction: a-Sn(OOl) and InSb(OOl) surfaces Текст. / I. Hernandez-Calderon, H. Hochst // Phys.review. 1983 . - vol. 27(8). - p.4961.

73. Праттон, M. Введение в физику поверхности Текст. / М. Праттон // Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2000.- 86с.

74. Захаров, Н.П. Механические явления в интегральных структурах Текст. / Н.П. Захаров, А.В. Багдасарян // М.: Радио и связь. -1992.-С.116.

75. Кривошеева, А.Н. Пассивные и активные мембраны для устройств микросистемной техники Текст.: дис. канд. тех. наук: 05.27.01. защищена 25.10.2007. СПб. - 2007. - 136 с.

76. Ветров, А.А. Волоконно-оптический вибродатчик на основе микрооптомеханического преобразователя Текст. / А.А. Ветров, С.С. Комиссаров, А.В. Корляков, А.Н. Сергушичев // Микро- и наносистемная техника. 2007. - №8. - С.8.

77. Алферов, Ж.И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики Текст. / Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев // ФТП. том 38. - вып.8. - 2004. - С.937.

78. Алфёров, Ж.И. Двойные гетероструктуры: Концепция и применения в физике, электронике н технологии Текст. / Ж.И. Алферов // Успехи физических наук. 2002. - т. 172. - №9. - С. 1068-1086.

79. Электронная страница Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе. Тематические БД. Новые полупроводниковые материалы: диагностика и свойства. Кремний Электронный ресурс. // (http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si/electric.html).