способ получения гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке

Формула изобретения

Способ получения гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке, включающий нагрев подложки до температуры 950-1400°C в атмосфере Ar и получение пленки на поверхности подложки ионно-плазменным магнетронным распылением, отличающийся тем, что распыление осуществляют из одной поликристаллической мишени карбида кремния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов. Точнее изобретение относится к технологии производства гетероэпитаксиальных структур карбида кремния (SiC) на кремнии (Si), которые могут быть использованы в качестве подложек при изготовлении элементов полупроводниковой электроники, получаемых на основе широкозонного материала SiC.

Известен способ химического осаждения из газовой фазы, который в зарубежной литературе именуется как метод CVD (Chemical Vapor Deposition). Существуют различающиеся по конструкции реакционные камеры и способы синтеза монокристаллических пленок, описанные в публикациях US 4123571 (31.10.1978), WO 9623912 (08.08.1996), US 5670414 (23.09.1997), US 6299683 (09.10.2001), JP 2005109408 (21.04.2005), RU 2394117 (24.03.2008), которые позволяют методом CVD осуществлять осаждение карбида кремния в диапазоне температур подложек от 800°С до 2500°С.

Сущность способа RU 2394117 (24.03.2008) заключается в том, что в результате химических реакций, протекающих в газовой фазе и на поверхности подложки с участием источников компонентов пленки и промежуточных соединений, происходит синтез материала пленки. В качестве источников компонентов пленки карбида кремния обычно используют силан и пропан, растворенные в водороде. Кроме того, в качестве источников используют и другие вещества: SiCl₄, SiCl₂H₂, CH ₃SiH₃, CH₃SiCl₃, (CH ₃)₂SiH₂, (CH₃)₂ SiCl₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₆. Скорость осаждения карбида кремния зависит от температуры синтеза и от концентрации источников компонентов в парогазовой смеси.

Недостатками этого способа являются сложность технологии получения, а именно необходимость использования гидридов и галогенидов кремния (сложных с точки зрения экологии и безопасности реагентов). Недостаток заключается в необходимости поддержания оптимального состава компонентов в газовой смеси и сложности реализации требуемых условий процесса в больших реакторах, где сказывается неравномерность концентрации реагентов по объему за счет выработки реагентов и выделения продуктов реакции.

Известен способ по патенту RU 2363067 (22.01.2008), заключающийся в изготовлении изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой карбида кремния на ее поверхности, включающий нагрев подложки и синтез пленки на поверхности подложки в газовой среде, содержащей соединения углерода, в качестве газовой среды используют оксид или диоксид углерода либо смесь оксида или диоксида углерода с инертным газом и/или азотом при давлении 20-600 Па, а нагрев кремниевой подложки осуществляют до температуры 950-1400°С. Возможно использование только оксида углерода СО или только диоксида углерода СО₂. Возможно использование в качестве газовой среды смеси газов, состоящей из 45 мас.% оксида углерода СО, 50 мас.% аргона и 5 мас.% азота.

Данный способ малоэффективен, то есть трудность заключается во множестве предварительных этапов подготовки подложек. Недостаток заключается в использовании оксидных соединений, которые могут образовать в ходе химической реакции в составе получаемой пленки остаточные кислородные связи в виде примесей. Еще одним недостатком является малые толщины получаемых пленок (до 50 нм).

Также известны способы, использующие комбинированный подход. В этих способах компоненты, участвующие в химической реакции на поверхности подложки, доставляются из твердой фазы и в виде газообразных соединений.

Авторами Joung et. al. (SiC formation for a solar cell passivation layer using an RF magnetron co-sputtering system. Nanoscale Research Letters 2012, 7:22) на поверхности 4-дюймовой подложки кремния p-типа (100), используя высокочастотное (ВЧ) (100, 150, 170, и 200 Вт) магнетронное распыление совместной системы из двух источников-мишеней, из кремния и графита с дополнительным напуском C₂H₂ и Ar получены пленки карбида кремния.

Недостатком данного способа выращивания является применение двух магнетронных систем для независимого распыления двух мишеней - из твердой фазы кремния и графита, что усложняет конструкцию технологической установки, увеличивает энергетические затраты. Кроме того, способ не позволяет получить пленку равномерной толщины и плотности из-за невозможности контроля диффузии углеводорода в образующихся слоях карбида кремния. В результате реализации способа получается пленка относительно низкого качества, имеющая аморфную структуру.

В способе авторов Qamar A. et al. (Synthesis and characterization of porous crystalline SiC thin films prepared by radio frequency reactive magnetron sputtering technique, Applied Surface Science 257, 2011, 6923-6927) использовалась система реактивного магнетронного распыления кремниевой мишени диаметром 4 дюйма (99,999% чистоты) в ВЧ-разряде (13,56 МГц), мощностью 200 Вт, в атмосфере газов Ar (99,999% чистоты) и CH₄ (99,999% чистоты) в соотношении Ar/CH₄=80/20 (ат.%). В качестве подложек использовались полированные пластины Si (100). Температура подложки составляла 850-950°C. Предварительно, подложки очищались с помощью ацетона и спирта и промывались в ультразвуковой ванне в течение 15 минут каждый. Камера откачивалась до 9,3×10^-6 Па. Процесс проводился в течение 30 минут. Расстояние между мишенью и подложкой составляла 5 см.

