автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Термическое окисление монокристаллов карбида кремния политипа 6Н

На правах рукописи

РЯБИНИНА Ирина Александровна

ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ ПОЛИТИПА 6Н

Специальность: 05.27.01 -

Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2010

904685496

004605490

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный доктор физико-математических наук,

руководитель доцент Рембеза Екатерина

Станиславовна

Официальные доктор технических наук,

оппоненты: профессор Акулинин Станислав

Алексеевич;

кандидат технических наук Удовик Анатолий Павлович

Ведущая ГОУВПО «Воронежская

организация государственная технологическая

академия», г. Воронеж

Защита состоится 22 июня 2010 г. в 14— часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 21 мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время современная силовая электроника является одной из важнейших областей в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Основным направлением в создании приборов, отвечающих запросам современной техники, остается изучение новых широкозонных материалов, таких как карбид кремния (S¡C), нитрид алюминия (A1N), нитрид галлия (GaN), фосфид галлия (GaP), и изготовление приборов на их основе.

Карбид кремния является одним из самых привлекательных материалов относительно применения его в силовой электронике. Некоторые свойства SiC, такие как широкая запрещенная зона (от 2,4 эВ до 3,3 эВ для разных политипов SiC), высокая радиационная стойкость, высокая теплопроводность (3-5 Вт/смтрад), большая напряженность поля лавинного пробоя (3-6 МВ/см) позволяют использовать этот материал в производстве высоковольтных диодов Шотт-ки, МОП-транзисторов, светодиодов.

Карбид кремния как полупроводник начинает свое существование с момента, когда были обнаружены электролюминесцентные и выпрямительные свойства р-п-структур на его основе. В СССР пик активности исследований свойств SiC пришелся на период с 30-х по 50-е годы XX века. Примерно в то же время Дж. Лели предложил новый метод выращивания монокристаллов карбида кремния, который по сегодняшний день остается одним из главных методов получения подложек на SiC с малой плотностью дефектов. В 90-е годы работы российских ученых и созданный ими научный потенциал в области физики SiC оказались востребованными главным образом в западных фирмах. В 1993 г. в США была создана первая интегральная схема на карбиде кремния. В настоящее время лидером в производстве полупроводниковых приборов на основе SiC является компания «Cree Inc.» (США). В России изучением свойств карбида кремния и изготовлением полупроводниковых структур на его основе занимается несколько научных центров (С-ПбГУ-ЛЭТИ, ОХМЗ, ЮФГУ и др.). Так как серийное производство по выпуску качественных подложек карбида кремния в нашей стране отсутствует, практически все исследования проводятся на опытных образцах или пластинах, выпускаемых компанией «Cree Inc.».

Существует несколько методов выращивания монокристаллов SiC, среди которых метод Лели, сублимационные методы выращи-

вания монокристаллов на затравках и выращивание эпитаксиальных слоев БЮ на кремниевой и карбидокремниевой подложках и др. Каждый из существующих методов имеет свои недостатки, которые приводят к возникновению поверхностных и сквозных дефектов (микропайпам). Для воспроизведения результатов исследований необходим постоянный контроль качества и электрофизических параметров подложек (монокристаллов 81С).

Одной из операций, часто применяемой при технологических процессах изготовления приборов на кремнии, является выращивание диэлектрического слоя. В зависимости от его назначения к нему предъявляются соответствующие требования. Как известно из литературных источников, оксидный слой ЭЮг на карбиде кремния также применяется при изготовлении приборов на его основе, но технология термического окисления остается закрытой. Поэтому отработка методики выращивания оксидной пленки на карбиде кремния является актуальным вопросом.

В настоящее время зарубежные фирмы занимаются серийным производством высоковольтных диодов Шоттки, рм-п-диодов, реже транзисторов на основе карбида кремния политипа 4Н. Поэтому исследование свойств биполярных структур на основе карбида кремния политипа 6Н представляет интерес с точки зрения изучения механизмов протекания токов в них.

Работа выполнялась по плану работ ГБ 2004-34 "Исследование полупроводниковых материалов (81, А3В5, А4В62), приборов и технологии их изготовления" (№ г.р.0120.0412882) ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Целью работы является разработка физических основ технологии термического окисления монокристаллов БЮ политипа 6Н на оборудовании, используемом при производстве интегральных схем на кремнии. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. По результатам определения степени стехеометричности элементного состава и дефектности монокристаллов и их основных электрофизических параметров обосновать выбор монокристаллических подложек 6Н-Б1С для проведения исследований между монокристаллами, выращенными по методу Лели, и монокристаллами, выращенными на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара.

2. Исследовать кинетику термического окисления монокристаллов 6H-SiC в интервале температур [950 - 1150] °С в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота для определения возможности использования термических оксидных пленок в качестве изолирующих, маскирующих и подзатворных слоев в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе карбида кремния.

3. На основе существующих механизмов термического окисления Si и SiC с использованием экспериментальных данных рассчитать термодинамические параметры процесса окисления в разных режимах, определяющих скорость роста оксидного слоя.

4. Используя вычисленные из эксперимента термодинамические параметры, рассчитать режимы термического окисления 6Н-SiC для получения маскирующих и изолирующих пленок Si02 с заданными параметрами толщины и пористости для использования их при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе карбида кремния.

5. Исследовать электрофизические свойства (пористость, плотность поверхностных состояний, напряженность электрического пробоя оксида) диэлектрических пленок Si02 на 6H-SiC, применяемых в качестве изолирующих и маскирующих слоев.

6. С помощью ионной имплантации примеси бора в монокристаллы 6H-SiC n-типа изготовить диодную структуру и исследовать механизмы протекания токов в р-п-переходе.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны монокристаллы SiC политипа 6Н, выращенные по методу Лели (группа А), и монокристаллы, выращенные на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара (группа В), оксидные пленки, выращенные при термическом окислении монокристаллов группы А, диодные структуры, изготовленные на монокристаллах группы А.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Впервые получены данные о степени и характере стехио-метричности элементного состава монокристаллов, выращенных по методу Лели, и монокристаллов, выращенных на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара, определена шероховатость поверхностей.

2. Впервые при термическом окислении монокристаллов 6Н-SiC в атмосфере влажного азота выращены оксидные слои Si02, использующиеся в качестве изолирующих и маскирующих слоев при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе карбида кремния.

3. На основе экспериментальных данных впервые вычислены термодинамические параметры уравнений, описывающих термический рост слоя Si02 на 6H-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота. Получены зависимости, позволяющие рассчитать режимы технологических процессов для выращивания слоев Si02 на 6H-SiC с заданной толщиной и пористостью.

4. Впервые определена сплошность оксидных пленок, термически выращенных на 6H-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота при температуре процесса 1150 °С, применяемых в качестве маскирующих и изолирующих покрытий при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе карбида кремния.

Практическая значимость

1. Экспериментальные зависимости роста оксидного слоя от температуры, времени и режимов окисления, зависимости пористости оксидного слоя от времени и режимов окисления 6H-SiC можно использовать для оптимизации процесса термического окисления карбида кремния.

2. Предложенный в работе режим изготовления диэлектрических слоев толщиной 0,5 мкм и 0,9 мкм при температуре окисления 1150 °С может быть использован как технологическая операция для создания маскирующих слоев S1O2 на 6H-SiC.

3. На основании результатов экспериментов по термическому окислению монокристаллов 6H-SiC можно заключить, что для получения слоев Si02 достаточной толщины и хорошего качества на SiC пригодно оборудование, применяемое в технологическом процессе изготовления кремниевых приборов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Стехиометрические особенности элементного состава монокристаллов 6H-SiC, синтезированных двумя методами, результаты исследований дефектности и шероховатости поверхностей.

2. Термодинамические параметры процесса термического окисления монокристаллов 6H-SiC в атмосферах сухого кислорода, влажного кислорода, влажного азота и зависимости, описывающие

кинетику роста оксидной пленки в этих средах при температуре процесса 1150°С.

