Функциональный элемент полупроводникового прибора и способ его изготовления
FUNCTIONAL ELEMENT OF A SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Группа изобретений относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использована при создании функциональных элементов полупроводниковых приборов.
Для ряда применений в полупроводниковой технике могут быть использованы тонкие пленки, структуры, и элементы из карбида кремния на различных подложках. Среди них представляют интерес подложки из кремния ввиду доступности и низкой стоимости этого материала.
Известные способы получения пленок из карбида кремния на различных подложках можно условно разбить на три группы.
Способы первой группы используют физико-химические процессы, в которых и кремний, и углерод берутся из твердой фазы. При этом, как правило, они используются в чистом виде, т.е. кристаллический кремний и кристаллический углерод, и реакция между ними идет в твердой фазе. К этой группе относится способ по патенту RU 2286616, который включает следующие стадии: размещение кремниево-графитовой сборки, представляющей собой сжатые между собой пластины кремния и углерода в реакционной камере; нагрев сборки в реакционной камере до 1200-1400°С в вакууме (остаточное давление 10 Па); выдержку при указанной температуре в течение некоторого времени; охлаждение кремниево-графитовой сборки. Способ позволяет получить слой карбида кремния на поверхности кремниевой подложки. Основным недостатком способа является блочная структура пленки карбида кремния, причем различные блоки состоят из различных политипов SiC, а также большое количество дефектов, вызванное упругими напряжениями как на границе между карбидом кремния и кремнием, так и на границах между блоками карбида кремния, которые не согласованы друг с другом.
4
-2
Вторая, наиболее многочисленная группа способов, использует в качестве источника атомов кремния и углерода газовую фазу, причем и кремний, и углерод подаются в зону синтеза в виде химических соединений (гидриды, галогениды, хлориды, углеводородные соединения и др.). Так, в способе по патенту US 3386866, пленку SiC получают методом химического восстановления, при котором на подложке α-SiC (обычно 6H-SiC) осаждают продукт реакции CCl4 и SiCl4 в потоке водорода при нормальном давлении и Т=1700-1800 K. В способе по патенту US 3382113 на подложке α-SiC осаждают продукт реакции SiH с пропаном при давлении 10 мм рт.ст., при соотношении компонентов 1,2:1 и отсутствии водорода и других носителей.
4
3
8
2
Способ по патенту US 3520740 позволяет получить изделие с эпитаксиальными слоями α-SiC на подложке α-SiC с использованием конвективного нагрева графитового держателя подложки при нормальном давлении. Пленку осаждают из смеси газов SiH, СН и Н. В результате пиролиза в смеси газов образуются пары карбида кремния, конденсирующиеся на подложке. Удовлетворительное качество пленки реализуется в интервале температур 1700-1850°С. Недостатком указанных способов являются сложность технологии получения, а именно необходимость использования гидридов и галогенидов кремния (сложных с точки зрения экологии и безопасности реагентов), необходимость поддержания оптимального состава компонентов в газовой смеси, сложность реализации требуемых условий процесса в больших реакторах, где сказывается неравномерность концентрации реагентов по объему за счет выработки реагентов и выделения продуктов реакции.
2
2
Способы третьей группы позволяют получать на кремнии тонкие пленки SiC использующие комбинированный подход. В этих способах углерод доставляется в зону реакции через газовую фазу, а источником кремния является сама подложка, т.е. твердая фаза. Так, известен способ получения пленки карбида кремния на кремнии [Haq K.Е., Khan I.Н. Surface Characteristics and Electrical Conduction of β-SiC Films Formed by Chemical Conversion. Journal of Vacuum Science and Technology, (1970) 7 (4), 490-493. doi: 10.1116/1.1315373] при котором кремниевую подложку нагревают при температурах от 950°С в атмосфере СН, в результате чего на поверхности кремния образуется пленка SiC толщиной в десятки нм.
