СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ β-SIC НА КРЕМНИИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ
METHOD OF PRODUCING THIN EPITAXIAL LAYERS OF β-SIC ON MONOCRYSTALLINE SILICON

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения слоев карбида кремния при изготовлении микроэлектромеханических устройств, фотопреобразователей с широкозонным окном 3C-SiC, ИК-микроизлучателей.
В настоящее время наиболее распространенным методом получения тонких эпитаксиальных слоев карбида кремния является метод CVD из газовых смесей силана и углеводородов, а также из различных кремнийорганических соединений, например метилтрихлорсилана (KR 20050019572), гексаметилдисилазана (JP 2006176811, JP 2006147866) в потоке водорода или аргона. Недостатком метода является использование токсичных летучих кремнийорганических соединений, высокие температуры. Рост производства приборов на основе карбида кремния стимулирует поиск более экономичных и экологически чистых технологий формирования слоев SiC. Одним из таких методов может стать получение пленок путем импульсного лазерного осаждения.
2
Известен способ получения тонких пленок 2Н α-SiC методом импульсной лазерной абляции (US 5529949 (A), US 5723880 (А)). В данном случае набор подложек, представляющих собой пластины монокристаллического кремния или карбида кремния политипа 6Н (0001), обрабатывался в ацетоне и метаноле с целью удаления органических загрязнений, затем в растворе плавиковой кислоты с целью удаления естественного окисла перед осуществлением процесса эпитаксии. Обработанные таким образом подложки помещались в молибденовый держатель подложек вакуумной камеры, который располагался параллельно мишени в 5-6 сантиметрах от нее. Мишень представляла собой поликристаллическую пластину SiC, изготовленную методом CVD. Мишень подвергалась воздействию излучения эксимерного лазера с длиной волны 248 нм с плотностью энергии около 2,5 Дж/см и частотой 2 импульса в секунду. Скорость осаждения при этом составляла около 0,5 А/импульс. Температура подложки поддерживалась на уровне от 960 до 1270°С. Отличие данного способа от предлагаемого заключается в том, что он направлен на получение гексагонального карбида кремния α-SiC. Кроме того, авторы (US 5529949 (A), US 5723880 (А)) используют эксимерный лазер и поликристаллическую мишень.
2
2
В работе JP 10081598 (А) описан метод синтеза нанокристаллического карбида кремния политипа 6Н на кремниевой подложке, погруженной в органический растворитель (бензол) под действием сфокусированного излучения лазера с плотностью энергии 20-40 Дж/см. Длительность импульса лазера 30 нс, энергия порядка 1 Дж. Отличие предлагаемого способа от JP 10081598 (А) заключается в  сущности метода вакуумного лазерного испарения (процесс протекает в вакууме за счет испарения керамической мишени) и возможности синтеза монокристаллических эпитаксиальных пленок карбида кремния политипа 3C.
3
4
4
3
В работе JP 200528596 4(А) описан метод получения кристаллических и эпитаксиальных тонких пленок SiC n- и р-типа проводимости методом импульсного лазерного осаждения из паровой фазы. Сущность предложенного метода заключается в одновременном лазерном испарении из двух мишеней, содержащих SiC и легирующую примесь III или V группы для получения n- и р-типа проводимости (SiN и AlC соответственно). Предлагаемый метод направлен на получение чистого карбида кремния политипа 3C.
Также известен способ получения кристаллических пленок карбида кремния методом лазерного напыления углерода на кремний (US 5406906). Пленки кристаллического карбида кремния выращивают на нагретой подложке из кристаллического кремния методом лазерной абляции чистого углерода. Температура подложки во время осаждения превышает 1000°С. В результате пленка SiC является эпитаксиально ориентированной по отношению к подложке. Толщина пленки составляет величину около 4000 ангстрем. Основное отличие данного способа от предлагаемого заключается в том, что мишенью для вакуумной лазерной абляции в US 5406906 является углерод. Это ограничивает толщину получаемого слоя карбида кремния.
Известен способ изготовления гетероэпитаксиальных тонких пленок α-SiC (JP2003095795). Данный способ предусматривает получение гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния α-SiC методом вакуумного лазерного напыления. Пленки получают при высоких температурах подложки (800-1300°С). В качестве подложечного материала используют пластины монокристаллического Si, сапфира и MgO. Отличие данного способа от предлагаемого заключается в том, что метод (JP 2003095795) направлен на получение гексагонального карбида кремния α-SiC. Кроме того, недостатком метода (JP 2003095795) является и сложность системы крепления мишеней, которая должна обеспечивать вращение мишеней вокруг своей оси во избежание образования глубокого кратера на распыляемой поверхности.
