Полевые и биполярные приборы на основе карбида кремния

2
Содержание
Введение................................................................6
Глава 1. Обзор основных технологических методов изготовления
приборов.................................................16
§1.1. Выращивание монокристаллов и тонких пленок.......................16
1.1.1. Выращивание объемных монокристаллов.......................16
1.1.2. Выращивание эпитаксиаэьных пленок.........................18
§ 1.2. Постростовые технологии...........................................25
1.2.1. Ионная имплантация примесей................................25
1.2.2. Термическое окисление поверхности..........................27
1.2.3. Сухое реактивно-ионное травление...........................28
1.2.4. Омические контакты.........................................30
1.2.5. Пассивация поверхности обработкой в водородной плазме 32
Глава 2. Полевые транзисторы со скрытым р'п-затвором.....................36
§2.1. Достоинства 5ІС для полевых транзисторов обедненного типа............36
2.1.1. Аналитическая модель транзистора, учитывающая насыщение дрейфовой скорости электронов в канале..............................36
2.1.2. Предельная поверхностная плотность и средняя скорость дрейфа электронов в канале 8ІС транзисторов.........................39
3
§ 2.2. Надпороговые вольтамиерные характеристики.......................46
2.2.1. Вольтамиерные характеристики длинноканальных транзисторов.....................................................50
2.2.2. Влияние температуры на проводимость канала................58
2.2.3. Высоковольтные транзисторы: короткоканальные эффекты 67
2.2.4. Стабилизация характеристик короткоканальных транзисторов обработкой поверхности в водородной плазме.................72
§ 2.3. Подпороговая проводимость транзисторов...........................76
2.3.1. Моделирование подпороговых вольтамперных характеристик_77
2.3.2. Анализ подпороговых характеристик 6Н-5ІС транзисторов......86
2.3.3. Влияние глубоких поверхностных состояний на подпороговую проводимость при повышенных температурах......91
§ 2.4. Низкочастотный шум, обусловленный поверхностными
состояниями......................................................96
2.4.1. Моделирование шума, обусловленного моноэнергетическими поверхностиыми состояниями.................................97
2.4.2. Анализ низкочастотного шума в 411-Я1С транзисторе при повышенных температурах: определение параметров
глубоких поверхностных состояний.................................104
Глава 3. МОП-диоды..........................................108
§3.1. Теория квазистатической емкости приповерхностной
4
области пространственного заряда в случае неполной ионизации легирующих примесей в нейтральном объеме полупроводника 108
§ 3.2. Зарядовые свойства МОП-структур при комнатной температуре 119
3.2.1. Структуры Al/Si02/n-6H-SiC(0001)C...............................123
3.2.2. Структуры Al/SiO2/n-6H-SiC(()0() 1 )Si..........................129
§ 3.3. Высокочастотные С-У характеристики МОП-структур при высоких температурах: определение параметров глубоких поверхностных состояний..............................................137
§ 3.4. Высота энергетического барьера в контакте металл / естественный окисел / БіС: моделирование и сравнение с экспериментальными данными..............................................................141
Глава 4. МОП-транзисторы обедненно-обогащенного типа...............151
§ 4.1. Надпороговые характеристики транзисторов..........................155
4.1.1. Вольтамперные характеристики транзисторов в режиме обеднения канала..................................................155
4.1.2. Неравновесный эффект поля в режиме аккумуляции, обусловленный глубокими поверхностными состояниями................157
§ 4.2. Релаксация неравновесной проводимости канала.....................164
4.2.1. Моделирование..............................................164
5
4.2.2. Анализ релаксации неравновесной проводимости
канала в 6H-SiC МОП-транзисторе при повышенных температурах:
определение параметров глубоких поверхностных состояний...........170
§ 4.3. О природе глубоких поверхностных состояний на реальной
и окисленной поверхности БЮ........................................174
Глава 5. Инжекционные приборы...............................178
§5.1. Переходные характеристики диодов...................................179
