Способ эпитаксиального выращивания монокристаллических слоев кубического s @ с

 

Изобретение относится к области полупроводниковой технологии, в частности к области выращивания эпитаксиальных слоев карбида кремния, и может быть, использовано в высокотемпературной электронике, в том числе для создания высокотемпературных интегральных схем. Цель изобретения - упрощение процесса (отсутствие буферного слоя и использование стандартного оборудования для получения эпитаксиальных слоев кремния). В атмосфере водорода при атмосферном давлении нагревают Si-подложки, проводят очистку их поверхности. Затем выращивают слои кубического SiC при 1050-1250°С из моносилана и трихлорэтилена, при этом Si/C = 1. Для выращивания слоев SiC используют стандартное оборудование с кварцевой оснасткой для получения эпитаксиальных слоев кремния. Между Si-подложкой и монокристаллическим слоем SiC отсутствует промежуточный буферный слой.(Лс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>s С 30 В 25/02,29/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Л

С 4

О

О (21) 4669334/26 (22) 30.03.89 (46) 07.02.92. Бюл. М 5 (71) Физико-технический институт им, А.Ф.Иоффе (72) И.M.Áàðàíoâ, Н,А.Белов, В,А.Дмитриев, Т, С. Кондратьева, В, Е.Чел н око в, В, Ф. Шаталов и P.Н.Эрлих (53) 621.315,592(088.8) (56) Liaw P., Davis R,F., — Epitaxial growth and

characterizatin of P— - Sic thin film, — J.Electro

- chem., 1985, v,132, N 12; р.642-648. (54) СПОСОБ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

СЛОЕВ КУБИЧЕСКОГО SiC (57) Изобретение относится к области полупроводниковой технологии, в частности к области выращивания эпитаксиальных слоИзобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к области выращивания эпитаксиальных слоев карбида кремния.

Эпитаксиальные слои карбида кремния на подложках кремния необходимы для высокотемпературной электроники, в том числе для создания высокотемпературных интегральных схем.

Известен способ выращивания монокристаллических слоев кубического карбида кремния, Выращивание слоя SiC проводили из газовой фазы следующего состава Н2 — SiH< — СзН8, Выращивание слоев

SiC включало нагрев Si-подложки в атмосфере водорода при атмосферном давлении и последующем выращивании на ней слоя 42„» 1710604 Al ев карбида кремния, и может быть, использовано в высокотемпературной электронике, в том числе для создания высокотемпературных интеграл ьн ых схем.

Цель изобретения —. упрощение процесса (отсутствие буферного слоя и использование стандартного оборудования для получения эпитаксиальных слоев кремния). B атмосфере водорода при атмосферном давлении нагревают Si-подложки, проводят очистку их поверхности. Затем выращивают слои кубического SiC при 1050-1250 С из моносилана и трихлорэтилена, при этом

Si/С = 1, Для выращивания слоев SiC используют стандартное оборудование с кварцевой оснасткой для получения эпитаксиальных слоев кремния. Между Si-подложкой и монокристаллическим слоем Я С отсутствует промежуточный буферный слой, карбида кремния, образующегося при контакте подложки с газообразной средой, содержащей моносилан и углеродсодержащее вещество. Перед выращиванием на Si-подложку напыляли буферный слой поликристаллического SiC для уменьшения рассогласования параметров решеток Si u

SiC, Выращенные слои карбида кремния были монокристаллическими и имели толщину 4 мкм, Недостатком способа является сложность процесса выращивания SiC, так как для получения монокристаллической структуры слоя требуется предварительное формирование буферного слоя поликристаллического SiC íà Si-подложке, Способ не позволяет использовать для выращивания SiC стан3

1710604

1050 — 1250 С обеспечивает возможность применения стандартного технологического оборудования для получения эпитаксиальных слоев кремния и, следовательно, не требуется создания специального оборудования, рассчитанного на более высокие температуры роста при выращивании

SiC íà Si.

Нижняя граница температуры роста SiC на Sl (1050 С) обусловлена тем, что при меньшей температуре выращенные слои карбида кремния не являются монокристаллическими.

Верхняя температурная гоаница выращивания SiC íà Si-подложке (1250 С) обусловлена тем, что при большей температуре роста невозможно проведение процесса выращивания SiC на стандартном оборудовании, так как происходит сильный разогрев кварцевого реактора (при температурах более 1250 С кварцевый реактор начинает. расстекловываться), причем для получения температур более 1250 С требуется подача максимальной мощности с ВЧ-генератора, что соответствует критическому (пиковому) режиму работы, и в таком режиме оборудование работает ограниченное время и выходит из строя из-за разогрева самого генератора.