Недостатками данного способа являются:

1. Трудоемкая аппаратура для согласования высокочастотного сигнала с нагрузкой и нестабильности разряда, возникающие в прикатодной области, трудность в регулировании соотношения в получаемой пленке углерода из газообразного составляющего и кремния из твердой фазы.

2. Скорости распыления на переменном токе на половину меньше, чем на постоянном токе, так как распыление атомов мишени происходит в один полупериод.

3. Использование с точки зрения безопасности газа СН₄ в качестве источника углерода для получения пленок карбида кремния.

В способе WO 2009/011816 A1 (22.01.2009) получают гетероэпитаксиальные пленки SiC на Si путем нагрева до 1000°C в атмосфере аргона ионно-плазменным магнетронным распылением на постоянном токе. Использованные мишени при магнетронном распылении на постоянном токе в способе не описаны, хотя это является определяющим технологическим звеном магнетронного распыления. В самом тексте способа идет напоминание процесса с двумя мишенями Si и C, мишени из монокристаллических пластин SiC (p- и n-типа) при ВЧ магнетронном распылении, а на постоянном токе приоритет отдается процессу реактивного магнетронного распыления в среде метана (CH₄). Данный способ наиболее близко подходит заявленному и поэтому принят за прототип.

Недостатки данного способа очевидны из недостатков вышеприведенных методик получения пленок карбида кремния на кремниевой подожке. Эти недостатки сказываются на совершенстве получаемой эпитаксиальной пленки.

Задачей настоящего изобретения является разработка нового способа получения монокристаллических гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке, который обеспечит безопасность и упрощение технологии, а также снизит производственные затраты при сохранении качества, достаточного для их последующего использования в изготовлении элементов электронной техники.

Технический результат заключается в упрощении способа получения, в улучшении совершенства получаемых пленок карбида кремния на кремниевой подложке.

Технический результат достигается ионно-плазменным магнетронным распылением поликристаллической мишени SiC в атмосфере аргона на постоянном токе. Формирование на подложке из кремния эпитаксиальной пленки карбида кремния кубического политипа осуществляется на поверхности предварительно нагретой от 950 до 1400°C кремниевой подложки. Температура 950°C - это кристаллизация пленки карбида кремния в кубический политип на поверхности кремниевой подложки. Температура 1400°C - это температура плавления кремния, то есть максимальное значение, при котором были получены качественные пленки карбида кремния на кремниевой подложке.

Сущность изобретения

Способ получения гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке, включающий нагрев подложки до температуры 950-1400°C в атмосфере Ar и получение пленки на поверхности подложки ионно-плазменным магнетронным распылением, отличается тем, что распыление осуществляют на постоянном токе из одной поликристаллической мишени карбида кремния.

Пример конкретного выполнения

Способ получения гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке состоит из следующих операций, выполняемых последовательно:

1. Загрузка рабочей камеры:

а) подготовка подложки, в качестве подложки используют пластину монокристаллического кремния марки КДБ-3 (кремний полупроводниковой квалификации, легированный бором), площадью 25 мм² толщиной 300 мкм с ориентацией поверхности, отклоненной от плоскости (111) (травление в HF в течение 2 часов, кипячение в дистиллированной воде 2 раза, промывка в спирте);

б) установка подложки (13) на расстоянии 5 см от магнетрона в вольфрамовый нагреватель (11);

в) установка мишени (12) - диска из поликристаллического карбида кремния диаметром 6 см и толщиной 0.5 см, изготовленного из порошка карбида кремния путем прессования и последующего спекания в аргоне при температуре 2400°C, на охлаждаемый проточной водой магнетрон.

2. Откачка воздуха из рабочей камеры вакуумной системой до 10^-6 мм рт.ст.

3. Включение питания нагревателя подложки (11), установление температуры подложки 950°C.

4. Включение системы дозированного напуска аргона и доведение давления в камере от 0,6·10^-3 до 1·10 ^-3 мм рт.ст.

5. Включение охлаждения и электропитания магнетрона и получение разрядного тока плотностью 2-5 мА/см ² при напряжении между анодом и катодом ~400 В.

6. Через 10 минут после начала процесса распыления мишени открывают заслонку (10) и осуществляется осаждение на подложку в течение 30-60 минут.

7. При достижении требуемой толщины эпитаксиального слоя разрядный ток магнетрона выключают, а подложку охлаждают до комнатной температуры в течение 20 минут.

На фигуре 1 приведена структурная схема магнетронной распылительной системы для получения тонких пленок SiC на подложках Si, где 1 - плита установки, 2 - магнитопровод, 3 - кольцевые NdFeB магниты, 4 - крышка из латуни, 5 - уплотнение из фторопласта, 6 - изолирующая шайба, 7 - металлическая шайба, 8 - гайка, 9 - трубки ввода и вывода воды для охлаждения магнетрона, 10 - заслонка, 11 - нагреватель для подложки, 12 - мишень, 13 - подложка, 14 - магнитные силовые линии, 15 - поток распыляемого вещества.

На фигуре 2 представлены рентгеновские дифрактограммы от подложки Si и от пленки SiC. Об образовании монокристаллической фазы пленки карбида кремния можно судить по проявлению пика в области 2 =35.68°.

На фигуре 3 изображена кривая качания от эпитаксиальной пленки SiC, полученная на поверхности кремниевой подложки.

Таким образом, разработана технология для формирования на кремниевых подложках монокристаллических пленок карбида кремния с необходимыми толщинами и допустимыми механическими напряжениями. Предлагаемый способ позволяет упростить технологию получения, улучшить качество пленок и уменьшить энергетические затраты.