3. Результаты исследований электрофизических и маскирующих свойства оксидных пленок 8Юг на бН-БЮ: пористости, плотности поверхностных состояний, напряженности электрического поля пробоя оксидного слоя.

4. Режимы термического окисления 6Н-Б1С по выращиванию маскирующих слоев заданной толщины и изолирующих слоев с малой пористостью.

5. Вольт-амперные характеристики диодных структур на основе бН-БЮ и механизмы протекания токов через р-п-переход.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2007-2010), VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нано-технологии» (Кисловодск, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-5] - подготовка к эксперименту, получение и анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка к печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 144 страницах, включая 21 таблицу, 74 рисунка, список литературы из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Описаны основные проблемы, связанные с изучением электрофизических свойств методы выращивания монокристаллов, их достоинства и недостатки, проблемы, связанные с термическим окислением БЮ, изготовлением биполярных структур на основе БЮ. Поставлены цели и задачи исследования, сформулирована их научная новизна и практическая значимость. Изложены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о публикациях по теме диссертации, о личном вкладе автора в совместных работах, структуре и объеме диссертации.

В первой главе приведены сведения о свойствах SiC различных политипов, способах выращивания монокристаллов SiC и его эпитаксиальных слоев, о возможности создания термических оксидных пленок на поверхности монокристаллов, о применении различных металлов для изготовления омических и выпрямляющих контактов, об основной области применения SiC в силовой электронике.

Во второй главе описана методика эксперимента: исследование стехиометричности элементного состава монокристаллов SiC и дефектности подложек, способы выращивания оксидных слоев на SiC. Описаны методы исследования оксидных слоев, выращенных на поверхности 6H-SiC.

Для исследования элементного состава монокристаллов SiC использовали количественный рентгеновский микроанализ, который проводился на установке JXA 840, совмещенной с растровым электронным микроскопом. По результатам микроанализа определялась стехиометричность элементного состава монокристаллов. Для обнаружения макроскопических дефектов на поверхности образцов выполнялись исследования морфологии поверхности монокристаллов 6H-SiC. Анализ проводился с помощью металлографического микроскопа МИМ-7 и растрового электронного микроскопа JEOL-840, совмещенного с рентгеновским микроанализатором. Для определения шероховатости поверхности монокристаллов SiC использовались результаты исследований на установке Alfa-Step 200 и методом атомно-силовой микроскопии на установке Femtoscan-0.1.

Ширина запрещенной зоны 6H-SiC оценивалась по спектру фундаментального поглощения света. Измерение оптических параметров проводилось с помощью оптического спектрофотометра СДЛ-2. Определение электрических параметров SiC (удельное сопротивление, концентрация свободных носителей заряда, их подвижность) проводилось на установке для измерения эффекта Холла по методу Ван дер Пау в магнитном поле с индукцией 0,63 Тл.

Термическое окисление образцов кремния (КЭФ-0,1) и карбида кремния (6H-SiC) проводилось в диффузионной системе СДОМ-3/100 в интервале температур [950 - 1150] °С в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота.

Определение толщины оксидного слоя осуществлялось с помощью микроскопа МИИ-4. Результаты измерения толщины оксидного слоя дублировались на профилометре Alfa-Step 200.

В качестве способа определения пористости слоя Si02 использовался метод электролитического выявления дефектов. Оценка плотности сквозных макроскопических дефектов на пленке производилась с помощью микроскопа МБС-2 путем подсчета в поле зрения микроскопа количества электролитических «пузырьков» и вычисления их среднего арифметического значения на единицу поверхности.

Определение пробивного напряжения оксидного слоя проводилось на трехзондовом измерителе характеристик полупроводниковых приборов, подключенном к характериографу J12-56.

Контроль вольт-фарадных характеристик структуры Si02-SiC осуществлялся на установке автоматизированного контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния измерительным комплексом "Тест" mod 4061А фирмы HP с использованием в качестве контактирующего устройства ртутного зонда.

В третьей главе приведены результаты исследования сте-хиометричности элементного состава, морфологии поверхности и электрофизических свойств монокристаллов SiC и обоснование выбора подложек для проведения процесса термического окисления и создания омических контактов к поверхности SiC.

Из-за высоких температур процесса выращивания монокристаллов [2350 - 2600] "С и разности в парциальных давлениях паров углерода и кремния монокристаллы 6H-SiC могут обладать эффектом нестехиометрии. Для определения степени нестехеометрично-сти двух групп образцов (монокристаллов SiC, выращенных по методу Лели (группа А), и монокристаллов SiC, выращенных на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара (группа В), был проведен элементный анализ.

По результатам микроанализа состава установлено, что в монокристаллах группы А процентное содержание Si в среднем на 2,4 % больше процентного содержания С, в монокристаллах группы В процентное содержание С в среднем на 6,4 % больше процентного содержания Si. Морфология поверхности пластин исследовалась на образце монокристалла SiC, выращенного по методу Лели, на

С-грани (ООО 1) (с преимущественным выходом на поверхности атомов углерода) и на Si-грани (0001) (с преимущественным выходом на поверхности атомов кремния).

Для проведения экспресс-анализа поверхностного профиля С-грани и Si-грани образца группы А был использован профилометр

Alfa-Step 200. Для Si-грани при сканировании поверхности по линии в 400 мкм средняя амплитуда неровностей составила 130 нм. Для С-грани аналогичный показатель лежал в пределах чувствительности прибора. По результатам анализа поверхности, проведенного методом атомно-силовой микроскопии, определена шероховатость поверхности С-грани (0,6 ± 0,05 нм). При выборе рабочей поверхности для изготовления приборных структур необходимо учесть эту особенность монокристаллов 6H-SiC, выращенных по методу Лели.

Основными ограничивающими факторами группового применения пластин 6H-SiC в производстве является относительно большая плотность структурных дефектов: микропайпов, дислокаций, границ зерен в большинстве промышленных образцов. Наблюдение поверхностных дефектов на поверхности SiC проводилось по фотографиям, сделанным с помощью микроскопа МИМ-7 и растрового электронного микроскопа JEOL-840. Обнаруженные дефекты имеют неправильную форму, их размеры в среднем составляют 10-25 мкм. Дефекты распределены неравномерно по пластине, наблюдаются и

ектные участки. В среднем плотность дефектов составила ~ см'2. Микропайпов на образцах группы А не обнаружено.

По результатам исследования двух групп монокристаллов БЮ было решено проводить отработку процесса термического окисления и создания контактов к поверхности пластины на монокристаллах группы А, выращенных по методу Лели, как менее дефектных.

Изучение фундаментального оптического поглощения в монокристаллах бН-БЮ образцов группы А (образец № 1 (темный) и № 2 (светлый)) позволило определить ширину запрещенной зоны полупроводника, которая составила 3,0 ± 0,03 эВ, что соответствует политипу бН-БЮ (рис. 1).

wt

I

g

£ i S

Энергия KBIHTDI. )tl

а) темный образец № 1

б) светлый образец № 2

Рис. 1. Спектр поглощения монокристаллов SiC

Пик, соответствующий 2 эВ, характеризует внутризонный переход свободных электронов и может быть использован как бесконтактный метод определения концентрации свободных носителей в образцах монокристаллов 6H-SiC.

Для дальнейших исследований выбраны светлые образцы. Определены электрические параметры монокристаллов: образцы являются полупроводниками n-типа с удельным сопротивлением 0,087 Ом см, концентрацией носителей заряда (2,14 ± 0,26)-1017 см"3 и их подвижностью при комнатной температуре 337,3 ± 5,9 см2/В-с.

В четвертой главе приведены результаты исследований режимов выращивания оксидного слоя на монокристаллах 6H-SiC и Si в температурном интервале [950 - 1150] °С в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота. Длительность процесса окисления - [1 - 3,5] ч. Представлены зависимости толщины слоя Si02 от температуры и времени процесса для трех сред окисления, рассчитаны константы скорости роста Si02 на 6H-SiC. Подготовка поверхности монокристаллов 6H-SiC и Si осуществлялась перед операцией термического окисления по стандартной схеме подготовки пластин Si к окислению: 1) отмывка в смеси КАРО; 2) гидромеханическая отмывка пластин в деионизованной воде; 3) отмывка в ПАС.

