Кинетика зарождения и роста пленок карбида кремния на ступенях разориентированных подложек SiC(111)

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И

ПРИБОРЫ

УДК 621.315.592

Б.А.Билалов, Н.И.Каргин, Г.Д.Кардашова

КИНЕТИКА ЗАРОЖДЕНИЯ и роста пленок карбида кремния на СТУПЕНЯХ РАЗОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОДЛОЖЕК 81С

Цель данной работы состоит в установлении влияния технологических факторов синтеза на микроструктуру и состав пленок карбида кремния, синтезируемых методами химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ).

Ключевые слова: нанокристаллическая структура, концентрация, синтез, парогазовая смесь

Одним из практических направлений в разработке новых технологий производства материалов электронной техники для создания нового поколения перспективных устройств преобразования энергии и информации являются технологии использования неравновесных процессов получения тонкопленочных покрытий с неупорядоченной, а также микро- и нанокристаллической структурой.

Яркими примерами таких материалов являются тонкопленочные покрытия из аморфного, монокристаллического кремния, карбида кремния и твердых растворов на основе карбида кремния с оксидами и нитридами металлов с различной степенью легирования. Разработка новых классов перспективных устройств, основанных на указанных тонкопленочных материалах - от дисков оптической памяти и фотоэлементов до светодиодов, диффузионных решеток и рентгеновских линз, а также изделий машиностроения с защитными покрытиями, - обусловили активное исследование особенностей их атомного строения в зависимости от условий получения[1-5].

В этой связи, исследования, направленные на изучение влияния скорости расхода источников компонентов пленки и газа носителя на процесс синтеза пленки карбида кремния, на кристалличность ее структуры представляет интерес для разработки технологии управляемого синтеза.

Известно, что на ступенях подложек (111) разориентированных в направлении (110) образуются два типа агрегатов I2 и B3 которые определяют будущую структуру матрицы синтезируемого материала пленки (1). Схематически, процесс их синтеза можно представить в виде следующей схемы:

I

Б2^БЭ

Для процессов образования агрегатов образующихся на поверхностях с кристаллографической ориентацией (111) и (100) запишем стадии синтеза агрегатов I2 и В3. Для агрегата В3:

I стадия

D <

1L

V

1L

k1LCD1

V

1L

II стадия l + D < V2B > B2

V2B __

III стадия B2 + Dl < УзБ > B3

V2B k2BCLiCDi

VOD LDC.

2 B

2 B^B.

V

3B

- k C C

k3BCLCB2

V

3B

k3BCB

^ 0

Для агрегата I2

D / V1L у Т

I стадия т т

/и

Т < *21 > I

II стадия Т1 т I 711

V2I

/ + D / V3/ у /

III стадия 11 ^ D1 ^"V ^1 2

V1L k1LCD

V2 I k2 /СЦ

V1L = k1LCL1

V.

k^ jCj

2/ 2i^I

r r = kCn C V3/ = k3ICr ^ 0

где У 5 У 5 кн, к~ - скорости и константы скоростей прямых и обратных реакций,

У ' У ' У ' У

соответственно.

Для процесса синтеза агрегата вВ обобщенная скорость ^^ связная со скоростями промежуточных стадий, будет описываться выражением:

3

V

k1L k 2 Bk3 BCD,

—»- —»-

— —

k2Bk3BCD ^ k1Lk3BCD1 ^ k1Lk2B

В случае образования агрегата /2 она будет равна:

———

V

2

1L'V 2 I#v 3/ Di

k1 Tkn Tk~l T C

12 2

——

4---4-

T k Г C П + k 1 Г k r C 7~> + k k

2I 3I D

1L 3I D

21

—

Записав отношение скоростей Ущ2 к У^2 , получим выражение, описывающее зависимость фактора скорости накопления ошибок роста (й< )на ступени:

k2Bk3B „ k2Ik3ICDX + k1Lk3ICD + k1Lk2I

2

Q _ 2B 3B

= r r

k0 T k7T k0 i?k i? C n ^ kM k i? C n ^ kM

"2I'V3I 2 B w 3B Dj '4L'W3B Dj '4L'W2B

—

Согласно полученному выражению (9), повышение концентрации хемосорбированных на террасе атомов (частиц) будет приводить к снижению степени кристалличности матрицы

синтезируемой пленки и наоборот, при снижении Сд Так как Сд может принимать значения в диапазоне:

1 > Сд1 > С™" ^ 0

то для предельного случая С д ' С д ' 0 выражение (9) можно упростить, записав его в виде:

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010. -\-

О _ К2BK3BK21 г" min

<~ ЛЛГ L°1

К 2 jK 3jK 2 B

или

Q< =kb • exp

r E л

C

D

k^ —

kT

Jr Jr Jr

IV О Z? »V -> D #V '

——

"2 35'v 21

Где k k k

Л2 3/Л 2 5

EQ< =

Основываясь на результатах экспериментов по синтезу пленок карбида кремния на подложках кремния (111) (стандартно разориентированных), было сделано

предположение, что EQ< < 0. Следовательно, при синтезе пленок на

разориентированных подложках повышение температуры всегда будет стимулировать образование кристаллического материала, так как фактор скорости накопления ошибок роста будет уменьшаться.

В случае использования разориентированных подложек возникновение ошибок в упаковке атомов может происходить как на ступенях, так и на террасах. Записав

v , v

отношение скоростей процессов к B3T, ведущих к образованию агрегатов

1

V3 и B3 в виде выражения:

— — <— <—

_ к1Е)к2укЪу £ к2¥к3¥СВ1 + к10к3¥С01 + к1Бк2¥

Е к1Ьк2Вк3В к2вк3ВС* + кЦк3ВС01 + к1Ьк2В

можно оценить влияние Св на механизм аморфизации синтезируемой матрицы пленки.