§ 5.2. Вольтамперныс характеристики диодов при низких
плотностях тока....................................................186
§ 5.3. Импульсные прямые вольтамперные характеристики диодов
при высоких уровнях инжекции.......................................192
§ 5.4. О "проблеме времени жизни" в 4Н-БІС р*п0п-диодах..................197
§ 5.5. Характеристики выключения тиристоров..............................201
5.5.1. Выключение тиристоров импульсным обратным током управляющего перехода.......................................202
5.5.2. Выключение тиристоров импульсной закороткой управляющего перехода..............................................206
§ 5.6. Биполярные транзисторы: зависимость статического
коэффициента усиления от тока коллектора...........................210
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные результаты и выводы......................224
Список литературы.............................................237
6
Введение
Актуальность работы. Карбид кремния (81С) - единственное бинарное соединение кремния и углерода, существующее в твердой фазе. 51С кристаллизуется в виде большого числа отличающихся по свойствам политипных модификаций, которые можно рассматривать как целый класс полупроводниковых материалов. Химическое соединение кремния и углерода в решетке ЯЮ характеризуется сильной ионно-ковалентной связью, которая придает ему уникальные свойства. Так, но твердости Я1С уступает лишь алмазу и карбиду бора; при температурах до 300 -400°С он практически не взаимодействует ни с одним из известных для других полупроводниковых материалов химических травителей. Сильная связь является причиной низких коэффициентов диффузии большинства примесей и повышенной устойчивости к воздействию ионизирующих излучений. обладает высокой растворимостью донорных и акцепторных примесей (до Ю20 - Ю2: см '), высокой стехиометрической однородностью и способностью к окислению с образованием на поверхности диэлектрической пленки двуокиси кремния.
Как полупроводник, карбид кремния обладает уникальным сочетанием свойств: большой шириной запрещенной зоны (от 2.4 эВ до 3.3 эВ для разных политипов), высокой температурой Дебая (1300 К), высокой теплопроводностью (3 -5 Вт/см-град), большой напряженностью поля лавинного пробоя ((3 -6) МВ/см) и высокой насыщенной скоростью дрейфа электронов ((2 - 2.5)х 107 см/с).
Применение карбида кремния в полупроводниковой электронике может значительно расширить как сферы ее применения, гак и ее функциональные возможности. Так, большая ширина запрещенной зоны, высокая температура Дебая и большая собственная теплопроводность допускают надежную работу БЮ
7
приборов при температурах до 500 - 600°С. Высокотемпературные приборы, способные работать в неблагоприятной окружающей обстановке, необходимы для ядерной энергетики, авиационной и космической техники, автотранспорта, нефтехимии, геохимии и геофизики, техники контроля и восстановления окружающей среды. Большая напряженность поля лавинного пробоя Б1С, высокая насыщенная скорость дрейфа электронов и высокая теплопроводность делают карбид кремния уникальным материалом для создания мощных высокочастотных приборов. Такие приборы необходимы для авиационных радаров, в технике связи, для мощных электропреобразователей, работающих в составе различных энергетических комплексов. Оценки показывают, что применение карбида кремния может существенно продвинуть прогресс импульсной электронной техники в направлении увеличения удельной коммутируемой мощности в наносекундном и пикосекундном диапазонах, а также повысить тактовую частоту генерируемых импульсов при уменьшении массогабаритных показателей импульсных устройств.
Таким образом, перечисленные свойства Б1С открывают перспективу создания новой элементной базы высокотемпературной и радиационно-стойкой электроники, мощной и СВЧ электроники. Исходя из сказанного очевидно, что реализация приборов полупроводниковой электроники на основе БЮ и всестороннее изучение происходящих в них электронных процессов представляет собой важную и актуальную задачу.
До середины 80-х годов работы но карбиду кремния имели, главным образом, матсриаловедческий характер (за исключением работ по светодиодной тематике). Российские ученые к этому времени накопили большой опыт в технологии выращивания монокристалл ичсского карбида кремния. Так, впервые рост монокристаллов карбида кремния в СССР был описан еще в работах Леммлейна [1].