На рис. 2 представлены сравнительные зависимости толщины оксидного слоя (d) от времени окисления (t) для 6H-SiC и Si в атмосфере сухого кислорода.

6H-SiC Si

t, час t, час

С-грань: 1-1150 "С, 2-1050 "С, Si: 1 - 1150 °С, 2 - 1050 °С, 3 - 950 °С

3 - 950 °С; Si-грань: 4 - 1150 "С

Рис. 2. Кинетика окисления 6H-SiC и Si в среде сухого кислорода

На рост оксидного слоя на Si выбор температуры оказывает меньшее влияние (снижение температуры на 100 °С ведет к пропорциональному снижению скорости окисления ~ в 1,5 раза), в отличии от 6H-SiC (снижение температуры на 100 °С ведет к снижению скорости окисления более чем в 2 раза). Скорость окисления SiC ниже

скорости окисления Si. При температуре 1150 °С в течение 3,5 часов на карбиде кремния на С-грани образуется слой S1O2 толщиной ~ 0,2 мкм, когда для кремния d ~ 0,3 мкм, что в 1,5 раза больше, чем для SiC. Для Si-грани карбида кремния при Т = 1150 °С в течение 3,5 часов образуется оксидный слой толщиной только ~ 0,05 мкм (на рис. 2 для 6H-SiC точка 4), что примерно в 4 раза меньше, чем для С-грани SiC и в 6 раз меньше, чем для Si.

Кривые окисления как для Si так и для 6H-SiC условно разбиваются на два участка: линейный (I) и параболический (11). 1 участок для 6H-SiC и Si при t = 1150 °С лежит в интервале толщин [0 - 0,1] мкм. Кинетика роста оксидной пленки на Si достаточно изучена и описывается моделями Дила-Гроува и Вагнера и подчиняется линейно-параболическому закону. Обобщенная модель кинетики скорости роста термической оксидной пленки на Si и 6H-SiC записывается в виде: d1/ К л + d / Кс = /, где Кл - диффузионная константа

скорости окисления, Кс - кинетическая константа скорости реакции окисления, / - время окисления. Константа Кд характеризует параболический участок, где процесс проходит под диффузионным контролем. Константа Кс характеризует линейный участок окисления и определяется скоростью наиболее медленной химической реакции процесса. Зависимость каждой из констант от температуры может быть представлена уравнением Аррениуса. Из зависимостей, построенных для констант Кс и Кл от температуры окисления, определяются энергии активации соответствующих процессов (Ел и Ее).

Кинетика окисления Si в атмосферах сухого кислорода и влажного кислорода хорошо изучена. Энергии активации процессов достаточно логично описывают механизм роста Si02 на Si. Для Si энергия активации Ед составила 1,29 ± 0,14 эВ, что сравнимо с энергией активации для коэффициента диффузии кислорода в кварцевом стекле, энергия активации Ее составила 1,82 ± 0,08 эВ, что соответствует энергии разрыва связи Si-Si ~ 1,83 эВ. Рассчитанные параметры окисления Si хорошо согласуются с литературными данными.

Несколько другая картина складывается в отношении окисления SiC. Энергия активации Ед составила 1,82 ± 0,2 эВ, которая отлична от энергии активации для коэффициента диффузии кислорода в кварцевом стекле, что говорит о несколько другом характере протекания процесса под диффузионным контролем, чем для Si. Так рост S1O2 на Si идет за счет взаимодействия материала исходной подложки с кислородом без выделения побочных продуктов реак-

ции. Из анализа термодинамических реакций процесса окисления SiC установлено, что одним из продуктов реакции кислорода с SiC при высоких температурах будет оксид или диоксид углерода. То есть возможно одновременное протекание двух встречных диффузионных процессов: диффузии кислорода через оксидную пленку к поверхности подложки и диффузии оксида углерода через растущий слой оксида к разделу поверхности газ-оксид. Величина энергии активации для коэффициента диффузии СО в кварцевом стекле составляет 2,08 эВ, что сравнимо с энергией активации процесса, проходящего под диффузионным контролем. Энергия активации Ее составила 1,18 ± 0,05 эВ. Заметим, что энергия разрыва связи Si-C равна ~ 3,08 эВ. Поэтому нельзя сказать, что скорость формирования слоя Si02 зависит только от этого фактора, как в случае окисления Si. Возможно, одновременное протекание окислительных и восстановительных реакций при термическом окислении SiC приводит к снижению скорости роста оксида на линейном участке окисления. Эти вопросы остаются недостаточно изученными и требуют дополнительных исследований.

Аналогичные кривым, представленным на рис. 2, по экспериментальным данным построены зависимости толщины оксидного слоя от времени окисления 6H-SiC и Si в атмосфере влажного кислорода. При окислении в атмосфере влажного кислорода скорость роста оксида на 6H-SiC ниже скорости роста Si02 на Si также как и при окислении в среде сухого кислорода. Толщина оксидной пленки, выращенной при Т = 1150 °С в течение 3,5 часов на поверхности 6Н-SiC (С-грани), в 1,8 раз меньше толщины пленки Si02, выращенной при тех же условиях на Si. Толщина Si02, выращенного на Si-грани 6H-SiC в течение 3,5 часов, составила всего 0,16 мкм. В отличие от окисления в атмосфере сухого кислорода влажная среда позволяет вырастить более толстый оксидный слой на SiC примерно в 4 раза.

Произведен расчет констант скорости роста пленки Si02 и определены энергии активации диффузионного и кинетического процессов. Для Si энергия активации Ед составляет 0,82 ± 0,09 эВ, что сравнимо с величиной энергии активации для коэффициента диффузии воды в кварцевом стекле. Энергия активации Ее = 1,74 ± 0,08 эВ, что сравним с энергией разрыва связи Si-Si аналогично окислению Si в среде сухого кислорода. Константы скорости роста пленки Si02 для 6H-SiC в среде влажного кислорода близки аналогичным значениям при окислении в сухом кислороде, что говорит о схожести

процессов, проходящих в этих двух средах. Энергии активации Ед и Ее составили 2,22 ± 0,24 эВ и 1,21 ± 0,05 эВ соответственно.

Впервые для бН-БЮ проведено окисление в среде влажного азота. Скорость роста БЮг в среде влажного азота несколько ниже скорости роста 8Ю2 во влажном кислороде. Для Т = 1150 °С в течение 3,5 часов в среде влажного азота формируется слой БЮ2 на 6Н-БЮ (С-грани) в 1,5 раза медленнее, чем при окислении во влажном кислороде. Рост пленки БЮ2 на бН-БЮ в 2,3 раза медленнее, чем на Б! при Т = 1150 °С в течение 3,5 часов. Для Бьграни бН-Б^С толщина оксида (Т = 1150 °С, I = 3,5 ч.) составила 0,1 мкм.

Расчет констант скорости роста пленок 8102, выращенных на и бН-БЮ в среде влажного азота, и определение энергий активаций процессов показали, что кинетика окисления во влажном азоте определяется теми же условиями, что и кинетика окисления в среде влажного кислорода. Для Ед составила 0,69 ± 0,08, Ее = 2,05 ± 0,09 эВ. Для бН-БЮ Ед составила 2,67 ± 0,29 эВ, Ее = 1,54 ± 0,07 эВ.

С учетом рассчитанных коэффициентов зависимости скорости роста пленки 8Ю2 на бН-БЮ для трех сред окисления имеют вид: окисление в среде с!1 с1

сухого кислорода 1.82, , . 1.18.

5-10 ехр(--) 2 10 ехр(--)

н кТ кТ

окисление в среде с!

