СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ Российский патент 2014 года по МПК H01L21/205 

Описание патента на изобретение RU2521142C2

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, CH3SiH3, CH3SiCl3, (CH3)2SiH2, (CH3)2SiCl2, 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/см2 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 2θ=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.

Похожие патенты RU2521142C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ТВЕРДОГО РАСТВОРА (SiC)(AlN) 2011
  • Рамазанов Шихгасан Муфтялиевич
  • Курбанов Маликаждар Курбанович
  • Билалов Билал Аругович
  • Сафаралиев Гаджимет Керимович
RU2482229C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ β-SIC НА КРЕМНИИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ 2013
  • Каргин Николай Иванович
  • Гусев Александр Сергеевич
  • Рындя Сергей Михайлович
  • Зенкевич Андрей Владимирович
  • Павлова Елена Павловна
RU2524509C1
Способ синтеза пленок нанокристаллического карбида кремния на кремниевой подложке 2022
  • Кущев Сергей Борисович
  • Солдатенко Сергей Анатольевич
  • Тураева Татьяна Леонидовна
  • Текутьева Вероника Олеговна
  • Ситников Александр Викторович
RU2789692C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ SiC-AlN 2004
  • Курбанов М.К.
  • Билалов Б.А.
  • Сафаралиев Г.К.
  • Гусейнов М.К.
RU2260636C1
СПОСОБ ГАЗОФАЗНОЙ КАРБИДИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ОРИЕНТАЦИИ (111), (100) 2015
  • Кондрашов Владислав Андреевич
  • Неволин Владимир Кириллович
  • Царик Константин Анатольевич
RU2578104C1
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ 1998
  • Лучинин В.В.
  • Корляков А.В.
  • Костромин С.В.
RU2132583C1
Изделие, содержащее основу из кремния и покрывающий слой в виде нанопленки углерода с кристаллической решеткой алмазного типа, и способ изготовления этого изделия 2019
  • Кукушкин Сергей Арсеньевич
  • Осипов Андрей Викторович
  • Феоктистов Николай Александрович
RU2715472C1
Способ изготовления функционального элемента полупроводникового прибора 2019
  • Кукушкин Сергей Арсеньевич
  • Осипов Андрей Викторович
  • Феоктистов Николай Александрович
RU2727557C1
Способ получения тонких пленок карбида кремния на кремнии пиролизом полимерных пленок, полученных методом молекулярно-слоевого осаждения 2020
  • Рабаданов Муртазали Хулатаевич
  • Амашаев Рустам Русланович
  • Абдулагатов Ильмутдин Магомедович
  • Абдулагатов Азиз Ильмутдинович
RU2749573C1
ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ SiC/Si И Diamond/SiC/Si, А ТАКЖЕ СПОСОБЫ ИХ СИНТЕЗА 2011
  • Синельников Борис Михайлович
  • Тарала Виталий Алексеевич
RU2499324C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 521 142 C2

Реферат патента 2014 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов. Изобретение позволяет упростить технологию получения применением одной поликристаллической мишени, улучшить качество пленок за счет высокой адгезии. Способ получения гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремниевой подложке включает получение пленки на поверхности подложки ионно-плазменным магнетронным распылением одной поликристаллической мишени карбида кремния при нагреве подложки до температуры 950-1400°C в атмосфере Ar. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 521 142 C2

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2521142C2

Колосоуборка 1923
  • Беляков И.Д.
SU2009A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ SiC-AlN 2004
  • Курбанов М.К.
  • Билалов Б.А.
  • Сафаралиев Г.К.
  • Гусейнов М.К.
RU2260636C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО КРЕМНИЕВУЮ ПОДЛОЖКУ С ПЛЕНКОЙ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА ЕЕ ПОВЕРХНОСТИ 2008
  • Кукушкин Сергей Арсеньевич
  • Осипов Андрей Викторович
  • Феоктистов Николай Александрович
RU2363067C1
RU 93057159 A, 1996
RU 2333300 C1, 10.09.2008
JP 0063011663 A, 19.01.1988.

RU 2 521 142 C2

Авторы

Рамазанов Шихгасан Муфтялиевич

Рамазанов Гусейн Муфтялиевич

Газимагомедов Газимагомед Убайдулаевич

Даты

2014-06-27Публикация

2012-09-21Подача