СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ SiC-AlN Российский патент 2005 года по МПК C30B23/02 C30B29/10 

Изобретение относится к области технологии получения полупроводниковых тонких пленок многокомпонентных твердых растворов, а точнее к технологии получения монокристаллических эпитаксиальных слоев широкозонного твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия SiC-AlN. Изобретение может быть использовано:

1. В электронной промышленности для получения полупроводникового материала - твердого раствора (SiC)_1-x(AlN)_x для создания на его основе приборов твердотельной силовой- и оптоэлектроники.

2. Для получения буферных слоев (SiC)_1-x(AlN)_x при выращивании кристаллов нитрида алюминия (AlN) на подложках карбида кремния (SiC).

Известно, что в настоящее время основным способом получения монокристаллического твердого раствора (SiC)_1-x(AlN)_x является метод сублимационной эпитаксии [1].

Суть данного способа заключается в том, что сублимацию ведут из источников, в качестве которых используются смеси порошков SiC и AlN или спеки с различным содержанием AlN. Перенос паров источника к подложке осуществляется за счет градиента температуры между источником и подложкой. В качестве подложек применяют монокристаллические пластины SiC.

Основными недостатками данного метода являются:

1. Высокие температуры выращивания (2000-2400°С).

2. Плохая воспроизводимость состава и совершенства эпитаксиальных слоев.

3. Невозможность контролирования и управления толщины растущих слоев.

4. Невозможность получения многослойных структур с резкими гетерограницами из-за перекрестной диффузии между подложкой и эпитаксиальным слоем при высоких температурах роста.

Известно также, что для получения твердых растворов (SiC)_1-x(AlN)_x применяется метод жидкофазной эпитаксии на подложках SiC из раствора Al в расплаве Si, обогащенной углеродом С со стенок графитового тигля. Процесс проводится в среде азота N₂ [2].

Данный метод имеет недостатки, характерные для всех жидкофазных методов, а именно:

1. Загрязнение выращиваемых слоев нестеохимическим углеродом при растворении тигля из-за агрессивности расплава Si.

2. Нетехнологичность процесса, заключающаяся в необходимости применения различных травителей для очистки подложки с эпитаксиальным слоем от остатков расплава, а также быстрое изнашивание тиглей.

3. Сложность контролирования состава и толщины растущих слоев.

4. Невозможность получения многослойных структур.

Кроме этого, при выращивании твердых растворов (SiC)_1-x(AlN)_x методом

ЖФЭ пока не удается получить эпитаксиальные слои с компонентой х более 0,4.

Из известных способов выращивания эпитаксиальных слоев твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия наиболее близким по технической сущности является способ выращивания тонких пленок (SiC)_1-x(AlN)_x на подложках SiC магнетронным ионно-плазменным распылением из двух источников [3].

Этот способ выращивания включает осаждение тонкой пленки твердого раствора на подложку SiC политипа 6Н при температуре ˜1000°С путем одновременного ионно-плазменного магнетронного распыления двух мишеней (поликристаллического SiC и алюминия) в среде азота. Составом эпитаксиальных слоев управляют путем варьирования разрядных токов и давления азота.

Недостаток данного способа выращивания заключается в том, что применяются две магнетронные системы для независимого распыления двух мишеней - из поликристаллического карбида кремния и из чистого алюминия, что усложняет конструкцию технологической установки, увеличивает энергетические затраты.

Другим недостатком является то, что магнетронное распыление из 2-х независимых источников не обеспечивает гомогенное перемешивание распыляемых материалов в широком диапазоне концентраций.

Задачей настоящего изобретения является разработка нового способа получения эпитаксиальных слоев твердого раствора SiC-AlN.

Технический результат заключается в упрощении технологии получения, в улучшении однородности пленок и уменьшении энергетических затрат. Технический результат достигается ионно-плазменным магнетронным распылением поликристаллического твердого раствора (SiC)_1-x(AlN)_x в атмосфере аргона.

Сущность изобретения.

Способ получения эпитаксиальных слоев твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия SiC-AlN, содержащий осаждение твердого раствора на монокристаллическую подложку SiC-6Н при температуре 1000°С магнетронным ионно-плазменным распылением, отличающийся тем, что распыление осуществляют из одной мишени поликристаллического твердого раствора SiC-AlN, изготовленной путем горячего прессования смеси порошков SiC и AlN.

Пример конкретного выполнения.