8
С теоретической точки зрения кристаллическая структура карбида кремния была рассмотрена Ждановым [2], который предложил свою классификацию ЭЮ политипов - символы Жданова. Теория роста монокристаллов БКЗ из газовой фазы разрабатывалась Черновым [3]. Гигантский толчок к развитию промышленной базы БЮ дали работы Водакова с сотрудниками [4] по эпитаксиальному выращиванию пленок БЮ сублимационным "сэндвич"-методом и работы Таирова с сотрудниками [5] по выращиванию объемных монокристаллов карбида кремния на затравке. Этому способствовали также работы [6] по созданию и исследованию ряда классических диодных структур на основе вЮ.
Несмотря на технологические трудности, которые обусловлены термостабильностью, механической прочностью и химической инертностью 81С, к началу 90-х годов в технологии карбида кремния был достигнут своего рода прорыв, который до настоящего времени обеспечивает ее устойчивый прогресс.
Главной целью работы было изготовление и исследование активных приборов на основе 51С, а именно полевых и биполярных транзисторов. К началу работы по теме диссертации таких приборов в мире создано еще не было, поэтому реальных представлений о физике работы активных 8Ю приборов не существовало.
Представленные научные результаты синтезируют разработку' технологии, моделирование и экспериментальные исследования электронных процессов в приборах.
Объекты исследования. Н диссертации рассматриваются следующие структуры и приборы:
• МОП-диоды и структуры металл - полупроводник;
• полевые транзисторы со скрытым р’п-иереходом в качестве затвора;
• полевые п-МОП-транзисторы обедненно-обогащенного типа;
9
• выпрямительные р'ПуП+-ДИОДЫ с двойной инжекцией;
• выключаемые тиристоры со структурой р‘ пр„р’п*;
• биполярные транзисторы со структурой п'рп<>-
В ходе работы решались следующие основные задачи:
1. Анализ потенциальных достоинств полевых транзисторов на основе 8Ю.
2. Изготовление и экспериментальные исследования ЙЮ полевых транзисторов с управляющим р'п-переходом: анализ надпороговых характеристик в широком интервале температур; моделирование и анализ подпороговых характеристик; исследование влияния поверхностного заряда на вольтамперные характеристики приборов и низкочастотный шум.
3. Теоретический анализ экранирования внешнего электрического поля в исследование влияния неполной ионизации легирующих примесей.
4. Изготовление и экспериментальные исследования вЮ МОП-структур: спектроскопия поверхностных состояний; разработка модели для расчета поверхностного изгиба зон в структурах металл - полупроводник, изготовленных на "реальной” поверхности $Ю.
5. Изготовление и экспериментальные исследования 8Ю МОП-транзисторов обедненно-обогащенного типа: анализ надпороговых характеристик; моделирование и анализ неравновесного эффекта поля, обусловленного перезарядкой интерфейсных электронных ловушек.
6. Экспериментальные исследования статических и переходных характеристик высоковольтных БЮ диодов и тиристоров в широком диапазоне температур: определение рекомбинационных параметров неравновесных носителей заряда в слаболегированном п- и р-типа проводимости.
10
7. Экспериментальные исследования биполярных 5ІС транзисторов: анализ факторов, ограничивающих коэффициент усиления транзисторов в широком диапазоне изменения плотности тока коллектора.
Научная новизна работы определяется, прежде всего, теми новыми результатами, которые выносятся на защиту в качестве научных положений. В целом, в результате работы были сформированы основные представления о физике униполярных и биполярных приборов на основе ЯіС. Кроме того, в ходе выполнения работы было проведено обобщение известной теории поверхностной емкости полупроводника на случай неполной ионизации легирующих примесей в электронейтральном объеме, разработана модель подпороговой проводимости полевых транзисторов со скрытым р+п-персходом, разработана методика спектроскопии поверхностных состояний на основе анализа низкочастотного токового шума в тонких пленках полупроводников, модифицированы известные методики определения параметров поверхностных состояний на основе анализа входной комплексной проводимости МОП-структур и неравновесного эффекта ноля в МОП-транзисторах обедненно-обогащенного типа, разработана новая модель для расчета приповерхностного изгиба зон в структурах металл - полупроводник с однородным распределением ловушек в промежуточном диэлектрическом слое.