2
2
Известен способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности, предложенный в патенте RU 2363067, В примерах к патенту описано, что кремниевую подложку помещают в вакуумную печь реактора, откачивают воздух и подают оксид углерода СО или диоксид углерода СО до достижения давления в реакторе 40-100 Па, затем нагревают печь до температуры 950-1400°С. После выдержки при указанных условиях в течение 30-60 минут на поверхности подложки вырастает тонкая, 10-70 нм пленка SiC. Способ позволяет получать высококачественные низкодефектные эпитаксиальные пленки карбида кремния как гексагональных, так и кубического политипов на подложках из кремния. Описанный в патенте RU 2363067 способ основан на протекании термохимической гетерогенной реакции замещения между кремнием и газом СО (СО). Однако, описанный RU 2363067 способ принципиально не позволяет получать более толстые слои SiC.
Получение более толстого слоя SiC на кремнии описано в патенте RU 2684128 - Изделие с покрытием из карбида кремния и способ изготовления изделия с покрытием из карбида кремния. В этом патенте изделие, в частном случае функциональный объект полупроводникового прибора, содержит основу из материала, температура плавления которого превышает 950°С, например, сапфир, и двухслойное покрытие из карбида кремния на его поверхности. При этом двухслойное покрытие из карбида кремния состоит из нижнего слоя из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой, а расположенный на нем покрывающий слой из карбида кремния имеет моно- или поликристаллическую структуру. Описанное изделие является прототипом первого объекта настоящего изобретения - функционального элемента полупроводникового устройства.
Также в патенте RU 2684128 описан Способ изготовления этого изделия (в частном случае функционального элемента полупроводникового прибора), который характеризуется тем, что на первом этапе на поверхность подложки наносят слой-прекурсор из кремния, затем помещают изделие в вакуумную печь, после чего в вакуумную печь подают монооксид углерода, нагревают внутренний объем печи и обеспечивают формирование упомянутого покрытия протеканием термохимической гетерогенной реакции нанесенного кремния с монооксидом углерода. В описании к патенту отмечено, что давление в печи может варьироваться в интервале 20-600 Па, температура во внутреннем объеме печи 950-1410°С, время протекания термохимической гетерогенной реакция замещения между кремнием и газом СО составляет 8-60 мин. Описанный патенте RU 2684128 способ является прототипом для второго объекта изобретения, как наиболее близкий по технической сущности и протекающим процессам.
В описании к патенту RU 2684128 отмечено, что реакция взаимодействия СО с кремнием идет до глубин не более 250 нм, а затем прекращается, что обусловлено физическими процессами проникновения газа СО в кристаллическую решетку кремния.
В описании к патенту RU 2684128 слой SiC называется двухслойным покрытием. Действительно, по отношению к основе (сапфировая подложка) слой SiC является нанесенным сверху покрытием, т.к. формируется из нанесенного на основу слоя-прекурсора кремния. По своей сущности нанесенное покрытие является физико-химической модификацией структуры кремниевого слоя-прекурсора.
Ниже приведено пояснение сути модификации, протекающей за счет термохимической гетерогенной реакции нанесенного кремния с монооксидом углерода.
Процесс формирования покрытия SiC проходит через ряд промежуточных стадий. На первой стадии реакции молекула СО взаимодействует с Si, распадается на атом углерода и атом кислорода. Атом кислорода вступает в химическую реакцию с атомом Si, в результате которой образуется газ SiO. Газ SiO диффундирует через кристаллическую решетку к поверхности, и удаляется из системы вакуумным насосом. На месте удаленного атома кремния образуется вакансия. Вакансии такого типа, образующиеся в результате взаимодействия СО с кремнием, мы в дальнейшем будем называть вакансиями химической природы или "химическими" вакансиями. Освободившийся в результате химической реакции из молекулы СО активный (энергетически возбужденный) атом углерода не сразу занимает место, освободившееся после удаления SiO атома кремния, а встает в промежуточную междоузельную позицию, формируя так называемый дилатационный диполь, т.е. комплекс: «междоузлие С - «химическая» вакансия Si». На заключительной стадии междоузельные атомы углерода вследствие релаксации упругой энергии «схлопываются» с «химическими» кремниевыми вакансиями, образуя покрытие SiC.