влажного кислорода 221 , 121

1.5-10 ехр(—1.0- 10г ехр(- ' )

= 1

=г

кТ кТ

=1

окисление в среде ¿I2 с/

влажного азота 122™+ ГтТ

1.5-107 ехр(- ) 1.0-101 ехр(- ) У кТ У кТ

На рис. 3 представлены экспериментальные (1) и расчетные (2) зависимости толщины оксидной пленки БЮ2 от времени окисления бН-БЮ при температуре процесса 1150 °С. Кривая 1 построена по экспериментальным точкам, кривая 2 по вышеприведенным значениям, рассчитанными по уравнениям. Пунктирной линией на графике указан интервал, в котором могут находиться значения толщин 8Ю2 с учетом вычисленной погрешности (21,5 %).

Расчетные зависимости времени окисления могут быть использованы для определения оптимальных режимов выращивания термических оксидных слоев на бН-БЮ определенной толщины.

Таким образом, можно сделать вывод, что технологическое оборудование для проведения процессов высокотемпературного

окисления (СДОМ-З/ЮО) пригодно для выращивания пленок БЮг на бН-БЮ в различных атмосферах окислителя.

t,4

в)

1 - экспериментальная зависимость; 2 - расчетная зависимость

Рис. 3. Кинетика окисления 6H-SiC а) в среде сухого кислорода, б) в среде влажного кислорода, в) в среде влажного азота

Для выполнения защитной функции пленка Si02 должна отличаться низкой пористостью, быть непроницаемой для примесей и иметь высокую электрическую прочность. Исследовалась пористость пленок (плотность сквозных дефектов р на см"2), выращенных на Si и 6H-SiC при температуре процесса окисления 1150 °С в трех средах окисления. Зависимости пористости пленок Si02 от ее толщины представлены на рис. 4. Поры также были обнаружены на изображении окисленной поверхности, полученном методом АСМ.

Величину пористости пленки Si02, выращенной на Si и 6Н-SiC, трудно сравнивать, так как невозможно вырастить оксидный слой одного порядка толщины на Si и на SiC в течение одинакового промежутка времени. На практике при высоком проценте выхода готовых приборов на Si обычный уровень дефектов (пористость) для

пленок БЮ2 толщиной 0,8 мкм составляет 10-15 см'2, а при толщине 1,0 мкм 0 - 8 см'2. Для бН-БЮ оксидный слой, выращенный в сре-

с], мкм

бН-БЮ: 1 - сухой кислород, 2 - влажный кислород, 3 - влажный азот;

81:4 -сухой кислород, 5 - влажный кислород, 6 - влажный азот

Рис. 4. Зависимость пористости от толщины термически выращенной пленки БЮ2 на поверхности Б! и 6Н-Б1С

Для оценки электрической прочности термических оксидных слоев на 6Н-Б1С проводилось измерение пробивного напряжения пленки БЮ2 толщиной 800 А, выращенной в сухом кислороде. Напряженность электрического поля пробоя пленки БЮ2 составила 7,5 - 8,75 -106 В-см"1, что не хуже аналогичного показателя для пленки БЮ2 толщиной 800 А на Б|. Поверхностная плотность отрицательного заряда в оксидном слое, выращенном в среде сухого кислорода на 6Н-Б1С, составила ~1,7-1012 см"2.Таким образом, пленки БЮ2, выращенные на 6Н-Б1С, подходят для применения их при изготовлении полупроводниковых приборов в качестве маски или защитного слоя.

В работе исследовалась диодная структура на монокристалле п-бН-БЮ, легированном азотом до концентрации 2,1-1017 см"3, р-область изготовлена имплантацией бора с энергией 30 кэВ. Предполагаемая глубина залегания р-п-перехода ~ 0,1 мкм. Отжиг имплантированных бором слоев проводился при температуре 1750°С в течение 30 сек. в атмосфере аргона. Контакты к р- и п-областям формировались методом резистивного распыления, с последующим отжигом. Омический контакт сформирован на всей поверхности Бь грани монокристалла 6Н-Б1С (Б = 1 см2) последовательным напылением слоя никеля и слоя молибдена. Контакты к р-области изготовлены напылением слоя титана и слоя алюминия. Исследована ВАХ

диодной структуры. При прямом включении участок, где преобладает рекомбинация в области объемного заряда, резко сменяется участком, соответствующим высокому уровню инжекции при прямом падении напряжения 2,5 В. Обратная ветвь ВАХ имеет «мягкий характер», напряжение пробоя составило и „робой = 220 В, что говорит о вероятности возникновения локальных поверхностных пробоев из-за наличия дефектов на поверхности и в объеме кристалла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. По результатам анализа атомного состава определено, что у монокристаллов бН^С, выращенных по методу Лели (группы А), отклонение от стехиометрии нарушено в меньшей степени (± 2,4 ат. % с избытком атомов кремния), чем у монокристаллов, выращенных на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара (группы В) (± 6,4 ат. % с избытком атомов углерода). По результатам исследований на наличие поверхностных дефектов установлено, что плотность поверхностных дефектов у образцов группы В в несколько раз больше, чем у образцов группы А. По результатам исследований для отработки методики термического окисления бН-БЮ выбраны монокристаллы группы А.

2. Из исследований морфологии поверхности противоположных граней монокристалла группы А установлено, что Знгрань (грань с преимущественным выходом на поверхность атомов кремния) отличается большей неровностью (средняя амплитуда неровностей составила 130 нм), чем С-грань (грань с преимущественным выходом на поверхность атомов углерода). Определена шероховатость поверхности С-грани 81С (0,6 ± 0,05) нм.

3. Из спектра фундаментального оптического поглощения в монокристаллах 51С определена ширина запрещенной зоны, которая составила 3,0 ± 0,1 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны бН-БЮ. Обнаружен пик поглощения на 2 эВ, обусловленный внут-ризонным переходом свободных электронов. С помощью эффекта Холла определены тип проводимости образцов группы А (п-тип), удельное сопротивление монокристалла, концентрация свободных носителей и их подвижность при комнатной температуре.

4. Исследована кинетика термического окисления бН^С в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота в интервале температур [950 - 1150 °С]. Установлена анизотропия скорости роста пленки БЮг на С-грани и Бьграни 55С. Скорость роста

БЮ2 на С-грани на порядок выше скорости роста БЮг на 81-грани. Определено, что скорость роста оксидной пленки на С-грани бН-БЮ на порядок меньше скорости роста пленок БЮ2 на кремнии, выращенных в одинаковых режимах во всех трех средах окисления.

5. Проведен термодинамический анализ процессов термического окисления бН-БЮ в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота в интервале температур [950 - 1150 °С]. Определены константы скорости окисления для бН-Б^С. Установлено, что кинетика окисления С-грани карбида кремния носит линейно-параболический характер во всех трех средах окисления. Наиболее подходящими моделями описания роста оксидного слоя на является синтез двух моделей: модели Дила и Гроува и модели Вагнера. Получены экспериментальные зависимости толщины оксидного слоя БЮг на 6Н-81С от времени окисления и от температуры.

6. На основании выполненных исследований рекомендованы режимы изготовления маскирующих и защитных покрытий для 6Н-8]С по схеме «сухой - влажный — сухой» при температуре процесса окисления 1150 °С толщиной 0,5 мкм (суммарное окисление 3-4 часа) и толщиной 0,9 мкм (суммарное окисление 4-5 часов).

7. По результатам исследования сквозных дефектов в оксидных пленках, выращенных на С-грани бН-БЮ в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота при температуре 1150 °С, установлено, что пленки 8Ю2, выращенные во влажных средах, соответствуют нормам, предъявляемым к изолирующим диэлектрическим покрытиям. Определена плотность поверхностных состояний на границе раздела пленки БЮ2 (800 А), выращенной в среде сухого кислорода на 6Н-81С, которая составляет ~1,7-1012 см'2. Определена напряженность электрического поля пробоя для этого оксидного слоя, которая составила 7,5 - 8,75 -106 В-см"1, что не хуже аналогичного параметра пленки 8Ю2 на Бк

8. Исследованы вольт-амперные характеристики диодных структур, изготовленных на монокристалле п-6Н-Б1С имплантацией бора. При прямом падении напряжения в интервале [0 - 2,5) В механизм протекания тока соответствует рекомбинации носителей в области объемного заряда, при 2,5 В наступает высокий уровень ин-жекции носителей заряда.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Рябинина И.А. Термическое окисление карбида кремния / И.А. Рябинина, Д.П. Тимохин, С.И. Рембеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2007. - Т.5. - №11. - С. 52-56.

