Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
"ЛЭТИ"
Кафедра Микроэлектроники
Отчет по преддипломной практике на тему
Легирование монокристаллического карбида кремния 3d элементами в процессе
роста
Руководитель Растегаев В.П.
Студент Трофимов А.Е.
Санкт-Петербург 2002г.
Введение
Карбид кремния является уникальным материалом электроники с точки зрения
свойств. Температура Дебая , которая является показателем устойчивости
материала к внешним воздействиям в карбиде кремния имеет высокое значение
,что проявляется в высоких значениях твердости, температуры плавления
, химической и радиационной стойкости. Наряду с большим значением ширины
запрещенной зоны ( от 2,4 до 3,3 эВ ) и высокой теплопроводностью это
позволяет приборам, созданным на карбиде кремния работать в экстремальных
условиях ( при температурах до 600 °С , при воздействии радиации). Большая
напряженность поля пробоя SiC, высокая насыщенная скорость дрейфа носителей
тока и высокая теплопроводность делают карбид кремния уникальным материалом
для создания мощных высокочастотных приборов, работающих при высоких
температурах и обеспечивающих малые энергетические потери. В отличие
от многих полупроводниковых соединений А3В5, карбид кремния состоит
из широко распространенных в природе дешевых компонентов и не содержит
редко встречающихся элементов.
Такое сочетание свойств обеспечивает возможность создания приборов экстремальной
электроники , которые могут использоваться в авиационно-космической
технике, в ядерной энергетике, в разведке и добыче полезных ископаемых
, в экологическом мониторинге. Такие приборы не могут быть созданы на
основе таких хорошо освоенных промышленностью материалов как кремний,
арсенид и фосфид галлия. Все эти факторы обуславливают все более возрастающий
интерес к карбиду кремния.
Однако, пока еще качество выращиваемых монокристаллов не соответствует
высоким требованиям, предъявляемым к полупроводниковым материалам.
Для приборного применения наряду с материалами n- и р-типа проводимости
требуется материал, обладающий изолирующими свойствами.
В связи с этим представляется интересной возможность получения полуизолирующего
карбида кремния как в виде объемных монокристаллов, так и в виде эпитаксиальных
слоев. Его применение позволит значительно улучшить параметры карбид
кремниевых полупроводниковых приборов: расширить частотный диапазон
(до 30 ГГц), существенно уменьшить энергетические потери. При этом подложечный
полуизолирующий карбид кремния необходим также для создания полупроводниковых
приборов на основе нитридов (GaN, AlN).
Свойства карбида кремния
Отличительной особенностью монокристаллов карбида кремния является
существование большого числа политипных модификаций, которые представляют
собой суперпозицию структур типа сфалерита и вюрцита. Кубическую модификацию
карбида кремния ( 3С ) принято обозначать буквой ? , остальные модификации
-буквой ?. Благодаря политипизму карбид кремния фактически представляет
собой набор полупроводниковых материалов с различными физико-химическими
свойствами. Различия в порядке расположения слоев в политипах карбида
кремния определяют различия не только в общей симметрии структуры и
параметров элементарных ячеек, но и различия в периодах решетки и межслойного
расстояния для разных политипов. Изменение размеров элементарной ячейки
политипов приводит к изменению ширины запрещенной зоны в карбиде кремния
от 2,39 для 3С -SiC до 3,33 для 2Н-SiС.
Полярность направления [0001] для карбида кремния проявляется в различии
физических, химических и других свойств для граней противоположных направлений???
( различные скорости роста граней, различные скорости травления ,различие
в поглощении примесей).
Основными акцепторными примесями в карбиде кремния являются алюминий
и бор , основной донорной примесью- азот. Энергия активации примесей
не зависит от политипа и составляет : Аl -0,28 эВ , В- 0,39 эВ, N-0,1
эВ.
Методы получения карбида кремния
Главным методом получения объемных монокристаллов карбида кремния
является рост из паровой фазы. Основная идея данного метода - сублимационный
перенос материала из более горячей зоны источника в более холодную (
температура горячего источника 2300-2400°С ). Первым методом был процесс,
предложенный Ачесоном еще в начале ХХ века. Это очень эффективный метод,
не претерпевший никаких принципиальных изменений вплоть до наших дней.
Однако карбид кремния, получаемый в данном процессе , используется в
основном как абразив, и мало пригоден для применения в электронике.
Это связано с плохо контролируемыми условиями роста , что приводит к
малым размерам кристаллов и неконтролируемому содержанию в них примесей.
В 1955 году Лели предложил метод, который в некоторой степени можно
считать модификацией метода Ачесона. В его основу было положено введение
графитовой втулки в полость роста. Это обеспечило возможность получения
монокристаллов, пригодных для применения в электронике, но не сняло
проблему их спонтанного зарождения. Множество исследований было посвящено
оптимизации данного метода путем улучшения теплового распределения в
зоне роста кристаллов, использованием затравочных кристаллов. Однако
так и не удалось преодолеть недостатки, присущие данному методу , а
именно : высокая температура процесса ( 2500-2600 °С) , малые размеры
кристаллов, невозможность управления их формообразованием , неоднородность
легирования, невозможность контролируемого получения определенных политипов.
В дальнейшем проведенные исследования показали ,что от этих недостатков
практически невозможно избавится.
Следующим этапом можно считать метод, в дальнейшем получивший название
" метод ЛЭТИ ". Для роста монокристаллов использовалась затравка,
на которую осаждался пересыщенный пар. Кроме того, на начальном этапе
роста в камеру вводился инертный газ ( чаще всего аргон) для уменьшения
скорости роста кристаллов с целью недопущения роста поликристаллов.