Основным недостатком этого способа является физически ограниченная толщина получаемого покрытия SiC. Используя метод-прототип невозможно вырастить покрытие SiC толщиной более чем 150-250 нм. Это связанно с особенностями протекания химической реакции: газ СО - кристаллический кремний. По мере преобразования структуры поверхностных слоев кремния в карбид кремния, доступ газа реагента к фронту реакции в объеме кремния затрудняется, и при достижении критической толщины реакция останавливается. Это объясняется тем, что в процессе превращения Si в SiC расстояние между атомами в кристаллической ячейке, образовавшегося SiC меньше, чем в исходном Si. Соответственно в SiC меньше и диаметр межатомных расстояний, по которым проникает в газ СО и выводится газ SiO. Поэтому, по мере образования SiC скорость движения газов замедляется. В результате, газ СО не может проникнуть на большую глубину, а газ SiO перестает выводиться из системы и наступает химическое равновесие - реакция прекращается.
Если требуемая толщина слоя SiC превышает 250 нм, необходимо повторять процедуру нанесения слоев-прекурсоров (толщиной до 250 нм) на уже сформированные двухслойные покрытия SiC и последующую их модификацию в вакуумной печи в присутствии СО до достижения необходимой толщины слоистого покрытия. Это существенно усложняет технологию. Кроме того, многократное нанесение тонких слоев кремния (слоя-прекурсора) на уже сформированную поверхность SiC с целью увеличения общей толщины покрытия, приводит к ухудшению кристаллического совершенства итогового слоя, т.к. при гетерогенном зарождении Si на SiC из-за различий в параметрах решетки формируются дефекты и дислокации, а также возникают существенные упругие напряжения.
Однако, для некоторых приложений необходимо получать качественные структуры SiC существенно большей толщины.
Решаемая изобретением задача - расширение арсенала средств и создание функционального элемента полупроводникового прибора, имеющего подложку из кремния со слоем SiC на его поверхности. Достигаемый технический результат - увеличение толщины слоя SiC до 0,5-5 мкм и придание слою SiC особой структуры, что позволит расширить сферу применения функционального элемента.
Поставленная задача решается следующим образом.
Заявляемый функциональный элемент полупроводникового прибора представляет собой подложку из кремния со сформированной приповерхностной двухслойной карбидокремниевой структурой толщиной от 0,5 мкм до 5 мкм, верхний слой которой сформирован из карбида кремния и имеет моно- или поликристаллическую структуру, а лежащий под ним переходный слой имеет нанопористую структуру и сформирован также из карбида кремния. При этом на границе раздела между кремниевой подложкой и переходным слоем находится разуплотненный контакт за счет наличия уплощенных лакун, размер которых превышает размер пор в 2-3 раза.
2
2
Заявляемый способ позволят изготовить заявляемый функциональный элемент полупроводникового прибора. Способ характеризуется тем, что на первом этапе помещают подложку в вакуумную печь, осуществляют отжиг подложки при давлении <25 Па и температуре 1250-1400°С в течение 1-150 мин, сопровождающийся откачкой образующихся паров кремния из реакционной зоны, после чего в печь подают СО и/или СО, или их смесь при давлении порядка 20-800 Па и обеспечивают формирование упомянутой приповерхностной двухслойной карбидокремниевой структуры протеканием термохимической гетерогенной реакции кремния с СО и/или CO.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан функциональный элемент полупроводникового устройства и примеры реализации способа.
2
Предварительно следует сделать оговорку о том, что в результате осуществления заявляемого способа на поверхности кремния, не вступившего в реакцию («оставшегося») после термохимической гетерогенной реакции кремния подложки с СО и/или СО), формируется двухслойная карбидокремниевая структура. Эта структура не является покрытием в том смысле, как этот термин применяется в материаловедении (Покрытие в материаловедении - это нанесенный на объект относительно тонкий поверхностный слой из другого материала). Полученная карбидокремниевая структура, по сути, является «модифицированным» поверхностным слоем, сформированным непосредственно из кремния подложки, однако по отношению к оставшемуся (не вступившему в реакцию) кремнию эта структура выполняет роль покрытия. Поэтому для упрощения изложения сущности в дальнейшем двухслойную карбидокремниевую структуру будем называть покрытием.