2. Рябинина И.А. Термическое окисление и изготовление контактов к 6H-SÍC / И.А. Рябинина, С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2009. - Т.5. -№ 12. - С. 198-202.

Статьи и материалы конференций

3. Рябинина И.А. Исследование дефектов поверхности монокристаллов карбида кремния 6H-SÍC / И.А. Рябинина, С.И. Рембеза И Твердотельная электроника и микроэлектроника: сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2009.-С. 182-185.

4. Рембеза С.И. Термическое окисление бН-SiC / С.И. Рембеза, И.А. Рябинина, Д.П. Тимохин // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: VII Междунар. науч. конф. Кисловодск -Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - С. 314.

5. Кошелева H.H. Методика выявления сквозных дефектов в оксидных пленках / H.H. Кошелева, И.А. Рябинина, С.И. Рембеза // Твердотельная электроника и микроэлектроника: сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 106-111.

Подписано в печать 13.05.2010. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ.л.1,0. Тираж 90 экз. Зак. № ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Введение

Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ КАК ПЕРСПЕКТИВНОГО МАТЕРИАЛА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Кристаллическая структура и политипизм SiC

1.2. Основные методы синтеза монокристаллов карбида кремния

1.3. Электрофизические свойства карбида кремния

1.4. Термическое окисление карбида кремния

1.5. Перспективы применения карбида кремния в силовой электрони- ^

Выводы к первой главе

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Исследование монокристаллов карбида кремния

2.1.1. Количественный анализ элементного состава монокристаллов карбида кремния

2.1.2. Выявление поверхностных дефектов на пластинах карбида кремния

2.1.3. Определение ширины запрещенной зоны карбида кремния

2.1.4. Определение электрических параметров, концентрации свободных носителей зарядов и их подвижности в монокристаллах SiC

2.2. Технология выращивания диэлектрических слоев на карбиде кремния

2.2.1. Оборудование для проведения процесса термического окисления карбида кремния

2.2.2. Определение толщины Si02 на карбиде кремния

2.2.3. Определение пористости пленок Si02 на карбиде кремния

2.2.4. Определение поверхностных состояний на границе раздела Si02-SiC

2.3. Измерение вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик диодных структур на основе монокристаллов 6H-SiC

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР И СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ SiC

3.1. Стехиометрия кристаллов карбида кремния

3.2. Морфология поверхности монокристаллов SiC. Макроскопические и микроскопические дефекты

3.3. Определение политипа, концентрации и подвижности носителей заряда в пластинах SiC Выводы к третьей главе

Глава 4. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ 6H-SiC

4.1. Исследование кинетики термического окисления 6H-SiC

4.2. Термодинамические параметры процессов термического окисления 6H-SiC

4.3. Влияние режимов окисления на дефектность пленок Si02 на 6Н-SiC

4.4. Исследование вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик диодных структур на основе 6H-SiC

Выводы к четвертой главе

Актуальность темы

В настоящее время современная силовая электроника является одной из важнейших областей в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Основным направлением в создании приборов, отвечающим запросам современной техники, остается изучение новых широкозонных материалов, таких как карбид кремния (SiC), нитрид алюминия (A1N), нитрид галлия (GaN), фосфид галлия (GaP) и изготовление приборов на их основе.

Карбид кремния является одним из самых привлекательных материалов относительно применения его в силовой электронике. Некоторые свойства SiC, такие как широкая запрещенная зона (от 2,4 эВ до 3,3 эВ для разных политипов SiC), высокая радиационная стойкость, высокая теплопроводность (3-5 Вт/смтрад), большая напряженность поля лавинного пробоя (3-6 МВ/см) позволяют использовать этот материал в производстве высоковольтных диодов Шоттки, МОП-транзисторов, светодиодов.

Карбид кремния как полупроводник начинает свое существование с момента, когда были обнаружены электролюминесцентные и выпрямительные свойства р-п-структур на его основе. В СССР пик активности исследований свойств SiC пришелся на период с 30-х по 50-е годы XX века. Примерно в тоже время Дж. Лели предложил новый метод выращивания монокристаллов карбида кремния, который по сегодняшний день остается одним из главных методов получения подложек на SiC с малой плотностью дефектов. В 90-е годы работы российских ученых и созданный ими научный потенциал в области физики SiC оказались востребованными главным образом в западных фирмах. В 1993 г. в США была создана первая интегральная схема на карбиде кремния. В настоящее время лидером в производстве полупроводниковых приборов на основе SiC является компания «Сгее Inc.» (США). В России изучением свойств карбида кремния и изготовлением полупроводниковых структур на его основе занимается несколько научных центров (С-ПбГУ-ЛЭТИ, ОХМЗ, ЮФГУ и др.). Так как серийное производство по выпуску качественных подложек карбида кремния в нашей стране отсутствует, практически все исследования проводятся на опытных образцах или пластинах, выпускаемых компанией «Сгее Inc.».

В настоящее время существует несколько методов выращивания монокристаллов SiC, среди которых метод Лели, сублимационные методы выращивания монокристаллов на затравках и выращивание эпитакси-альных слоев SiC на кремниевой и карбидокремниевой подложках и др. Каждый из существующих методов имеет свои недостатки, которые приводят к возникновению поверхностных и сквозных дефектов (микропай-пам). Для воспроизведения результатов исследований необходим постоянный контроль качества и электрофизичеких параметров подложек (монокристаллов SiC).

Одной из операций, часто применяемой при технологических процессах изготовления приборов на кремнии, является выращивание диэлектрического слоя. В зависимости от его назначения к нему предъявляются соответствующие требования. Как известно из литературных источников оксидный слой SiC>2 на карбиде кремния также применяется при изготовлении приборов на его основе, но технология термического окисления остается закрытой. Поэтому отработка методики выращивания оксидной пленки на карбиде кремния является актуальным вопросом.

В настоящее время зарубежные фирмы занимаются серийным производством высоковольтных диодов Шоттки, p-i-n-диодов, реже транзисторов на основе карбида кремния политипа 4Н. Поэтому исследование свойств биполярных структур на основе карбида кремния политипа 6Н представляет интерес с точки зрения изучения механизмов протекания токов в них.

Работа выполнялась по плану работ ГБ 2004-34 "Исследование полупроводниковых материалов (Si, А3В5, А4В62), приборов и технологии их изготовления" (№ г.р.0120.0412882) кафедры Полупроводниковой электроники и наноэлектроники ВГТУ.

Целью работы является разработка физических основ технологии термического окисления монокристаллов SiC политипа 6Н на оборудовании, используемом при производстве интегральных схем на кремнии. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. По результатам определения степени стехеометричности элементного состава и дефектности монокристаллов и их основных электрофизических параметров обосновать выбор монокристаллических подложек 6H-SiC для проведения исследований между монокристаллами, выращенными по методу Лели, и монокристаллами, выращенными на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара.

2. Исследовать кинетику термического окисления монокристаллов 6H-SiC в интервале температур [950 - 1150] °С в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота.

3. На основе существующих механизмов термического окисления Si и SiC с использованием экспериментальных данных, рассчитать термодинамические параметры процесса окисления в разных режимах.

4. Используя вычисленные из эксперимента термодинамические параметры, рассчитать режимы термического окисления 6H-SiC для получения маскирующих и изолирующих пленок SiC>2 с заданными параметрами толщины и пористости.

5. Исследовать электрофизические свойства (пористость, плотность поверхностных состояний, напряженность электрического пробоя оксида) диэлектрических пленок SiCS на 6H-SiC.