Практическая значимость. По результатам работы сделан ряд важных практических выводов, которые могут быть полезны при конструировании приборов на основе БіС. Среди них можно выделить следующие:
- 4Н-5ІС СВЧ транзисторы с длиной канала порядка 1 мкм могут превосходить по выходной мощности транзисторы на основе арсенида галлия; однако, это преимущество может быть достигнуто только за счет увеличения и входной мощности тоже;
11
- характеристики БІС полевых транзисторов со скрытым р п-переходом могут быть стабилизированы путем обработки поверхности канапа в газоразрядной водородной плазме;
- для снижения плотности состояний на интерфейсе $ІОз - 5ІС могут быть заимствованы методы, разработанные с этой целью в кремниевой технологии;
- в высоковольтных ЯіС р‘п0гҐ-диодах возможно обеспечить сочетание небольших прямых падений напряжения (за счет модуляции базы инжектированными носителями) и очень быстрого восстановления блокирующей способности диодов после их переключения е прямого направления на обратное (за счет малого времени жизни носителей в тонком слое По-базы, прилегающей к р+-инжектору);
- в высоковольтных биполярных 8ІС транзисторах с базой р-типа из-за сильного оттеснения тока к краю эмиттера необходимо использовать достаточно разветвленный эмиттер, что, в свою очередь, требует специальных мер для снижения скорости поверхностной рекомбинации.
Выносимыс на зашиту научные положения:
Положение 1. Благодаря высокому критическому полю лавинного пробоя карбида кремния, в 4ІІ-БіС полевых транзисторах обедненного типа поверхностная плотность электронов в проводящем канале может составлять более 1013 см'2, а средняя скорость дрейфа электронов может быть приближена, несмотря на относительно небольшую их подвижность, к насыщенной скорости дрейфа 2x107 см/с. Как следствие, 4Н-ЯіС СВЧ транзисторы могут превосходить аналогичные транзисторы на основе ваАз по величине выходной мощности.
Положение 2. Надпороговые вольтамперные характеристики длинноканальных 6Н-и 4Н-$Ю полевых транзисторов со скрытым р'п-затвором соответствуют модели Шокли. Температурная зависимость крутизны таких транзисторов в диапазоне 160 -700 К определяется четырьмя составляющими: 1) увеличением концентрации свободных электронов в канале за счет термоионизации относительно глубоких легирующих примесей, 2) уменьшением дрейфовой подвижности электронов при их фононном рассеянии, 3) уменьшением высоты диффузионной разности потенциалов р'п-перехода и 4) уменьшением толщины приповерхностной области пространственного заряда.
Положение 3. Подпороговая проводимость бН^С транзисторов со скрытым р’п-затвором обусловлена диффузией тепловых носителей в обедненной области канала. При этом величина нодпорогового тока задается 1) скоростью диффузии, го есть отношением коэффициента диффузии носителей к их диффузионной длине, и 2) интегральной концентрацией носителей в обедненной области канала, которая регулируется напряжением на р'п-затворе. При повышенных температурах эффективность контроля концентрации носителей со стороны р+п-затвора снижается из-за экранирующего влияния глубоких поверхностных состояний.
Положение 4. В 51С как полупроводнике с относительно глубокими легирующими примесями имеет место "двойной" эффект экранирования внешнего электрического поля: проникновение гюля в полупроводник вызывает, помимо пространственного разделения частично ионизированных примесных атомов и основных носителей, еще и дополнительную ионизацию примесей. При этом в том случае, когда уровень Ферми в нейтральном объеме отстоит от энергетического уровня примесей (ближе к
13
разрешенной зоне) более, чем на несколько единиц к'Т, поверхностная емкость в окрестности плоских зон возрастает как при обогащении, так и при обеднении приповерхностной области основными носителями.