Известен способ получения аморфных и эпитаксиальных пленок карбида кремния политипов 3C-SiC, 2H-SiC, 4H-S1C и 15R-S1C (CN 102051589 (А)). Рост пленки карбида кремния осуществляется методом магнетронного распыления или вакуумного лазерного испарения материала мишени. Частота следования импульсов лазерного излучения 1-10 Гц, длина волны лазера 265 нм. Метод состоит из следующих операций: выбор подложки и материала мишени, очистка поверхности мишени и подложки, получение пленки карбида кремния методом магнетронного распыления или импульсного лазерного испарения материала мишени, отжига полученной тонкопленочной структуры в атмосфере защитного газа. Основное отличие данного способа состоит в использовании фотокатализа для активации поверхности подложки в процессе роста. Недостатком метода (CN 102051589 (А)) является отсутствие системы сканирования лазерного луча по поверхности мишени.
Ближайшим техническим решением к заявленному является способ получения тонких пленок карбида кремния методом вакуумной лазерной абляции (RU 2350686). Способ включает распыление керамической мишени лазерным лучом в условиях высокого вакуума на нагретую подложку без добавок газообразных реагентов. Мишень располагают на расстоянии 100 мм от подложки. Подложку нагревают до температуры 350°С. Распыление осуществляют в течение 20 мин с помощью YAG:Nb (λ=532 нм) лазера с энергией накачки 15-20 Дж и при сканировании лазерного луча по поверхности керамической мишени. Недостатком прототипа являются низкие температуры роста пленок (температура подложки), ограничивающие возможности применения данного метода для получения эпитаксиальных слоев, то есть ориентационно-упорядоченной структуры.
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является получение эпитаксиальных слоев карбида кремния кубической модификации (β-SiC) на подложках кремния монокристаллического (Si) кристаллографической ориентации (111) и (100) путем импульсного лазерного испарения материала керамической мишени состава, близкого к стехиометрическому, и осаждения испаряемого вещества на подложку, нагретую до температур 950-1000°С в условиях высокого вакуума.
-6
Указанный технический результат достигается тем, что процесс распыления карбида кремния проводят с применением твердотельного лазера на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом (YAG:Nd), с длиной волны излучения 1064 нм и системы сканирования лазерного луча по поверхности мишени в условиях высокого вакуума (до ~10 Па). Таким образом, процесс напыления проводят в условиях высокого вакуума без добавок газообразных реагентов. Температура подложки 950-1000°C.
Блок-схема технологической установки для осуществления процесса осаждения тонких эпитаксиальных слоев карбида кремния по заявленному способу представлена на фиг.1. Здесь: 1 - сверхвысоковакуумная камера; 2 - карусель с держателями образцов, мишеней; 3 - держатель мишеней; 4 - нагреватель с подложкой; 5 - сменное защитное стекло; 6 - шлюзовая камера для ввода/вывода образцов, мишеней; 7 - ионизационный датчик вакуума; 8 - ввод вращения карусели; 9 - смотровое окно; 10 - окно ввода лазерного излучения; 11 - YAG:Nd лазер; 12 - оптическая система сканирования луча; 13 - система фокусировки. На фиг.2 приведена схема сканирования лазерного луча по поверхности мишени (1 - керамическая мишень SiC, 2 - лазерное излучение).
Способ получения тонких пленок SiC методом вакуумной лазерной абляции заключается в следующем. Для распыления материала мишени использовалось сфокусированное излучение AYG:Nd-лазера (длина волны излучения 1064 нм), работающего в режиме модуляции добротности. Излучение мощного лазерного импульса проходит через оптическое окно вакуумной камеры и фокусируется на поверхности мишени. Мишенью для лазерного осаждения служит керамический SiC стехиометрического состава. Мишень поглощает энергию падающих импульсов. При определенной плотности мощности лазерного излучения материал с поверхности мишени начинает испаряться. На траектории разлета плазменного факела устанавливается подложка, на поверхности которой происходит конденсация и рост пленки. В качестве подложек для формирования структур используются монокристаллические подложки кремния с ориентацией (001) и (111), нагретые до температуры 950÷1000°C. Очистка поверхности кремневых подложек от загрязнений производится непосредственно перед их загрузкой в шлюзовую вакуумную камеру смесью пропанола-1 и ацетона в ультразвуковой ванне. После этого подложки травятся в 5%-ном растворе плавиковой кислоты для удаления слоя естественного оксида, отмываются деионизованной водой и сушатся.