Изобретение иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлены характеристики и свойства покрытия, полученного в вакуумной печи при температуре 1350°С и давлении СО 80 Па в течение 10 минут с предварительным отжигом в вакууме в при температуре 1350°С течение 30 минут.
Фиг. 1. SEM-изображение поперечного среза подложки Si со сформированным на нем покрытием.
Фиг. 2. Электронограмма на отражение, полученная на электронографе ЭМР-100 при ускоряющем напряжении 75 кВ, от поверхности образца SiC/Si.
Фиг. 3. Рентеновская дифрактограмма слоя SiC образца SiC/Si.
Фиг. 4. Рамановский спектр образца SiC/Si.
1
2
Фиг. 5. Действительная (ε) и мнимая части (ε) диэлектрической проницаемости эллипсометрических спектров как функции энергии фотонов от образца SiC/Si.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Подложку из кремния размещают в вакуумной печи и подвергают предварительному отжигу при температуре 1250-1400°С в течение 1-150 минут в условиях вакуума (при давлении порядка 20 Па и менее).
Благодаря предварительному отжигу в условиях поддержания вакуума приповерхностная область кремния насыщается точечными дефектами решетки кремния - «термическими» вакансиями (в отличие от «химических» вакансий, возникающих в процессе реакции СО и Si, упомянутых ранее при описании метода-прототипа). В кристаллах кремния образуется два типа «термических» вакансий. Одни «термические» вакансии - это вакансии по Шоттки. А другие - «термические» вакансии по Френкелю. Вакансии по Шоттки образуются вблизи поверхности кристалла кремния в результате выхода атома кремния на поверхность Si. Вакансии по Френкелю образуются в результате выхода атома из узла кристаллической решетки в межузельное пространство. Чем выше температура, тем выше концентрация как "термических" вакансий по Френкелю, так и "термических" вакансий по Шоттки.
2
После отжига в вакууме осуществляют формирование карбидокремниевой двухслойной структуры методом, аналогичным к методу-прототипу: а именно, подают в вакуумную печь газ СО, или СО или их смесь, поддерживают давление 20-800 Па и осуществляют выдержку кремниевого изделия в атмосфере этих газов при температуре 1250-1400°С.
2
Si
C
В процессе этого этапа в приповерхностной области подложки протекает та же химическая реакция, что и в прототипе, а именно - взаимодействие газа СО (или СО, или их смеси) с атомами кремния в кристаллической решетке изделия с образованием «химических» вакансий V и междоузельных атомов углерода в кремнии I.
В предлагаемом способе, в отличие от прототипа, на этапе образования «химических» вакансий при взаимодействии СО и Si, система уже содержит большое количество "термических" (неравновесных) вакансий, и является открытой, неравновесной. В области диффузионной зоны, т.е. в зоне, где повышена концентрация "термических" (неравновесных) вакансий, сильно ослаблены химические связи внутри кремния. Решетка кремния находится в неустойчивом состоянии. Газы легко проникают вглубь кремния. Процесс напоминает впитывание влаги, первоначально сжатой пористой губки. Благодаря созданию высокого вакуума в начале процесса, кремний все время испаряется с поверхности подложки кремния, а не оседает на ней и не «закрывает» образующиеся вакансионные каналы. Внутри кремния образуются пустотелые вертикально ориентированные цепочки, состоящие из вакансий. При испарении кремния образующиеся, да еще в состоянии вакуума, наличие вакансий приводит к упругому сжатию поверхностного слоя кремния, поскольку часть атомов кремния испарилась. Следует отметить, что поскольку вакансии изменяют объем кристалла, то им "выгоднее" образовываться согласованным образом, образуя вдоль поверхности кристалла линии или цепочки, состоящие из вакансий.