6. С помощью ионной имплантации примеси бора в монокристаллы 6H-SiC n-типа изготовить диодную структуру и исследовать механизмы протекания токов в р-п-переходе.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны монокристаллы SiC политипа 6Н, выращенные по методу Лели (группа А), и монокристаллы, выращенные на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара (группа В), оксидные пленки, выращенные при термическом окислении монокристаллов группы А, диодные структуры, изготовленные на монокристаллах группы А.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Впервые получены данные о степени и характере стехиометрич-ности элементного состава монокристаллов, выращенных по методу Лели, и монокристаллов, выращенных на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара, определена шероховатость поверхностей.

2. Впервые при термическом окислении монокристаллов 6H-SiC в атмосфере влажного азота выращены оксидные слои Si02.

3. На основе экспериментальных данных впервые вычислены термодинамические параметры уравнений, описывающих термический рост слоя S1O2 на бН-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота. Получены зависимости, позволяющие рассчитать режимы технологических процессов для выращивания слоев SiCb на 6H-SiC с заданной толщиной и пористостью.

4. Впервые определена сплошность оксидных пленок, термически выращенных на 6H-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота при температуре процесса 1150 °С.

Практическая значимость

1. Экспериментальные зависимости роста оксидного слоя от температуры, времени и режимов окисления, зависимости пористости оксидного слоя от времени и режимов окисления 6H-SiC можно использовать для оптимизации процесса термического окисления карбида кремния.

2. Предложенный в работе режим изготовления диэлектрических слоев толщиной 0,5 мкм и 0,9 мкм при температуре окисления 1150 °С, может быть использован как технологическая операция для создания маскирующих слоев SiC>2 на 6H-SiC.

3. На основании результатов экспериментов по термическому окислению монокристаллов 6H-SiC можно заключить, что для получения слоев Si02 достаточной толщины и хорошего качества на SiC пригодно оборудование, применяемое в технологическом процессе изготовления кремниевых приборов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Стехиометрические особенности элементного состава монокристаллов 6H-SiC, синтезированных двумя методами, дефектность и шероховатость поверхностей.

2. Термодинамические параметры процесса термического окисления монокристаллов 6H-SiC в атмосферах сухого кислорода, влажного кислорода, влажного азота и зависимости, описывающие кинетику роста оксидной пленки в этих средах при температуре процесса 1150 °С.

3. Электрофизические и маскирующие свойства оксидных пленок SiC>2 на 6H-SiC: пористость, плотность поверхностных состояний, напряженность электрического поля пробоя оксидного слоя.

4. Режимы термического окисления 6H-SiC по выращиванию маскирующих слоев заданной толщины и изолирующих слоев с малой пористостью.

5. Вольт-амперные характеристики диодных структур на основе 6Н-SiC и механизмы протекания токов через р-н-переход.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2007-2010), VII международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-5] - подготовка к эксперименту, получение и анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка к печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 144 страницах, включая 21 таблицу, 74 рисунка, литературу из 90 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. По результатам анализа атомного состава определено, что у монокристаллов 6H-SiC, выращенных по методу Лели (группы А), отклонение от стехиометрии нарушено в меньшей степени (± 2,4 ат. % с избытком атомов кремния), чем у монокристаллов, выращенных на затравках методом сублимации и конденсации из пересыщенного пара (группы В) (± 6,4 ат. % с избытком атомов углерода). По результатам исследований на наличие поверхностных дефектов установлено, что плотность поверхностных дефектов у образцов группы В в несколько раз больше, чем у образцов группы А. По результатам исследований для отработки методики термического окисления 6H-SiC выбраны монокристаллы группы А.

2. Из исследований морфологии поверхности противоположных граней монокристалла группы А, установлено, что Si-грань (грань с преимущественным выходом на поверхность атомов кремния) отличается большей неровностью (средняя амплитуда неровностей составила 130 нм), чем С-грань (грань с преимущественным выходом на поверхность атомов углерода). Определен а шероховатость поверхности С-грани SiC (0,6 ± 0,05) нм.

3. Из спектра фундаментального оптического поглощения в монокристаллах SiC определена ширина запрещенной зоны, которая составила 3,0 ±0,1 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны 6H-SiC. Обнаружен пик поглощения на 2 эВ, обусловленный внутризонным переходом свободных электронов. С помощью эффекта Холла определены тип проводимости образцов группы А (п-тип), удельное сопротивление монокристалла, концентрация свободных носителей и их подвижность при комнатной температуре.

4. Исследована кинетика термического окисления 6H-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота в интервале температур [950 -1150 °С]. Установлена анизотропия скорости роста пленки Si02 на С-грани и Si-грани SiC. Скорость роста S1O2 на С-грани на порядок выше скорости роста Si02 на Si-грани. Определено, что скорость роста оксидной пленки на С-грани 6H-SiC на порядок меньше скорости роста пленок Si02 на кремнии, выращенных в одинаковых режимах во всех трех средах окисления.

5. Проведен термодинамический анализ процессов термического окисления 6H-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота в интервале температур [950 — 1150 °С]. Определены константы скорости окисления для бН-SiC. Установлено, что кинетика окисления С-грани карбида кремния но

134 сит линейно-параболический характер во всех трех средах окисления. Наиболее подходящими моделями описания роста оксидного слоя на SiC является синтез двух моделей: модели Дила и Гроува и модели Вагнера. Получены экспериментальные зависимости толщины оксидного слоя Si02 на 6H-SiC от времени окисления и от температуры.

6. На основании выполненных исследований рекомендованы режимы изготовления маскирующих и защитных покрытий для 6H-SiC по схеме «сухой -влажный — сухой» при температуре процесса окисления 1150 °С толщиной 0,5 мкм (суммарное окисление 3-4 часа) и толщиной 0,9 мкм (суммарное окисление 4-5 часов).

7. По результатам исследования сквозных дефектов в оксидных пленках, выращенных на С-грани 6H-SiC в среде сухого кислорода, влажного кислорода и влажного азота при температуре 1150 °С, установлено, что пленки SiC>2, выращенные в влажных средах соответствуют нормам, предъявляемым к изолирующим диэлектрическим покрытиям. Определена плотность поверхностных состояний на границе раздела пленки Si02 (800 А), выращенной в среде сухого кислорода на 6H-SiC, которая составляет ~1,7-1012 см"2. Определена напряженность электрического поля пробоя для этого оксидного слоя, которая составила 7,5 - 8,75 -106 В-см"', что не хуже аналогичного параметра пленки Si02 на Si.

8. Исследованы вольт-амперные характеристики диодных структур, изготовленных на монокристалле n-6H-SiC имплантацией бора. При прямом падении напряжении в интервале [0 - 2,5) В механизм протекания тока соответствует рекомбинации носителей в области объемного заряда, при 2,5 В наступает высокий уровень инжекции носителей заряда.

Автор выражает благодарность профессору Станиславу Ивановичу Рембе-зе, под чьим контролем была выполнена эта работа, Владимиру Леонидовичу Де-рунову и Нине Кирилловне Юдиной за сотрудничество при проведении процессов термического окисления карбида кремния и измерении электрофизических параметров оксидных пленок.

1. Лебедев А.А. Вечнозеленый полупроводник / А. А. Лебедев // Химия и жизнь. 2006. - №4. - С. 14-19.

2. Фундаментальные аспекты карбида кремния SiC // Энциклопедия технологии полупроводниковых материалов. Электронная структура и свойства полупроводников. Воронеж, 2004. - Т.1. - С. 753.

3. Лебедев A.A. SiC электроника. Прошлое, настоящее, будущее. / А.А. Лебедев, С. Сбруев // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. -2006. -№5. - С. 28-41.

4. Лучинин В.В. Карбид кремния материал экстремальной электроники / В.В. Лучинин, Ю.М. Таиров // Петербургский журнал электроники. - 1996. - № З.-С. 53-78.

5. E.G. Acheson Production of artificial crystalline carbonaceous materials, patent # 492,767, February 28, 1893.

6. Аристов В.Ю. Поверхность p-SiC (100): атомная структура и электронные свойства / В.Ю. Аристов // Успехи физических наук. Обзоры актуальных проблем.-2001.-Т.171.-№8. -С. 801-826.