Положение 5. При термическом окислении бН-БЮ минимальной плотностью интерфейсных электронных состояний характеризуется полярная ’’кремниевая” грань кристаллов. При этом интегральная плотность быстрых состояний и заряд, фиксированный в окисле, могут составлять величины порядка 10" см'2.
Распределение плотности быстрых состояний по энергиям характеризуется экспоненциальным спадом плотности от разрешенной зоны к середине запрещенной зоны.
Положение 6. Па интерфейсе п-БЮ с собственным окислом БЮг присутствуют глубокие ловушки, распределенные по энергиям в виде Гауссовского пика е максимумом на 0.3 еУ выше середины запрещенной зоны. Интегральная плотность
17 7
этих ловушек составляет порядка 10 см" , а сечение захвага электронов - порядка 10'и см2. Выявленные ловушки аналогичны по своей природе Рь-центрам на интерфейсе ЯЮ: - .81 и представляют собой "дефекты окисления" - оборванные кремниевые связи.
Положение 7. Дефекты окисления задают величину поверхностного изгиба зон в структурах металл - полупроводник, сформированных на поверхности вЮ с тонким естественным окислом. При повышенных температурах эти же состояния ответственны 1) за низкочастотный генерационно-рекомбинационный шум в тонких
14
пленках SiC, 2) за неравновесный эффект поля в МОП-транзисторах обедненно-обогаїцснного типа.
Положение 8. Время жизни неравновесных носителей заряда в 4H-SÎC как n-, так и p-типа проводимости с уровнем легирования 1014 - 1015 см'3 контролируется одними и темн же рекомбинационными центрами и может достигать нескольких десятых долей микросекунды при комнатной температуре, увеличиваясь до нескольких микросекунд при температурах 500 - 600 К. Мри этом время восстановления блокирующей способности высоковольтных 41 І-SiC инжекционных диодов со структурой р п0п может составлять порядка 10 не за счет пониженного времени жизни дырок в тонком слое п0-базы, прилегающей к р+-инжектору.
Положение 9. Коэффициент усиления высоковольтных 4H-SiC биполярных транзисторов со структурой п’рпо при низких плотностях тока ограничивается, в основном, рекомбинацией носителей в области пространственного заряда эмитгерного перехода. При высоких плотностях тока коэффициент усиления падает из-за поверхностной рекомбинации, которая в транзисторах с базой р-типа существенно усиливается вследствие сильного оттеснения тока к краю эмиттера.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на следующих конференциях: на 176-ом симпозиуме Электрохимического общества (Hollywood, Fla, 1989), на 3-ем Республиканском научно-техническом семинаре "Вакуумные микроэлектронные устройства для экстремальных условий эксплуатации" (Минск, 1989), на 1-ой Всесоюзной конференции но физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), на осеннем симпозиуме EMRS-93 (Симпозиум D:
15
материалы для экстремальных условий эксплуатации, С.-Петербург, 1993), на трех Международных конференциях по высокотемпературной электронике (HiTEC: Albuquerque, NM, 1991; Charlotte, NC, 1994; Albuquerque, NM, 1996), на четырех Международных конференциях по карбиду кремния и родственным материалам (ICSCRM: Washington DC, 1993; Kyoto, Japan, 1995, Stockholm, Sweden, 1997; Reasearch Triangle Park, NC, 1999), на двух Европейских конференциях по карбиду кремния и родственным материалам (ECSCRM: Montpellier, France, 1998; Klaster Banz, Germany, 2000), на осеннем симпозиуме MRS-2000 (Boston, MA, 2000).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 40 печатных работах, список которых приведен в Заключении.