Без постоянной откачки насосом паров кремния подобный процесс невозможен.
2
2
На втором этапе, как только газ СО (или СО) подается в систему, он быстро насыщает упруго напряженный слой, точно так как выжатая губка впитывает влагу. Упругие напряжения релаксируют, но подготовленная отжигом структура кремния содержит проникший в нее газ и начинается химическая реакция, но в отличие от прототипа она начинается на большой глубине и начинается равномерно, по всему первоначально сжатому слою кремния. Именно слой этой толщины (0,5-5 мкм) и превращается в слой карбида кремния и сопровождается образованием на границе раздела разуплотненного контакта за счет формирования уплощенных лакун, размер которых превышает размер пор в 2-3 раза. Толщина слоя SiC будет зависеть от скорости испарения кремния, которая определятся температурой, степенью глубины вакуума, создаваемого насосом и времени реакции. При температурах ниже 1250°С поток испаряющего кремния будет не велик, следовательно, не велика будет и толщина слоя SiC. Если не откачивать насосом испаряющийся кремний, то он с поверхности будет быстро диффундировать обратно и вакансии будут «залечиваться». Система при этом придет в равновесное состояние, что и наблюдается в прототипе. В заявляемом способе при поступлении газа СО (СО), реакция происходит значительно легче и соответственно быстрее. Диффузионный слой превращается в двухслойную карбидокремниевую структуру, верхний слой которой имеет моно- или поликристаллическую структуру, а лежащий под ним переходный слой имеет нанопористую структуру. Кроме того, повышенная концентрация "термических" (неравновесных) вакансий, позволяет значительно ускорить и процесс вывода продуктов реакции (SiO), что ускоряет процесс химического превращения Si в SiC.
2
2
Двухслойная структура, верхний слой которой - сплошной слой SiC, а нижний разуплотненный, образуется за счет следующих процессов. Вакансии по Шоттки образуются согласованным образом вблизи поверхности, образуя вдоль поверхности кристалла линии или цепочки, состоящие из вакансий. Если происходит откачка насосом испаряющихся с поверхности кристалла атомов, то вглубь кристалла с поверхности все время будут диффундировать "термические" вакансии по Шоттки. При этом они будут диффундировать согласованным образом. Образовавшиеся на поверхности цепочки вакансий будут "погружаться" в глубь подложки. Это приведет к образованию пустотелых вертикально ориентированных каналов (цепочек вакансий). Именно по этим каналам и проникает газ СО в подложку. Чем выше температура предварительного отжига кремния и, чем дольше время отжига, тем толще слой кремния, насыщенный вакансиями и, тем выше плотность вакансий в этом слое кремния. Наличие вакансий приводит к уменьшению объема верхнего диффузионного слоя Si. В результате этот слой становится сжатым. Отметим, что если атомы с поверхности не будут удалятся насосом, то наоборот, кристалл будет разбухать, его объем будет увеличиваться. В этом кроется принципиальное различие между неравновесным и равновесным процессом образования вакансий по Шоттки. Диффузия вакансий по Шоттки будет происходит до глубины слоя кремния, на котором начинает преобладать образование дефектов по Френкелю. Вакансии по Френкелю образуются в результате выхода атома из решетки в межузельное пространство, поэтому они практически не приводят к изменению объема кристалла. На границе этих областей происходят следующие процессы. Поскольку любая система стремится к равновесию, то межузельный атом френкелевского дефекта переместится в верхнюю зону в вакансия, образовавшася по механизму Шоттки, будет двигаться к поверхности под действием градиента упругих напряжений, до тех пор, пока не испарится под откачивающим действием насоса. Сжатый слой кремния ее будет выталкивать наружу, вакансия будет вновь двигаться в противоположном направлении и вновь захватит следующий нижний атом. Этот процесс будет происходит до тех пор, пока скорость испарения атомов, которая определяется в том числе откачкой газов насосом, не сравняется со скоростью миграции атомов в поле градиента упругих напряжений. При определенной толщине упругого слоя они уравновешиваются и процесс прекращается. И, как было отмечено выше, этот процесс зависит от степени и скорости окачивания газов, и от температуры отжига. Когда диффузионная зона, т.