7. Трубицын Ю.В. Полупроводниковые материалы на основе элементов IV группы / Ю.В. Трубицын, Д.И. Левинзон, В.Ю. Трубицын // Складш системи i процеси. Електронне матер1алознавство i технологи.-2007.-№1.-С. 18-37.

8. Хениш Г. Карбид кремния / Г. Хениш, Р.Рой. М.: Мир, 1972. - 347 с.

9. Raback Peter Modeling of the sublimation growth of silicon carbide crystals: dis. doctor of technology / Peter Raback. Helsinki, 1999. - 130 p.

10. Frank F.C. The growth of carborundum: dislocations and polytipism / F.C. Frank //Philosophical Magazine 1951. - № 42. - P. 1014-1021.

11. Lely J.A. Durstellung von Einkristallen von Slizium Karbid und Beherrchung von Art und Menge der Eingebauten / J.A. Lely // Ber. Deut. German. Keram. Ges. 1955. - № 32. - P. 229-236.

12. Шашков Ю.М. Рост кристаллов / Ю.М. Шашков, В.В. Рождественская.-М.: Наука, 1964. -117 с.

13. Lowe Е.С., пат. США 3343920, 1967.

14. Vodakov Yu. A. Epitaxial growth of silicon carbide layers by sublimation «sandwich method» Growth kinetics in vacuum / Yu. A. Vodakov, E.N. Mokhov, M.G. Ramm, A.D. Roenkov // Kristal und Technik. 1979. - № 14(6). - P; 729 - 740.

15. Водаков Ю.А. Прогресс в выращивании кристаллов и изучение широкозонных полупроводниковых материалов // Ю.А. Водаков, Е.Н. Мохов. -1999.-Т. 41.-В. 5.-С. 822-825.

16. Tairov Yu. М. Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals / Yu. M. Tairov, V.F. Tsvetkov // J. Cryst. Growth. 1978. -Vol. 43. - Issue 2 - P. 209 - 212.

17. Tairov Yu. M. General principles of growing large-size single crystals of various silicon carbide polytypes / Yu. M. Tairov, V.F. Tsvetkov // Journal of crystal growth 1981.-Vol. 52.-Parti. - P. 146- 150.

18. Barret D.L. Growth of large SiC single crystals / D.L. Barret, J.P. McHugh, H.M. Hodgood, P.G. McMullin, R.C. Clarke // Journal of crystal growth. -1993. Vol. 128. - Issues 1-4. - P. 358 - 362.

19. Авров Д.Д. Рост слитков карбида кремния политипа 4Н на затравках с плоскостью (1010) / Д.Д. Авров, А.В. Булатов, С.И. Дорожкин, А.О. Лебедев, Ю.М. Таиров // Физика и техника полупроводников. 2008. - Т.42. - В. 12. - С. 1483 - 1487.

20. Davis R.F., С.Н. Carter, С.Е. Huter. USA Patent N 4, 866, 005 (Sept. 12,1989)

21. Muller St. G. Progress in the industrial production of SiC substrates for semiconductor devices / St. G. Muller, R.C. Glass, H. M. Hobgood, V. F. Tsvetkov, M. Brady // Materials science and engineering. 2001. - B. 80. - P. 327 - 331.

22. Лебедев А. А. Широкозонные полупроводники для силовой электроники / А.А. Лебедев, В.Е. Челноков // Физика и техника полупроводников. 1999. - Т.ЗЗ. - В.9. - С. 1096-1099.

23. Иванов П.А. Полупроводниковый карбид кремния технология и приборы / П.А. Иванов, В.Е. Челноков // Физика и техника полупроводников. -1995.-T.29.-B.il. С. 1921-1941.

24. Босый В.И. Мощные СВЧ-транзисторы на основе широкозонных полупроводников / В.И., Босый, А.В. Иванщук, В.Н. Ковальчук, Е.М. Семашко

25. Технология и конструирование в электронной аппарутуре.- 2003. №3. - С. 53-58.

26. Nick G. Wright. Prospects for SiC electronics and sensors / Nick G. Wright, Alton B. Horsfall, K. Vassilevski // Materials today. 2008. - №1-2. - V.l 1. - P. 253-259.

27. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния — настоящее и будущее силовой электроники / А. Полищук // Компоненты и технологии. 2004. - №8. - С. 40-45.

28. Полищук А. Применение карбидо-кремниевых диодов Шоттки в IJTB-инверторах с жестким переключением / А. Полищук // Силовая электроника. 2006. -№1. - С. 8-12.

29. Баранов П.Г. Эрбий в кристаллах карбида кремния: электронный парамагнитный резонанс и высокотемпературная люминесценция / П.Г. Баранов, И.В. Ильин, Е.Н. Мохов, А.Б. Певцов, В.А. Храмцов // Физика твердого тела. 1999. - Т.41. - №1. - С. 38-40.

30. Давыдов С.Ю. Контакт металл-карбид кремния: зависимость высоты барьера Шоттки от политипа SiC / С.Ю. Давыдов, А.А. Лебедев, О.В. Посредник, Ю.М. Таиров//ФТП. 2001. - Т. 35.-В. 12.-С. 1437-1439.

31. Лебедев А.А. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния. Обзор. / А.А. Лебедев // Физика и техника полупроводников. 1999. - Т. 33. -В. 2.-С. 129-155.

32. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ./ под ред. С.Зи. М.: Мир, 1986.-404 е., ил.

33. Formhold А.Т. Kinetics of oxide film growth on metal crystals I.: Formulation and numerical solutions / A.T. Formhold // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1963. -V. 24. - Issue 9. - P. 1081-1092.

34. Wagner C.J. Passivity during oxidation of silicon at elevated temperature / C.J. Wagner// J. Appl. Phys. 1958. - v. 29. - P. 1295-1297.

35. Колобов H.A. Диффузия и окисление полупроводников / Н.А. Колобов, М.М. Самохвалов. М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

36. Susuki Akira Thermal oxidation of SiC and electrical properties of Al-Si02-SiC MOS structure / Susuki Akira, Ashida Hisashi, Furui Nobuyuki, Mameno Kazunobu, Matsunami Hiroyiki // Jap. J. Appl. Phys. 1982. - 21. - № 4. p. 579. 585.

37. Mandracci P. Plasma-assisted SiC oxidation for power device fabrication / P. Mandracci, S. Ferrero, S. Porro, G. Ricciardi // Applied surface science. 2004. -№238. -P. 336-340.

38. Ажажа Э.Г. О сплошности оксидных пленок кремния / Э.Г. Ажажа, В.И. Коркин // Электронная техника Серия 2, полупроводниковые приборы. -1968.-№>3 С. 44-53.

39. Yoshikawa М. Effects of gamma-ray irradiation on cubic silicon carbide metal-oxide semiconductor structure/ M. Yoshikawa, H. Itoh, Y. Nashiyama, S. Misawa, H. Okumura// J. Appl. Phys. -1991. -V. 70. P. 1309-1312.

40. Wllander M. Silicon carbide and diamond for high temperature device applications / M. Wllander, M. Friesel, Qamar-UL Wahab, B. Straumal. // J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2006. - v. 1 7. - p. 1 - 25.

41. Daisuke Nakamura Ultrahigh-qualily Silicon Carbide Single Crystals / Daisuke Nakamura, Itaru Gunjishima, Satoshi Yamaguchi et al. // R&D Review of Toyota, CRDL. v.41. - N2.

42. Bozack M.J. Surface Studies in SiC as related to contacts / M.J. Bozack //Phys. Stat-Sol(b). 1997. - V.202. -p.549-580.

43. Агеев О.Ф. Влияние обработки поверхности и нагрева на высоту потенциального барьера контактов к SiC / О.Ф. Агеев, A.M. Светличный, Н.А. Ковалев, Р.Н. Разгонов // Технология и конструирование электронной аппаратуры. 2001. - № 2. - С.37-41.