Температурный диапазон осаждения выбран на основании экспериментальных данных по зависимости структуры растущего слоя от температуры подложки. Экспериментально установлено, что пленки карбида кремния, выращенные предлагаемым способом на подложках Si(001) и Si(111), при температуре t<500°C имеют аморфную структуру. Пленки SiC, выращенные в температурном диапазоне 500°C÷700°C, имеют нанокристаллическую структуру, для эпитаксиального роста пленок β-SiC на подложках кремния температура подложки должна быть в диапазоне 950÷1000°C.
-6
-4
Значение остаточного давления в ростовой камере на уровне ~10 Па выбран на основании возможностей установки для обеспечения роста качественных эпитаксиальных слоев. Высокий уровень вакуума в рабочем объеме камеры достигается благодаря использованию двухступенчатой системы откачки с применением турбомолекулярного и ионного насосов, а также благодаря наличию предварительной камеры, смежной с основной камерой роста и имеющей возможность герметично отсекаться от нее, что позволяет непрерывно поддерживать уровень вакуума в рабочей камере не ниже Р~10 Па.
Используемый в установке YAG:Nd лазер с длиной волны излучения λ=1,06 мкм и выходной энергией излучения 0,1-0,3 Дж позволяет испарять карбид кремния. Использованная оптическая схема резонатора, вращающая пятно генерации на 90° при каждом проходе резонатора, обеспечивает отсутствие «горячих точек» в лазерном пятне и, благодаря этому, однородность параметров испарения на мишени. Однородное распределение плотности энергии по пятну позволяет также снизить образование капель в испаренном потоке.
Включение системы перемещения лазерного луча в технологическую установку позволяет предотвратить образование глубокого кратера на поверхности мишени, обеспечивает постоянную скорость напыления, более экономичный расход материала мишени и высокую воспроизводимость результатов. Система управляется с помощью ЭВМ, что дает возможность точного контроля параметров технологического процесса. Тем самым повышается качество эпитаксиальных слоев.
8
-2
9
-2
Подбор оптимальной для каждого материала плотности мощности лазерного излучения на мишени осуществляется путем варьирования фокусного расстояния линзы, закрепленной в автоматической системе фокусировки (пределы изменения плотности мощности составляют 4·10 Вт·см<Р<2·10 Вт·см).
Операция очистки подложек выполняется с целью удаления с их поверхности органических загрязнений (смесью пропанола-1 и ацетона) и естественного окисла (путем травления в 5%-ном растворе плавиковой кислоты). В последнем случае также протекает пассивация поверхности кремния атомами водорода.
В результате методом вакуумного лазерного испарения керамической мишени получены тонкие субмикронные эпитаксиальные пленки (β-SiC) на монокристаллическом кремнии с ориентацией (100) и (111).
На фиг.3а представлено РЭМ изображение поверхности образца, полученного при температуре 950°C на подложке (100) Si (увеличение 300000 раз), на фиг.3б - светлопольное ПЭМ изображение его поперечного среза. На поверхности образца хорошо видны образования, имеющие ростовой характер и свидетельствующие об ориентированном росте пленки SiC относительно структуры подложки. Это предположение подтверждается данными просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. На фиг.4 приведено изображение области гетерограницы Si/SiC и данные микродифракции электронов, указывающие на формирование эпитаксиального слоя β-SiC. Качество гетерограницы, а также наблюдаемая точечная микродифрактограмма наглядно свидетельствуют о наследовании материалом пленки кристаллической структуры кремния.
В отличие от образца, полученного на кремниевой подложке с ориентацией (100), пленка, выращенная на кремнии (111), при той же температуре имеет выраженную зернистую структуру с размером кристаллитов 50-100 нм (фиг.4а). На фиг.4б также приведено светлопольное изображение поперечного среза тонкопленочной структуры, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Таким образом, при температурах выше 500°C на Si (111) и (100) начинает формироваться кристаллическая фаза β-SiC. Данные просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и микроэлектронограммы от образцов указывают на формирование текстурированных гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC при температурах подложки 950-1000°C.