Способ получения эпитаксиальных слоев твердых растворов SiC-AlN состоит из следующих операций, выполняемых последовательно:

1. Загрузка рабочей камеры

а) подготовка подложки, которая представляет собой пластину монокристаллического 6H-SiC ориентации (0001). (Травление в КОН при 500°С в течение 10 минут, кипячение в дистиллированной воде 2 раза, промывка в деионизированной воде).

б) Установка подложки (13) в графитовый нагреватель (11).

в) Установка мишени (12) - диска поликристаллического твердого раствора SiC-AlN (с известным составом), диаметром 8 см и толщиной 0,3 см на охлаждаемый магнетрон.

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

3. Включение питания нагревателя подложки (11) и доведение температуры подложки до 1000°С.

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

5. Включение охлаждения и электропитания магнетрона и получение разрядного тока плотностью 1-5 мА/см² при напряжении между анодом и катодом ˜600 В.

6. Через 10 минут после начала процесса распыления мишени открывают заслонку (10) и осуществляется осаждение на подложку в течение 1-3 часов.

7. При достижении требуемой толщины эпитаксиального слоя разрядный ток магнетрона выключают, а подложку охлаждают до комнатной температуры в течение 30 минут.

На фиг.1 приведена структурная схема магнетронной распылительной системы для получения тонких пленок SiC-AlN, где 1 -плита установки, 2 - магнитопровод, 3 - кольцевые ферритовые 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- графитовый нагреватель для подложки, 12 - мишень, 13 - подложка, 14 - магнитные силовые линии, 15 - поток распыляемого вещества.

С помощью рентгенодифракционного анализа и электронной микроскопии установлено, что полученные пленки являются монокристаллическими и обладают кристаллической структурой вюрцита (2Н). Включений второй фазы не обнаружено.

На фиг.2 представлены рентгеновские дифрактограммы, полученные как от подложки 6Н-SiC (1), так и от пленки твердого раствора (SiC)_0,7(AlN)_0,3 (2).

Об образовании твердого раствора можно судить по смещению дифракционных максимумов от пленки относительно максимумов от подложки.

На фиг.3 приведены рентгеновские кривые качания твердого раствора (SiC)_0,7(AlN)_0,3 (1) и подложки SiC (2).

Структурное совершенство пленок SiC-AlN, оцененное по величине полуширины дифракционных максимумов, а также по кривым качания, сравнимо с совершенством подложек SiC.

Полученные пленки SiC-AlN обладают эффективной фотолюминесценцией при комнатной температуре, что также подтверждает высокое структурное совершенство. Спектры фотолюминесценции пленок SiC AlN состоят из широких двух полос. Коротковолновая полоса излучения более интенсивная и максимум расположен при энергии квантов 3,3-3,6 эВ.

Таким образом, нами разработан новый способ получения эпитаксиальных слоев твердого раствора SiC-AlN, позволяющий упростить технологию получения, улучшить качество пленок и уменьшить энергетические затраты.

Литература

1. Патент №1297523 на изобретение: «Способ получения эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiC)_1-x(AlN)_x» Авторы: Нурмагомедов Ш.А., Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф.

2. Дмитриев В.А., Елфимов Л.Б., Линьков И.Ю., Морозенко Я.В., Никитина И.П., Челноков В.Е., Черенков А.Е., Чернов М.А. Твердые растворы SiC-AlN, выращенные методом бестигельной жидкофазной эпитаксии//Письма ЖТФ. Т. 1.7. вып.6. 1991. С.50-53.

3. Sukkaneste Tungasmita, Р.О.. Persson, Т. L. Hultman, J. Birch в докладе научной конференции MSF ″Silicon Carbide and Related Materials" 2001, P.1481 (www.scientific.net).

Изобретение относится к области технологии получения полупроводниковых тонких пленок многокомпонентных твердых растворов. Сущность изобретения: Способ получения эпитаксиальных слоев твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия SiC-AlN, включает осаждение твердого раствора на монокристаллическую подложку SiC-6Н при температуре 1000°С магнетронным ионно-плазменным распылением, осуществляемым из одной мишени поликристаллического твердого раствора SiC-AlN, изготовленной путем горячего прессования смеси порошков SiC и AlN. Технический результат изобретения заключается в упрощении технологии получения слоев, в улучшении их однородности и уменьшении энергетических затрат. 3 ил.

Способ получения эпитаксиальных слоев твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия SiC-AlN, содержащий осаждение твердого раствора на монокристаллическую подложку SiC-6Н при температуре 1000°С магнетронным ионно-плазменным распылением, отличающийся тем, что распыление осуществляют из одной мишени поликристаллического твердого раствора SiC-AlN, изготовленной путем горячего прессования смеси порошков SiC и AlN.