44. Андреев А.Н. Высота барьера в диодах Шоттки, сформированных на основе n-SiC-6H / А.Н. Андреев, А.А. Лебедев, М.Г. Растегаева и др. // ФТП. -1995. Т.29. - №10. - С. 1833-1843.

45. Peteves S.D. Microstructure and microchemistry of the Al/SiC interface / S.D. Peteves, P. Tambuyser, P. Helbach // J. Mat. Sci. 1990. - V.25. - p. 37653772.

46. Петров А.А. Гетерофазные границы раздела в тонкопленочных структурах электроники / А.А. Петров // Петербургский журнал электроники. -2006.-вып. 4.-С.109-131.

47. Афанасьев А.В. Исследование термической стабильности и радиационной стойкости диодов Шоттки на основе карбида кремния / А.В. Афанасьев, В.А. Ильин, И.Г. Казарин, А.А. Петров // Журнал технической физики. 2001. - том 71. - вып. 5. - С. 78-81.

48. Литвинов В.Л. Особенности формирования и характеристики диодов Шоттки Ni/21R-SiC / В.Л. Литвинов, К.Д. Демаков, О.А. Агеев, A.M. Светличный и др. // Физика и техника полупроводников. 2003. - том 37. -вып. 4. - С 473-478.

49. Лебедев А.А. Исследование влияния обработки поверхности полупроводника на характеристики 6H-SiC диодов Шоттки / А.А. Лебедев, Д.В. Давыдов, В.В. Зеленин, М.Л. Корогодский // Физика и техника полупроводников. 1999. - том 33. - вып. 8. - С 959-961.

50. Defives D. Electrical characterization of inhomogeneous Ti:4H-SiC Schottky contacts / D. Defives, O. Noblanc, C. Dua, C. Brylinski, M. Barthula, F. Meyer // Materials Science and Engineering. 1999. - B61-62. - P. 395-^101.

51. Weiss R. Tungsten, nickel and molybden Shottky diodes with edge termination/ R. Weiss, L.Frey, H.Rysell // Applied surface science. 2001.- №184.-C.413-418.

52. Guziewicz M. Ta-Si contacts to n-SiC for high temperatures devices / M. Guziewicz, A. Piotrowska, E. Kaminska, K. Grasza, R. Diduszko, A. Stonert, A. Turos, M. Sochacki, J. Szmidt // Materials Science and Engineering. 2006. - В 135.-P. 289-29.

53. Гоулдстейн Дж. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д. Фиори Ч., Лиф- шин Э./ М.: Мир, 1984. Т. 2 - 348 с.

54. Миронов В.Л. Основы зондовой сканирующей микроскопии, Российская академия наук, Институт физики микроструктур, г. Нижний Новгород, 2004 г. 110 с.

55. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников / Ю.И. Уханов.-М.: «Наука», 1977.-275 с.

56. Рембеза С.И. Методы измерения основных параметров полупроводников / С.И. Рембеза.- Воронеж.- 1989.- 224с.

57. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования / Е.В. Кучис.- М.: Радио и связь.-1990.- 264с.

58. Бургер Р. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. /Р. Бургер, Р. Донован М.: Мир, 1969.^148с.

59. Измерители характеристик полупроводниковых приборов Л2-56, Л2-56А Техническое описание и инструкции по эксплуатации 2.756.001 ТО Книга 1.-С. 149.

60. Крегер Ф. Химия несовершенных кристаллов / Ф.Крегер. М.: Мир, 1969. - 644 с.

61. Синельников Б.М. Исследование поверхности пластин карбида кремния методом атомно-силовой микроскопии / Б.М. Синельников, Н.И. Каргин, А.С. Гусев и др. // Вестник Северо-Кавказского технического университета.- 2006. №5 (9).- С. 156-160.

62. Scaltrito L. Structural and electrical characterization of epitaxial 4H-SiC layers for power electronic device application / L. Scaltrito, S. Poito, M. Cocuzza, F. Giorgos, et // Materials science and engineering. 2003. - B. 102. - P. 298-303.

63. Kodigala Subba Ramaiah Surface studies of SiC epitaxial grown by chemical vapor deposition / Subba Ramaiah Kodigala, I. Bhat, T. P. Chow, J. K. Kim, E. F. Schubert // Materials science and engineering. 2006. - B. 129. - P. 2230.

64. Рябинина И.А. Исследование дефектов поверхности монокристаллов карбида кремния 6H-SiC / И.А. Рябинина, С.И. Рембеза // Твердотельная электроника и микроэлектроника: сб.науч.тр. Воронеж, 2009. - С. 182-185.

65. Митрохин В.И. Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках с глубокими центрами / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, В.В. Свиридов, Н.П. Ярославцев // Физика и техника полупроводников. 2002. - Т.ЗЗ. - Вып. 2. - С. 138-143.

66. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах / B.C. Постников. -М.: Металлургия, 1974. 352 с.

67. Новик А.Релаксационные явления в кристаллах / А. Новик, Б. Бери. -М.: Атомиздат, 1975. 472 с.

68. Фистуль В.И. Атомы легирующих примесей в полупроводниках / В.И. Фистуль. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 432 с.

69. Белоногов Е.К. Внутреннее трение в пленках на основе SisN4 и CuSe / Е.К. Белоногов, Б.М. Даринский, А.С. Ильин, В.И. Митрохин, В.А. Мошников, А.Н. Харин // Известия РАН, сер. Физич. 2005. - Т. 69. - № 8. - С. 1168-1170.

70. Wellmann P.J. Optical quantitative determination of doping levels and their distribution in SiC / P.J. Wellmann, R. Weingartner, M. Bickermann, T.L. Straubinger, A. Winnacker // Materials Science and Engineering. 2002. - В 91 - 92. -P. 75-78.

71. Wellmann PJ. Determination of doping levels and their distribution in SiC by optical techniques / P.J. Wellmann, R. Weingartner // Materials Science and Engineering. -2003. В 102. - P. 262-268.

72. Рембеза С.И. Термическое окисление 6H-S1C / С.И. Рембеза, И.А. Рябинина, Д.П.Тимохин // VII международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». — 2007. — С. 314.

73. Рябинина И.А. Термическое окисление карбида кремния / И.А. Рябинина, Д.П. Тимохин, С.И. Рембеза// Вестник ВГТУ. -2007. № 11. - Т.5. - С. 52-56.

74. Рябинина И.А. Термическое окисление и изготовление контактов к 6H-SiC / И.А. Рябинина, С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза // Вестник ВГТУ. 2009. -№ 12. - Т.5. - С. 198-202.

75. Кошелева Н.Н. Методика выявления сквозных дефектов в оксидных пленках / Н.Н. Кошелева, И.А. Рябинина, С.И. Рембеза // Твердотельная электроника и микроэлектроника: сб.науч.тр. Воронеж, 2007. - С. 106-111.

76. Zetterling Carl-Mikael Junction barrier Shottky diodes in 6H SiC / Carl-Mikael Zetterling, Fanny Dahlquist, Nilx Lundberg and et. // Solid-state electronics. -1998. V. 42. - № 9. - P. 1757-1759.

77. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. М.: Высшая школа, 1973. — 394 с.

78. Наундорф Уве Аналоговая электроника. Основы, расчет моделирование. / Уве Наундорф.- М.: Техносфера, 2008. 472 с.

79. Лебедев А.А. Емкостные измерения в случае сильной зависимости последовательного сопротивления базы диода от приложенного напряжения / А.А. Лебедев, А.А. Лебедев, Д.В. Давыдов // Физика и техника полупроводников.-2000.-Т. 34.-В. 1.- С. 113-116.

80. Вейнгер А.И. Примесные состояния бора в карбиде кремния / А.И. Вейнгер, Ю.А. Водаков, Ю. Кулев, Г.А. Ломакина, Е.Н. Мохов, В.Г. Одинг, В .И. Соколов //Письма ЖТФ. 1980.- Т.6. - Вып. 21.- С. 1319- 1323.