е. совокупность цепочек, достигнет в процессе диффузии зоны, в которой образуются дефекты по Френкелю, межузельные атомы начинают «перепрыгивать» в эти вакансионные образования. Очевидно, что и миграция этих атомов будет совершаться согласованным образом, поскольку при этом общая упругая энергия уменьшается больше чем, если бы атомы перемещались по одиночке. Как только они попадают в вакансии, они начинают двигаться к поверхности. Это движение напоминает движение на лифте. При подаче газа СО (СО) он проникает в глубь верхнего слоя по "термическим" вакансиям, превращая окружающий кремний в SiC. Однако при этом, согласно реакции (1), один атом Si удаляется вместе с газом SiO. На месте этого атома образуется «химическая» вакансия. Эти вакансии будут образовываться уже не вдоль цепочек "термических" вакансий в сжатом слое (в этих направлениях атомы кремния отсутствуют, они уже испарились), а в направлениях, задаваемых формирующимся кристаллическим слоем SiC. Однако, как только газ достигает слоя, в котором сформированы "термические" вакансии по Френкелю, газ начинает «вытягивать» межузельные атомы кремния. При этом образуются еще одни вакансионные «каналы», расположенные случайным образом. Упругая деформация в этой части кристалла полностью релаксирует, а верхней упорядоченной части происходит сильное сжатие (усадка) всего верхнего слоя и его отделение от слоя, где вакансии генерируется по механизму Френкеля. При сжатии образуется верхний кристаллический слой. Большая часть находившихся в нем вакансий исчезает, часть из них вытесняется в глубь кремния дополнительно, образуя систему случайным образом ориентированных вакансионных каналов, которые превращаются под действием газов СО (СО) нанопористый слой, содержащий лакуны. Степень монокристалличности слоя зависит от первоначальной концентрации вакансий в верхнем слое кремния и степени его «разрыхленности». При температуре ниже 1250°С вакансий не достаточно для его образования, а при температуре чуть ниже 1400°С (при более высокой температуре кремний плавится) плотность вакансий очень велика и SiC образуется, достаточно «рыхлым», состоящим из множества отслаивающихся кристаллических пластин (чешуек).
Осуществление способа иллюстрируется следующим примером реализации.
Подложку из кремния ориентации <111> помещают в вакуумную печь, и откачивают воздух до давления ~5 Па. Внутренний объем печи нагревают в вакууме до температуры 1350°С. Выдерживают пластину при этих условиях в печи в течение 30 мин. Затем через внутренний объем печи прокачивают газ СО (возможна подача СО в смеси с инертным газом, реагентом остается СО) при давлении порядка 200 Па. После выдержки при указанных условиях в течение 10 минут газовую смесь откачивают, реактор охлаждают и подложку извлекают из печи. Наличие покрытия карбида кремния, сформированного на подложке кремния, фиксируют методами сканирующей электронной микроскопии, дифрактометрии, электронографии, эллипсометрии, а также рамановской спектроскопии.
Полученный в результате реализации способа функциональный элемент полупроводникового прибора представляет собой подложку 1, на поверхности которой сформировано покрытие 5 SiC  (Фиг. 1), состоящее из верхнего сплошного слоя 3 толщиной порядка 700 нм и переходного нанопористого слоя 2 толщиной ~5 мкм. Хорошо виден и разуплотненный контакт на границе раздела, который образован за счет наличия уплощенных лакун 4, размер которых превышает размер пор в 2-3 раза.
Электронографические измерения (Фиг. 2), подтверждают, что верхний слой является монокристаллическим. На графике хорошо видны яркие тяжи, свидетельствующие о высоком кристаллическом совершенстве верхнего сплошного слоя SiC образца SiC/Si.