В качестве углеродсодержащего соединения в заявляемом способе был использован трихлорэтилен (С НС з), так как его использование позволяет, как впервые экспериментально установлено авторами, снизить температуру роста монокристаллических слоев до 1050 — 1250 С, что в свою очередь позволяет упростить процесс роста — отсутствие буферного слоя и использовать стандартное оборудование для получения эпитаксиальных слоев кремния при выращивании слоев SIC íà Si.

Точный механизм образования SiC из предложенной газовой системы (SiH4-CãHCIç-Hz) пока не до конца ясен.

Однако можно предположить следующее: молекулы углеродсодержащего соединения содержат атомы хлора, что, по-видимому, делает их более реагентоспособными лри взаимодействии с SIH4 и Si-подложкой при образовании карбида кремния при 1050—

1250 С.

Авторами впервые экспериментально установлено, что использование трихлорэтилена (CzHClz) совместно с SIH4 приводит

5 к получению монокристаллического слоя карбида кремния на кремниевой подложке.

На момент создания изобретения из знаний уровня техники авторами не была известна совокупность заявляемых признадартное технологическое оборудование газофазной эпитаксии, применяемое для получения эпитаксиальных слоев кремния, из-за высоких температур роста SiC (не менее 1350 C). 5

Известен способ выращивания монокристаллических слоев кубического карбида кремния, Выращивание слоя осуществлялось путем нагрева Si-подложки в атмосфере водорода при атмосферном 10 давлении, очистки поверхности подложки, формирования буферного слоя и последующего выращивания на ней слоя SiC толщиной до 5 мкм, образующегося при контакте подложки с газообразной средой, содержа- 15 щей SIH4 и С2Н4. Выращивание проводилось при 1330 С. Отношение Si/Ñ в газовой фазе равно 1.

Недостатками способа являются: невозможность использования стандартного 20 оборудования, применяемого для газовой эпитаксии кремния (это связано с тем, что для получения монокристаллических слоев карбида кремния толщиной 5 мкм требуется температура не менее 1330 С), а также не- 25 обходимость формирования буферного слоя между SiC и %для получения монокристаллической структуры SiC.

Цель изобретения — упрощение процесса — отсутствие буферного слоя и использо- 30 вание стандартного оборудования для получения эпитаксиальных слоев кремния— достигается тем, что согласно способу эпитаксиальное выращивание монокристаллических слоев кубического SiC осуществляют 35 путем нагрева подложки в атмосфере водорода при атмосферном давлении, очистки ее поверхности и выращивании на ней слоя карбида кремния из смеси, содержащей моносилан и углеродсодержащее соединение 40 при отношении в ней Si/С = 1, упомянутое выращивание слоя SiC осуществляют при

1050 — 1250 С, а в качестве углеродсодержащего соединения используют трихлорэтилен, 45

Заявляемый способ выращивания обеспечивает упрощение процесса выращивания — отсутствие буферного слоя, и позволяет использовать стандартное технологическое оборудование для получе- 50 ния эпитаксиальных слоев кремния, так как дает возможность выращивать монокристаллические слои SiC той же толщины, что и известный способ на Si-подложке при более низких температурах. Температура рос- 5 та является одним из основных параметров, который оказывает влияние на качество выращенного слоя. Возможность сохранения монокристалличности эпитаксиальных сло- ев SiC при снижении температуры роста до

1710604

15

25

Ф

55 ков, Хотя выращивание монокристаллических слоев SiC íà Si-подложке известно, однако для выращивания монокристаллического SiC íà Si-подложках трихлорэтилен не использовался. При этом не было возможности снизить температуру роста ниже

1330 С, так как при температурах ниже этой слои карбида кремния по своей структуре были поликристаллическими.

Только благодаря совокупности заявляемых признаков при их взаимодействии выявлено существование механизма кристаллизации эпитаксиальных монокристаллических слоев SiC íà Si-подложке при сравнительно низких температурах, что не было очевидно. Это в свою очередь проявилось в новом положительном эффекте: упрощении процесса — отсутствия буферного слоя и использования стандартного оборудования для получения эпитаксиальных слоев кремния, Пример 1. Проводилось выращивание монокристаллических слоев карбида кремния на кремниевых подложках. Подложки кремния КДБ — 10 с ориентацией (100) подвергали перекисно-аммиачной отмывке.

После обработки Si-подложки помещали на графитовый пьедестал, покрытый карбидом кремния, и загружали в реакционнуЮ камеру.

Перед процессом роста камеру заполняли очищенным водородом до давления

760 мм рт.ст. После этого производили продувку камеры водородом в течение 1 ч (скорость потока водорода 87 л/мин). Затем подложки нагревали до 1000 С и выдерживали 10 мин в потоке водорода. После этого обрабатывали поверхность подложек, вводя в реактор поток хлористого водорода.

