Патент на изобретение №2341847

(54) СПОСОБ СИНТЕЗА ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов. Способ синтеза пленок карбида кремния на кремниевой подложке включает нагрев кремниевой подложки в среде углеродосодержащих газов пакетами импульсов излучения ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм, длительностью импульсов 10^-2 с, в течение 1,5-2 с при плотности энергии излучения 240-260 Дж·см^-2. Изобретение обеспечивает упрощение технологии и значительное сокращение времени изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой карбида кремния. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов.

Известны методы формирования пленок карбида кремния на различных подложках, где источником атомов кремния является сама подложка, на которой и происходит рост карбида кремния [1, 2].

Известен способ, который позволяет формировать слой SiC в месте контакта твердого углесодержащего материала с кремниевой подложкой при Т=1373-1673 К. Наилучшее структурное и морфологическое совершенство пленок в этом методе было получено в случае, когда давление механического контакта превышало 1,5 Па [1]. Недостатком этого метода является относительно высокая температура и длительность синтеза.

Предложенный в работе [2] способ формирования пленки SiC путем изотермического отжига тонкой пленки С₆₀ на подложке монокристаллического кремния позволяет снизить температуру синтеза до 1073-1273 К. Однако, использование пленки С₆₀ как углеродосодержащего материала на сегодняшний день достаточно дорого.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является способ получения пленки карбида кремния, предложенный в работе [3]. Известный способ включает следующие стадии:

размещение кремниевой подложки в вакуумной камере;

термическая очистка кремниевой подложки при Т=1473 К от естественного оксида в сверхвысоком вакууме 1·10^-8 Па (безмасляные средства откачки) в течение 5 мин;

напуск газа 99,6% С₂Н₂ в камеру до достижения рабочего давления 1·10^-2 Па;

синтез пленки карбида кремния происходит на поверхности кремниевой подложки в результате термического отжига кремниевой подложки при температурах Т=1273-1473 К в течение 15-30 мин.

Основным недостатком этого способа является относительно высокая температура и большая длительность процесса формирования сплошной пленки SiC. Кроме того, данная технология является сложной в аппаратурном оформлении.

Изобретение направлено на снижение температурной нагрузки на кремниевую подложку при изготовлении изделия и позволяет избежать негативных явлений, связанных с продолжительным высокотемпературным нагревом подложки.

Это достигается тем, что синтез пленок карбида кремния на кремниевой подложке, включающий нагрев подложки в среде углеродсодержащих газов, осуществляется при воздействии импульсного излучения ксеноновых ламп (ИКЛ) с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм. Плотность энергии излучения подаваемого на облучаемую кремниевую подложку выбирают из интервала 240-260 Дж·см^-2. Снижение температурной нагрузки на Si-подложку происходит за счет малого времени обработки пакетами импульсов длительностью 10^-2 с, в течение 1,5-2 с. Последующую термообработку пленок карбида кремния проводят некогерентным излучением в вакууме, на воздухе или в инертном газе.

Способ реализуется следующим образом.

Синтез пленок карбида кремния производили на модернизированной установке импульсной фотонной обработки УОЛП – 1 [4]. Установка состоит из рабочей камеры, в которой установлены ксеноновые лампы (диапазон длин волн 0,2-1,2 мкм); вакуумной системы; системы напуска газовой смеси в рабочую камеру; блока управления. Кремниевую подложку, представляющую собой пластину монокристаллического кремния или поликристаллической пленки на поверхности SiO₂, помещают в рабочую камеру параллельно плоскости, в которой расположены лампы. Перед помещением в рабочую камеру поверхность подложки освежали в буферном травителе состава HF:H₂O=1:10 с последующей промывкой в дистиллированной воде. Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивается воздух и напускается реакционный газ.

После достижения необходимого давления в камере фотонную обработку осуществляют пакетами импульсов длительностью 10^-2 с в течение 1,5-2 с. При этом плотность энергии излучения, поступающего на образец (Е_И), изменяется в интервале 240-260 Дж·см^-2.

В ходе обработки происходит хемосорбция газа на кремниевой подложке и его пиролиз с выделением углерода. В результате последующего взаимодействия с кремнием на поверхности кремниевой подложки происходит формирование нанокристаллической пленки карбида кремния. Полученная пленка может быть островковой, лабиринтной или сплошной различной толщины. Указанные особенности и структура пленок определяются парциальным давлением газа и плотностью энергии излучения. На монокристаллических пластинах кремния получали эпитаксиальные пленки карбида кремния, совершенство структуры которых также зависит от парциального давления газа и плотности энергии излучения.