Затем производилась откачка инертного газа для увеличения скорости роста.
Источником служил поликристаллический карбид кремния, синтезированный
из кремния и углерода. В качестве кристаллизационной ячейки использовался
графитный блок с отверстиями. В полость отверстий засыпался источник,
отверстия закрывались пластинами- затравками.
С целью оптимизации данного метода были проведены исследования, в ходе
которых было установлено, что скорость роста кристалла зависит не только
от скорости испарения компонентов источника 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 полости. Также было показано,
что измельчение шихты увеличивает скорость испарения карбида кремния
и также влияет на скорость роста. Были установлены зависимости скорости
роста от температуры и от давления инертного газа. При оптимизации всех
параметров процесса удалось вырастить слитки диаметром до 25 мм. Поперечные
размеры ограничивались площадью затравок, но их можно было немного увеличивать
за счет разращивания кристалла.
В настоящее время коммерческим лидером в производстве кристаллов карбида
кремния является фирма Cree Research. Сублимационный процесс роста кристаллов
на этой фирме улучшен за счет нескольких специальных приемов. 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.
Высокотемпературная установка для выращивания объемных монокристаллов
SiC.
Процесс выращивания монокристаллов карбида кремния требует высокой
температуры ( Т>1800 °C ). Для выращивания используется высокотемпературная
установка промышленного производства, где была подвергнута реконструкции
только рабочая камера. Это связано с тем что рост карбида кремния происходит
при температуре много больше температуры роста кристаллов кремния. В
рабочей зоне установки была создана теплоизоляция ( в качестве теплоизолятора
использовался графитный войлок, обладающей лучшими теплоизоляционными
свойствами).
Рабочая температура достигается путем резистивного нагрева, позволяющего
нагреть графитовый контейнер с кристаллизационной ячейкой (ГКЯ). Стенка
рабочей камеры представляет собой водоохлаждаемую стальную рубашку.
Высокотемпературная установка позволяет осуществлять процесс роста монокристаллов
карбида кремния в интервале температур 2000…2500 К и давлений от 105
до 10-2 Па.
Вакуумная откачка камеры осуществляется механическим и диффузионным
насосами. Давление в печи измеряется барометром ВК-316 и вакуумметром
ВИТ-2.
Для обеспечения высокой стабильности поддержания температуры применена
автоматическая система управления электропитания нагревательного элемента,
базирующаяся на промышленном высокочастотном регуляторе температуры
ВРТ-3 и программном задатчике уровня ПЗУ. Градуировка температуры нагревателя
осуществлялась с помощью оптического пирометра ЛОП-72. Контроль за системой
электропитания осуществляется с помощью измерительного комплекса К505,
позволяющего измерить одновременно силу тока, напряжение и мощность.
Рис. 1. Контейнерная печь для получения монокристаллических слитков
SiC по методу ЛЭТИ.
Конструкция нагревателя
На сегодняшний день все конструкции высокотемпературных печей для выращивания
монокристаллов карбида кремния можно классифицировать следующим образом:
1) использующие высокочастотный нагрев;
2) использующие резистивный нагрев.
Печи с резистивным нагревом также можно разделить на две группы:
а) использующие трубчатый резистивный элемент с прямым протеканием тока
от одного конца к другому;
б) использующие П-образное протекание тока в разрезном трубчатом элементе.
Используемый резистивный нагреватель с П-образным протеканием тока представляет
собой графитовую трубку с двумя аксиально симметричными разрезами .
Основная цель оптимизации конструкции - продление срока службы нагревательного
элемента и обеспечение однородности его температурного поля.
Конструкция контейнера и кристаллизационной ячейки
Конструкция контейнера для выращивания кристаллов карбида кремния (Рис.2)
разработана с учетом механизма массопереноса и тепловых условий выращивания.
Конструкционным материалом контейнера и кристаллизационной ячейки является
графит. Все детали контейнера выполнены из графита марки МГ-ОСЧ. Для
уменьшения уноса паров карбида кремния и легирующих примесей ГКЯ выполнена
из особо плотных марок графита МПГ-8. Верхние и нижние графитовые шайбы
служат в качестве теплоизоляции и определяют требуемые осевые градиенты
температуры в зоне роста.
Конструкция кристаллизационной ячейки опирается на классическую схему
конденсации пересыщенного пара на монокристаллическую затравку карбида
кремния в квазизамкнутом объеме. Наряду с традиционно конструкциями
ГКЯ , была разработана и применена новая, обладающая рядом существенных
преимуществ. Достоинствами конструкции кристаллизационной ячейки, представленной
на Рис.2, являются следующие:
- конденсация наиболее загрязненных паров карбида кремния на начальной
стадии роста не на затравочном кристалле, а в более холодной зоне над
кристаллодержателем;
- надежность крепления затравочных монокристаллов, исключающая их отрыв;
- большая точность в определении и варьировании величины зазора между
источником паров карбида кремния и монокристаллом - затравкой;
- возможность многократного использования графитового стакана;
- большая масса засыпки, а следовательно, и возможность получения слитков
карбида кремния большой длины.
Рис. 8. Конструкция контейнера (7-10) с кристаллизационной ячейкой (1-6)
(а) и распределение температуры в контейнере (б):
1 - крышка кристаллизационной ячейки;
2 - графитовая пластина;
3 - кристаллодержатель;
4 - монокристаллы-затравки карбида кремния;
5 - исходная поликристаллическая засыпка карбида кремния;
6 - графитовый стакан;
7 - теплоизолятор;
8 - графитовые шайбы;
9 - графитовые шайбы с отверстием;
10 - корпус контейнера