16
Глава 1. Обзор основных технологических методов изготовления приборов
§ 1.1. Выращивание монокристаллов и тонких пленок
1.1.1. Выращивание объемных монокристаллов
Рост из паровой фазы - главный и, по сути, единственный метод выращивания монокристаллов карбида кремния достаточно больших размеров. Идея данного метода очень проста и основана на транспорте паров материала от сублимирующего горячего источника, поддерживаемого при температуре 2300 - 2400°С, в болсс холодную зону. Сублимационный процесс, разработанный Лели [7], в свое время дал толчок к развитию электроники на момокристаллическо.м карбиде кремния [8]. При этом надо отметить, что структурное совершенство Лсли-кристаллов вплоть до настоящего времени остается непревзойденным, а их широкое применение ограничивается лишь относительно небольшими размерами кристаллов (в среднем 5x8 мм2).
Выращивание кристаллов ЯКЗ из паровой фазы методом Лели обладает недостатками, главный из которых - это неуправляемое зародышеобразование. Новый подход к сублимационному процессу был продемонстрирован в работе (9], где неконтролируемые условия роста были исключены. Выл разработан гак называемый "сэндвич"-метод сублимационной эпитаксии, в котором собственный пар карбида кремния переносится от источника к монокристаллической подложке через узкий зазор между ними, что обеспечивает рост материала в условиях, близких к равновесным. Разработка "сэндвич"-метода инициировала широкие исследования сублимационного роста карбида кремния, что позволило понять главные закономерности этою процесса [10]. 13 частности, были изучены фазовые равновесия
17
в системах БЮ-С и БЮ-Яц кинетика массопереноса продуктов испарения и кинетика кристаллизации, легирование в процессе роста и трансформация политипов.
Понимание основных закономерностей сублимационного роста вызвало к жизни новый подход к росту объемных монокристаллов больших размеров. Первые успешные результаты в этом направлении были продемонстрированы в работах [II, 12]. Для роста монокристаллов были предложены: 1) классическая схема
конденсации пересыщенного пара на затравку (для управления процессом зарождения), 2) ограничение скорости роста на начальном этапе кристаллизации путем проведения этой стадии в атмосфере аргона (для подавления зарождения поликристалла) и 3) откачка аргона из камеры вплоть до вакуума (для постепенного увеличения скорости роста до нескольких миллиметров в час). В качестве затравок использовались Лели-кристаллы, а в качестве источника - поликристаллический карбид кремния, синтезируемый из кремния и углерода. С целью увеличения производительности данного процесса (называемого иногда модифицированным сублимационным методом) были проведены исследования кинетики массопереноса продуктов испарения исходной шихты и было установлено, что скорость роста слитков зависит не только от скорости испарения самой шихты, но и от дополнительного насыщения паровой фазы кремний- и углеродсодержащими компонентами за счет взаимодействия паров кремния (имеющего избыточное давление над карбидом кремния) со стенками графитовой арматуры [13]. Кроме того, было показано, что измельчение источника способствует механохимической активации диссоциативного испарения карбида кремния и тоже влияет на скорость роста кристаллов [14]. Наконец, были установлены зависимости скорости роста слитков от температуры и осевого 1радиента температуры, а также от давления инертного газа в рабочем объеме [15]. Базируясь на этой технологии, многие фирмы
18
в мире приступили к созданию промышленной основы для роста объемных SiC кристаллов. С использованием улучшенных конструкционных материалов, кварцевых реакторов с охлаждаемыми стенками, систем низкочастотного индукционного нагрева и точного контроля температурных полей были выращены кристаллы до 60 мм в диаметре [16]. Плотность линейных дефектов (дислокаций) в этих кристаллах составляет 10^ - I04 см'2 (для сравнения: плотность дислокаций в Лели-кристаллах не превышает 102 см'2 [17]). Помимо дислокации, в кристаллах, выращиваемых модифицированным сублимационным методом, обнаруживаются микропоры, ориентированные вдоль направления роста кристалла и имеющие диаметр до нескольких микрометров. Плотность дефектов этого типа находится в пределах 10 - 100 см'2. При этом надо заметить, что в Лели-кристаллах, выращиваемых спонтанным образом, этот тип дефектов практически отсутствует.