Рентгеновская дифрактометрия (Фиг. 3) подтверждает, что верхний слой состоит из кубического политипа карбида кремния и наследует ориентацию подложки <111>. Из рисунка видно, что картины дифракции электронов, соответствующие дефектам структуры, отсутствуют. Спектр дифрактограммы содержит пики, отвечающие только направлению <111>, что говорит о том, что именно подложка Si(111) задает ориентацию кубическому политипу SiC-3С. Хорошо виден и пик (222) 3C-SiC, соответствующий второму порядку брэгговского отражения дифрактограммы, также свидетельствующий о высокой степени кристаллического совершенства слоя SiC.
Измерения рамановских спектров (Фиг. 4) также подтверждают наличие на подложке только карбида кремния кубического политипа (другие политипы отсутствуют).
1
2
Одним из ключевых отличий покрытия SiC, полученного по предлагаемому способу, от SiC, сформированному по методу-прототипу, является то, что он, вследствие описанных особенностей процесса содержит большое количество кремниевых вакансий. Это хорошо видно на Фиг. 5, на которой приведены действительная ε и мнимая части ε диэлектрической проницаемости, полученные при помощи эллипсометра J.A. Woollam VUV-WASE в диапазоне 0.7-6.5 eV. При энергиях фотонов <3,5 eV на Фиг. 5 видна область с аномальным поведением диэлектрической проницаемости. Она объясняется наличием кремниевых вакансий в SiC.
2
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет изготовить подложку из кремния со сформированной приповерхностной двухслойной карбидокремниевой структурой толщиной от 0,5 мкм до 5 мкм, верхний слой которой сформирован из карбида кремния и имеет моно- или поликристаллическую структуру, а лежащий под ним переходный слой имеет нанопористую структуру и сформирован также из карбида кремния. Полученное покрытие примерно в 7-10 раз больше по толщине, чем максимальная толщина покрытия, получаемого по способу-прототипу при тех же условиях протекания термохимической гетерогенной реакции кремния с СО и/или СО.
Для многих современных целей наличие избыточных кремниевых вакансий является ключевым моментом. Кремниевые вакансии в карбиде кремния, объединяясь с углеродом в карбиде кремния, могут привести к образованию особого рода кластеров, обладающих спиновым моментом. Это приводит к возможности создания спинового транзистора и других приборов для спинтроники.
Разуплотненный контакт позволяет снизить упругие напряжение, возникающие при формировании последующих слоев и гетероструктур вследствие разницы параметров решеток и коэффициентов термического расширения.
Наличие толстого нанопористого слоя приводит к уменьшению отражающей способности при применении заявляемой структуры для изготовления оптоэлектронных приборов. Однако наличие разуплотненного контакта за счет сформированных на границе раздела уплощенных лакун, значительно большего размера, чем поры, не только нивелирует этот недостаток, но и приводит к увеличению отражающей способности, поскольку увеличивается свободная от контакта SiC поверхность кремния, и поверхности кремния под лакунами служат рефлекторами.
Теплопроводность карбида кремния значительно выше, чем у кремния. Поэтому весь толстый слой карбида кремния будет хорошо отводить тепло, а лакуны на границе раздела изолируют SiC от кремния и препятствуют передаче тепла как кремнию от карбида кремния, так и карбиду кремния от кремния. В прототипе, осуществляется более полный контакт между слоями, не смотря на наличие пор. Таким образом, в патентуемом элементе отвод тепла будет производиться латерально, преимущественно через толстый слой карбида кремния, который значительно более устойчив к повышенным температурам. В то же время менее устойчивая к нагреву подложка из кремния не будет подвергаться существенному нагреву.
Приведенные в примере реализации режимы осуществления способа (температура, временные интервалы, давление) получены экспериментальным путем и могут варьироваться в определенных пределах. Так, например, давление в печи может варьироваться в интервале 10-800 Па, температура во внутреннем объеме печи 1250-1400°С время протекания реакции замещения 1-60 мин, время предварительной выдержки в вакууме 1-150 мин. Конкретные параметры зависят от времени предварительного отжига, температур отжига, расхода газа и наличия газа носителя.