Затем, перекрыв поток НС1, увеличивали температуру до 1050 С и проводили процесс кристаллизации карбида кремния, вводя в реактор поток моносилана (скорость потока 0,03 л/мин) и поток трихлорэтилена (скорость потока водорода через барботер с трихлоэтиленом была 0,3 л/мин), В качестве газа-носителя реагентов использовали водород (скорость потока 87 л/мин), Отношение Si/С в газовой фазе равно 1.

После проведения процесса кристаллизации SiC в течение 2 ч, потоки газов-реагентов перекрывали. Выключали нагрев, и после остывания реакционной камеры, перекрыв поток водорода, производили разгрузку.

Пример 2. Слой карбида кремния выращивали аналогично примеру 1, за исключением того, что использовали подложки кремния КДБ — 10 с ориентацией (111) и кристаллизацию слоев карбида кремния проводили при 1150 С. Выращивание. слоев SiC проводили в течение 2,5 ч.

Пример 3. Слои карбида кремния выращивали аналогично примеру 1, за исключением того, что кристаллизацию слоев карбида кремния проводили при 1250 С и скорость потока водорода во время роста составляла 95 л/мин. Выращивание слоев

SiC проводили в течение 2 ч.

Пример 4, Слои карбида кремния выращивали аналогично примеру 1, за исключением того, что рост производили при температуре 1000 С. Время процесса кристаллизации составляло 2 ч.

Пример 5. Слои карбида кремния выращивали аналогично примеру 1, за исключением того, что рост проводили при

1300 С. Процесс роста не удавалось вести, так как при этой температуре происходил сильный разогрев реактора и ВЧ-генератора, После проведения выращивания слои карбида кремния были использованы с помощью следующих методов; толщина слоев измерялась методом шарового шлифа; структура и качество слоев исследовались методами рентгеновской дифракции, дифракции быстрых электронов на отражение, ИК-спектроскопии на отражение.

Было установлено следующее.

В примере 1 слои карбида кремния имели толщину 4 мкм, были слоями карбида кремния политипа ЗС и имели монокристаллическую структуру.

В примере 2 слои карбида кремния имели толщину 4,1 мкм, были слоями карбида кремния политипа ЗС и имели монокристаллическую структуру.

В примере 3 слои карбида кремния имели толщину 5,1 мкм, были слоями карбида кремния политипа ЗС и имели монокристаллическую структуру.

В примере 4 слои карбида кремния имели толщину 3,5 мкм. Методами рентгеновской дифракции и дифракции быстрых электронов на отражение установлено, что слой является слоем карбида кремния ЗС, но структура его поликристаллическая.

В примере 5 процесс не удалось провести из-за высокой температуры, так как оборудование могло из-за перегрева выйти из строя. Вдобавок к этому растущий слой SiC загрязнялся бы веществами, выделяющимися при разогреве кварцевого реактора.

Эксперименты в примерах 1 — 3 проводились в заявляемых режимах. Эксперименты в примерах 4, 5 проводились в режимах, отличных от заявляемых.

1710604

35

50

Составитель И.Баранов

Техред М,Моргентал Корректор О.Кундрик

Редактор В.Данко

Заказ 313 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Для образцов, полученных в экспериментах 1 — 3, измерены полуширины кривых качения. По их значениям были оценены плотности дислокаций в выращенных эпитаксиальных слоях. Для слое, выращенных при 1050 С, плотность дислокаций составила 19х10 см для слоев, выращенных при

1100 C — 2,8х10 см, для слоев, выращенных при 1250 С вЂ” 2,3х10 см, Таким образом, видно, что дальнейшее увеличение температуры не приводит к существенному улучшению качества выращенного слоя

SiC.

Легко видеть, что получение монокристаллического слоя SiС толщиной -5 мкм возможно только в примерах конкретной реализации способа. Таким образом, предлагаемый способ эпитаксиального выращивания позволяет получить монокристаллические слои кубического SiC той же толщины, что и известный, позволяя использовать оборудование для получения эпитаксиальных слоев кремния и простую кварцевую оснастку.

Кроме того, проведение выращивания монокристаллического слоя SiC íà Si-подложке по заявляемому способу проще, так как не требует создания буферного слоя, в

5 отличие от известного слоя, т.е, предлагаемый способ позволяет упростить технологию выращивания SiC.

Формула изобретейия

10 Способ эпитаксиального выращивания монокристаллических слоев кубического

SiC, включающий нагрев Sl-подложки в атмосфере водорода при атмосферном давлении, очистки ее поверхности и выращивание

15 на ней слоя SiC из смеси, содержащей моносилан и углеродсодержащее соединение при соотношении в ней Si (C= 1), о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения процесса — отсутствия буферного слоя и ис20 пользования стандартного оборудования для получения эпитаксиальных слоев кремния, выращивание слоя SiC осуществляют при температуре подложки 1050 — 1250 С, а в качестве углеродсодержащего соедине25 ния используют трихлорэтилен.