В настоящее время коммерческим лидером в производстве кристаллов карбида кремния является фирма Cree Inc. Сублимационный процесс роста кристаллов на этой фирме улучшен за счет нескольких специальных приемов 118]. Во-первых, в качестве шихты применяется порошок SiC определенного политипа и дисперсности; во-вторых, используемые для роста кристаллов подложки разориентируются относительно сингулярной плоскости на несколько градусов, в-третьих, во время роста в зону сублимации постоянно подается свежий источник путем его механической транспортировки.
1.1.2. Выращивание эпитаксиальных пленок
В технологии тонких пленок карбида кремния применяют практически все классические методы эпитаксии: рост из паровой фазы (сублимационная эпитаксия),
19
рост из жидкой фазы (жидкофазная эпитаксия из раствора углерода в расплаве кремния), рост из газовой фазы (С\В эпитаксия).
Сублимационная эпитаксия. Сублимационная эпитаксия основана на кристаллизации материала из собственного пара. В равновесии 51С с собственным паром давление одной из компонент пара определяет давление всех остальных (при заданной температуре система, состоящая из двух компонент (кремний и углерод) и из двух фаз (пар - твердое), имеет одну степень свободы). Собственный пар БЮ состоит из атомов и молекул и $\2С. Наибольшую упругость имеет пар кремния, давление которого может, в принципе, изменяться от некоторого давления р\, соответствующего графитизации 8Ю (равновесие 81С-С), до давления соответствующего конденсации кремния (равновесие БЮ-БО. В интервале этих давлений возможно гомогенное осаждение карбида кремния. Как показали расчеты, этот интервал довольно широкий: отношение давлений р\$м/р] может изменяться от 50 при 1600°С до 11 при 1900°С.
В сублимационной эпитаксии одной из основных проблем является поддержание квазиравновесного состава пара над растущей пленкой. Поскольку собственный пар карбида кремния сильно обогащен кремнием, нагрев карбида кремния в незамкнутой системе приводит к графитизации его поверхности. Если в холе выращивания это происходит с подложкой, то дальнейший рост на ней становится невозможным. Поэтому должны предприниматься специальные меры к тому, чтобы предотвратить потери паров кремния из ростовой ячейки. "Сэндвич"-вариант сублимационной эпитаксии [9] разрешил эту проблему тем, что источник и подложка отделены друг от друга лишь небольшим (около I мм) зазором. В такой квазизамкнутой системе состав мара достаточно близок к равновесному. Кроме того, были разработаны дополнительные способы поддержания давления паров кремния в
ростовой ячейке. Один из способов - это размещение в горячей зоне дополнительного источника паров. Для тех случаев, когда рост производится при относительно низких температурах и потери кремния из ростовой ячейки особенно критичны, было предложено вводить в систему источник, специально обобщенный кремнием (спек кремния и углерода, получаемый отжигом в вакууме их смеси в определенном соотношении [19]), или же просто элементарный кремний. Противоположный рассмотренным способ поддержания равновесия - это гетгерирование углеродсодержащих компонент в паровой фазе, которая обеднена кремнием. Известно, что некоторые тугоплавкие металлы при высоких температурах образуют при взаимодействии с углеродом очень устойчивые карбиды. Применяя арматуру из таких металлов, удается частично генерировать углеродсодержащие компоненты пара и увеличить, таким образом, относительное содержание кремния. Весьма хорошие результаты в этом направлении были получены с применением арматуры из тантала [20]. Тантал достаточно интенсивно захватывает углерод, поддерживая равновесие, и, кроме того, обеспечивает более чистые, чем графит, условия роста. Последнее обстоятельство позволило вырастить слои с
пониженным, но сравнению с графитовой арматурой, содержанием азота и бора, которые в карбиде кремния являются одними из основных донорных и акцепторных примесей. И наконец, состав паровой фазы может быть достаточно эффективно изменен путем введения примесей. В присутствии примесей появляется дополнительная степень свободы - ее давление в паре. Поэтому, изменяя давление примесей в паре, возможно управлять и общим соотношением 8кС во внешней фазе.