Пример 1. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 (кремний полупроводниковой квалификации, легированный бором) размером 20×10 мм с ориентацией поверхности (111). Перед напылением поверхность пластин Si очищают химическим травлением в растворе плавиковой кислоты, а затем промывают в дистиллированной воде. Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивается воздух до получения давления 5·10^-3 Па. После откачки в камеру напускается пропанобутановая смесь (С₃Н₈:С₄Н₁₀=1:4) до достижения давления в камере 5,3·10^-1 Па. После достижения необходимого давления в камере фотонную обработку проводили ИКЛ пакетами импульсов длительностью 10^-2 с в течение 1,5-2 с. Плотность энергии излучения, поступающего на образец (Е_И), изменяли в интервале 240-260 Дж·см^-2. После чего кремниевую пластину извлекают из камеры. Фазовый состав, структуру и ориентацию поверхности полученного образца проводили методами ПЭМ на приборе ЭМВ-100БР и ДБЭ на приборе ЭГ-100М. Для исследования в электронном микроскопе на просвет образцы утонялись с обратной стороны методом химической полировки в растворе HF:HNO₃=1:4 до толщины 100 нм.

На фиг.1 приведены типичные электронограммы образцов на просвет (а, в) и на отражение (б) и микрофотография. Расшифровка электронограмм, приведенная в таблице, показывает, что на поверхности кремниевой подложки сформирована пленка карбида кремния. Из электронограмм видно, что пленки имеют ярко выраженную двухосную текстуру: аксиальную и азимутальную привязку кристаллитов к подложке – на это указывают яркие пучности на электронограммах (фиг.1а, б, в). Увеличение плотности энергии излучения приводит к увеличению толщины пленок, о чем свидетельствует увеличение интенсивности колец и пучностей на электронограммах (см. фиг.1а, б). Исследование структуры показывает, что пленки являются сплошными. Тем самым получено изделие, представляющее собой кремниевую пластину с пленкой карбида кремния на ее поверхности.

Пример 2. Пример осуществляется аналогично примеру 1. В качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 размером 20×10 мм с ориентацией поверхности (001). Исследование фазового состава и структуры пленки, проведенные методами ПЭМ и ДБЭ, указывают на формирование пленки карбида кремния на поверхности кремниевой подложки (см. фиг.2). На фиг.2 приведены электронограммы на просвет и на отражение, полученные с данного образца. Из электронограмм видно, что пленки, как и в примере 1, имеют двухосную текстуру. Тем самым подтверждено получение изделия, представляющее собой кремниевую пластину с пленкой карбида кремния на ее поверхности.

Пример 3. Пример осуществляется аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что в качестве подложки используют следующую гетероструктуру. На пластинах монокристаллического кремния термическим окислением формировали слои SiO₂ толщиной 0,2 мкм. Слои поли-Si наносили на SiO₂ пиролитическим разложением моносилана в вакууме по стандартной технологии. Подложку помещали в камеру, и после достижения давления пропанобутановой смеси в камере давления в камере 5,3·10^-1 Па проводили фотонную обработку ИКЛ при Е_И=255 Дж·см^-2. Исследования методом ПЭМ слоев отделенных от SiO₂ показали образование сплошной пленки карбида кремния. Полученные пленки SiC, в отличие от пленок, полученных в примерах 1 и 2, были поликристаллическими и имели аксиальную текстуру (пучности на электронограмме на отражение, см. фиг.3б).

Пример 4. Пример осуществляется аналогично примеру 1. Фотонную обработку ИКЛ проводили при давлении в камере 1,3·10^-2 Па при Е_И=255 Дж·см^-2. Установлено, что пороговое значение Е_И для синтеза карбида в пропанобутановой среде не зависит от рабочего давления и составляет 240 Дж·см^-2. Исследование методом дифракции электронов (а) и ПЭМ (б) показали, что на поверхности кремниевой подложки образуется пленка карбида кремния (см. таблицу). Толщина пленки меньше, чем полученной при давлении 5,3·10^-1 Па (пример 1), о чем свидетельствует более слабая интенсивность колец на электронограмме. Слабые пучности на кольцах свидетельствуют о том, что часть кристаллитов имеет преимущественную ориентацию.

Реализация предлагаемого способа позволяет получить изделия, состоящие из кремниевой подложки и сформированной на ее поверхности пленки карбида кремния. В сравнении с известными способами предложенное техническое решение обеспечивает упрощение технологии и значительное сокращение времени изготовления изделия.

Литература

1. Патент RU 2286616 С2 Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности. Гордеев С.К., Корчагина С.Б., Кукушкин С.А., Осипов А.В. 2006.

4. A.C. CCCP, №1228716, кл. 21/268, 1984. Кущев С.Б., Тонких Н.Н., Злобин В.П. и др. Способ изготовления элементов металлизации.

Формула изобретения

1. Способ синтеза пленок карбида кремния на кремниевой подложке, включающий нагрев кремниевой подложки в среде углеродосодержащих газов, отличающийся тем, что нагрев подложки в среде углеродосодержащих газов осуществляют пакетами импульсов излучения ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм, длительностью импульсов 10^-2 с в течение 1,5-2 с при плотности энергии излучения 240-260 Дж·см^-2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующую термообработку полученных пленок карбида кремния проводят некогерентным излучением в вакууме, на воздухе или в инертном газе.

РИСУНКИ