Согласно выражению (14) повышение Со в первую очередь будет увеличивать

скорости образования агрегатов на террасах. Следовательно, увеличивая угол разориентации, или иными словами уменьшая длину террас, при сохранении прочих равных условий синтеза, можно повысить степень кристалличности матрицы осаждаемого материала. Таким образом, для повышения степени кристалличности синтезируемого алмазоподобного материала при снижении температуры синтеза необходимо уменьшать

давление компонентов в газовой фазе определяющих величину Со и (или) увеличивать

угол разориентации подложки. На кристалличность структуры матрицы материала также влияет скорости расхода источников компонентов пленки и газа носителя. В случае использования дополнительной активации парогазовой смеси, увеличение ее объемов вводимых в реактор, работающий при фиксированном давлении, состав взаимодействующих с поверхностью частиц будет меняться. Причина изменения состава обусловлена кинетикой химических превращений происходящих в газовой фазе в процессе ее доставки к подложке. При использовании в качестве реагирующей смеси

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010.

А-

прекурсора ДДХС и газа-носителя водорода, более вероятно протекание следующих реакций:

^^ яа2+н2

(С11,)2Ж12 + Нг -р. 2СН, + БгНга}

снА + а

Рассмотрим распределение концентраций продуктов разложения (СИ3)281С12 (ДДХС) по длине реактора идеального вытеснения длиной I = 1000 мм диаметром ё = 100 мм с тепловой зоной длиной 300 мм. Тепловая зона реактора начинается с координаты 11 =350 мм и заканчивается координатой 12 =650 мм и имеет температуру Т = 1100°К. Вне тепловой зоны температура Т = 300°К. Начальные условия:

- в момент времени I = 0, С[(СИ3}$1С12] = 0.1 моль/л;

- в момент времени I = 0, С[Н2] = 0.9 моль/'л;

- в момент времени I = 0, концентрации всех остальных компонентов равны нулю.

На рисунке 1 представлены результаты по расчету зависимости концентраций продуктов разложения диметилдихлорсилана в водороде от длины реактора Ь, при

скоростях расхода водорода 7 и 21л/ час.

СНЗ

СНЗ

^5Ш2С12

81НС1

I,, мм

Рис. 1. Графики распределения продуктов разложения ДДХС по длине реактора

Как видно из рисунка 1 увеличение скорости расхода парогазовой смеси приводит к снижению концентрации радикалов в центральной зоне реактора (в зоне расположения подложки). Однако общее их количество растет. Данные результаты объясняют причину снижения динамики увеличения скорости роста толщины пленок карбида кремния, на стандартных подложках (111), при повышении скорости расхода парогазовой смеси.

Таким образом, для каждой ориентации подложки требуется свой строго определенный состав парогазовой смеси и тип источника компонентов пленки. В случае использования в качестве источников компонентов пленки ДДХС наибольшей кристалличностью будут обладать матрицы материала пленки, синтезированные на

0,07 г

разориентированных подложках (111), по сравнению с образцами, осажденными на гранях (100).

Библиографический список:

1. Зеленин, В. В. Некоторые аспекты газофазной эпитаксии карбида кремния. / В. В. Зеленин, М. Л. Корогодский, А. А. Лебедев // Физика и техника полупроводников.- 2001. -Т. 35. - Вып. 10. - С. 1169 - 1171.

2. Initial stage of 3C-SiC growth on Si(0 0 1)- 2 x l surface using monomethylsilane / Yuzuru Narita, Toshikazu Inubushi, Masayuki Harashima, Kanji Yasui, Tadashi Akahane // Applied Surface Science. -2003.-V. 216 -P. 575-579.

3. Teker, K. Selective epitaxial growth of 3C-SiC on patterned Si using hexamethyldisilane by APCVD / K. Teker // Journal of Crystal Growth. -2003.-V.257.-P.245-254.

4. Y. Ohshita, Low-temperature and selective growth of -SiC using the SiH2C12/C3H8/H2/HCl gas system / Y. Ohshita, A. Ishitani // Journal of Applied Physics. - 1989. - V. 66. № 4535.

5. Аморфные полупроводники и приборы на их основе. Пер. с англ. / Под ред. И. Хамакавы. - М.: Металлургия; 1986. - 376 с.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 годы и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы(2009-2010 годы)»

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010.

-\-

B.A. Bilalov, N.I. Kargin, G.D. Kardashova

Synthesis processing factors effects on microstructure and composition of silicon carbide film

The purpose of this work is to investigate synthesis processing factors effects on microstructure and composition of silicon carbide film which obtained by chemical gas-phase deposition.

Билалов Билал Аругович (р. 1953) Директор НИИ «Микроэлектроники и нанотехнологий», д.ф.-м.н. (2002). Окончил Дагестанский государственный университет (1975).

Область научных интересов: Технологии получения полупроводниковых материалов, микро- и наноэлектроника на основе полупроводниковых материалов. Количество публикаций: более 260.

Каргин Николай Иванович (р. 1956) Начальник управления развития перспективных исследований НИЯУ МИФИ, профессор, д.т.н. (1998). Окончил Московский государственный университет им. Н.П.Огарева (1979).

Область научных интересов: физические методы исследования материалов твердотельной электроники.

Количество публикаций: более 250.

Кардашова Гюльнара Дарвиновна (р. 1969) ведущий научный сотрудник НИИ «Микроэлектроники и нанотехнологий», к.ф.-м.н. (2004). Окончила Дагестанский государственный университет, 1991г.

Область научных интересов: новые технологии получения полупроводниковых материалов.

Количество публикаций: более 80.