Современные варианты сублимационного "сэндвич"-метода предусматривают минимум графитовой оснастки и ее частичную или полную замену на танталовую, безмасляный высокий вакуум, высокочастотный нагрев с возможностью изменения
знака температурного градиента в зоне роста. Последнее дало возможность проводить глубокое сублимационное травление подложки перед эпитаксией, что значительно повысило качество выращиваемых слоев.
Жидкофазная эпитаксия. Карбид кремния при атмосферном давлении не имеет собственного расплава, однако он растворяется в расплаве кремния при температурах свыше 1500°С. Это было использовано для разработки жидкофазной эпитаксии слоев 5Ю, которая не отличается, в принципе, от жидкофазной эпитаксии соединений А3В5. Однако, небольшая растворимость С в 81, значительное давление и высокая химическая активность паров кремния затрудняли использование традиционных методов жидкофазной эпитаксии. Это касалось выбора тигля для расплавленного кремния, способов загрузки кристаллов 8Ю в расплав и их удаления из расплава, а также того, что графитовые тигли могли использоваться лишь однократно. Оригинальный способ решения этих проблем был предложен в работах [21, 22]. Графитовая арматура была полностью исключена за счет удержания расплава кремния в "подвешенном" состоянии в высокочастотном электромагнитном поле. Отсутствие тигля как такового способствовало уменьшению концентрации загрязнений из конструкционных материалов, которые активно реагируют с расплавленным кремнием. Эпитаксиальное выращивание можно было проводить двумя способами. Первый способ - это рост в температурном поле, то есть в изотермических условиях (кристаллы-источники размещаются в горячей зоне, а подложка - в холодной). Такой способ давал возможность воспроизводимо выращивать пленки толщиной около 0.5 мкм. Другой способ - это принудительное охлаждение раствора-расплава (неизотермические условия), достоинством которого является возможность изменения условий кристаллизации во время процесса путем регулирования скорости охлаждения расплава. Толщину выращиваемых пленок
22
можно было варьировать в пределах 1 - 100 мкм за счет изменения как начальной температуры процесса, так и температурного интервала охлаждения.
Результаты исследований структуры пленок, выращенных бескоитсйнсрной жидкостной эпитаксией, приведены в работе [21]. воспроизводство политипа подложки наблюдалось приблизительно в 80% случаев, а основным чужеродным политином был, как правило, кубический карбид кремния. Измерение рассогласования параметров решеток пленок и подложек показало, что для пленок, легированных алюминием, относительное рассогласование находится в пределах (8 -10)х10\ При этом величина рассогласования возрастала с увеличением концентрации алюминия и зависела от ориентации подложки, что объясняется анизотропией захвата примесей на полярных гранях карбида кремния. Специально нелегированные пленки также имели параметр решетки, несколько отличающийся от параметра решетки подложки: относительное рассогласование достигало 3x10'\ Данное рассогласование было объяснено разной концентрацией собственных вакансий, с учетом того, что температура жидкостной эпитаксии почти на 1000°С ниже температуры, при которой обычно выращиваются Лели-кристаллы (около 2500°С). Данные рентгеновских топографических исследований показали, что в наиболее совершенных образцах как п-, так и р-типа проводимости плотность дислокаций не превышает 102 см'2.
Газофазная эпитаксия. Хорошо известный в кремниевой технологии процесс осаждения пленок из газовой фазы (chemical vapor deposition - CVD) в настоящее время стал главным в эпитаксиальной технологии SiC [23]. В самых общих чертах CVD эпитаксия карбида кремния не отличается от кремниевой: кроме силана, в водородный поток добавляют углеродсодержащий газ, например пропан, а процесс разложения такой газовой смеси на подложку проводят при более высоких