Иевлев В.М.¹⁾, Ильин В.С.²⁾,  Кущев С.Б.²⁾, Лукин А.Н.¹⁾ ,  Солдатенко С.А.²⁾  ,

¹⁾Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

²⁾Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия

By the methods of TEM, HEED, SEM, АFM and IR-spectroscopy, the phase composition, substructure, orientation and morphology of SiC films formed during the pulse photon treatment of Si-plates with different doping types in the gaseous atmosphere (C₃H₈)_0.2(C₄H₁₀)_0.8, have been investigated.

В настоящее время наблюдается заметный интерес к карбиду кремния и методам его получения как к перспективному материалу для изготовления быстродействующих полупроводниковых приборов и приборов оптоэлектроники, работающих в области высоких температур и агрессивных условий окружающей среды [1]. Для синтеза пленок SiC используются различные варианты химического газофазного осаждения (ХГФО), требующих в общем случае высоких температур и длительного времени процесса (30 - 120 мин) [2-6]. В ряде работ  для снижения времени  и температуры синтеза успешно использовались импульсные методы активации карбидообразования излучением инфракрасных ламп, ArF эксимерного лазера (l = 193 нм) [8] и УФ лазера (l = 266 нм) [9]. В работе [7] авторами впервые показана возможность ускоренного формирования силицидных контактных систем при импульсном облучении  пленки платины на кремнии ксеноновыми лампами, имеющими спектр излучения от ИК- до УФ - области. Причем высокая скорость твердофазного взаимодействия позволяла формировать силициды требуемого фазового состава даже в атмосфере воздуха.

Цель данной работы - синтез пленок карбида кремния на поверхности Si при ИФО излучением ксеноновых ламп пластин Si в газовой атмосфере  (C₃H₈)_0.2(C₄H₁₀)_0.8.

Методика эксперимента

ИФО проводили излучением ксеноновых ламп (диапазон длин волн  0.2-1.2 мкм) пластин Si (0.38 мм) марки КДБ-10 и КЭФ-10 в газовой атмосфере (C₃H₈)_0.2(C₄H₁₀)_0.8 при давлении Р=5.3•10^-1 Па. Время облучения (длительность пакета импульсов) изменяли от 1.5 до 2.0 с, что соответствовало изменению энергии поступающего на образец излучения (Е_И) от 215 до 285 Дж·см^-2. Фазовый состав, субструктуру и ориентацию исследовали методами просвечивающей электронной микроскопии и дифракций быстрых электронов на отражение, а также методом ИК - спектроскопии. Морфологию и рельеф поверхности исследовали методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомной силовой микроскопии (АСМ).

Результаты эксперимента

В интервале Е_И = 215 - 240 Дж·см^-2 карбидообразования не происходит. На поверхности пластин кремния образуется тонкая пленка аморфного углерода. Пороговая величина Е_И для синтеза SiC на подложке, легированной бором (КДБ-10), составляет 245 Дж·см^-2, на подложке, легированной фосфором (КЭФ-10) - 260 Дж·см^-2 .

На рис. 1 приведены электронограммы и микрофотографии, характеризующие фазовый состав, структуру и ориентацию пленок, полученных при ИФО (Е_И = 260 Дж·см^-2) пластин (111)Si, легированных бором (а, б) и фосфором (в, г).

Анализ электронограмм показал, что при этой величине Е_И на обоих типах подложки формируется пленка SiC кубической модификации (3С) с параметрами кристаллической решетки а = 0.436 нм (b-SiC). Относительно слабая интенсивность отражений SiC на электронограмме от пленки, сформированной на кремнии легированным фосфором, свидетельствует об ее меньшей толщине по сравнению с пленкой образованной на поверхности кремния легированного бором. По данным РЭМ толщина пленки SiC на пластинах КДБ-10 составляет около 30 нм, на КЭФ-10 - 15нм. Для пленок характерна достаточно четкая двухосная текстура с преимущественной ориентацией большей части кристаллитов

(111), SiC II (111), Si                                                                                                                               (1)

Хорошо проявляющиеся рефлексы типа свидетельствуют о дефектной упаковке зерен. Сателитные рефлексы вблизи них образуются вследствие дифракции на плоскостях {111} двойников второго порядка и свидетельствуют о реализации множественного двойникования в высокодисперсных ориентированных пленках кубического SiC. Из картин ДБЭ на отражение следует, что зерна образующие двухосную текстуру, достигают приповерхностной области. Кроме того, наряду с параллельной ориентацией (1) имеются зерна в двойниковой (180 - градусной) ориентации и произвольно ориентированные зерна. Вытянутые вдоль <111> рефлексы свидетельствуют о том, что поверхность эпитаксиально ориентированных зерен (111)SiC достаточно гладкая. Шероховатость поверхности пленки SiC по данным АСМ на длине 2 мкм не превышает 0.8 нм.

Рис.1.  Электронограммы  и микрофотографии  пленок SiC, полученных ИФО (Е_И = 260 Дж·см^-2) пластин (111)Si  легированных бором (а, б) и фосфором (в, г)

Электронномикроскопические изображения, представленные на рис. 1 б, г характеризуют субструктуру синтезированных при данной величине Е_И пленок SiC на подложках Si с различным типом легирования. Как видно из микрофотографий в обоих режимах образуются сплошные пленки. Темнопольный анализ показал, что размер зерен пленки SiC на КДБ-10 достигает 20 нм, на КЭФ-10 - 15 нм. Высокая дисперсность пленок обусловлена высокой скоростью зарождения SiC и склонностью кристаллической структуры SiC к двойникованию, вследствие низкой энергии дефектов упаковки и двойниковых границ. В области межфазной границы SiC - Si со стороны подложки локализованы полости, имеющие тенденцию к кристаллографическому огранению. Их размеры увеличиваются с увеличением толщины пленки. Формирование полостей вызвано восходящей диффузией кремния в зону реакции на поверхности пленки SiC.

ИК-спектрометрические исследования гетероструктур пленка SiC-(111)Si показали, что все образцы имеют достаточно узкую полосу поглощения с максимумом 795 см^-1, отвечающим SiС. На спектре кроме полосы поглощения SiС видна дополнительная полоса при 740 см^-1, принадлежащая SiO₂. Другие полосы поглощения в области 1000 см^-1 (SiC-H), 1900-2100 см^-1 (Si-H) и 2800-3100 см^-1 (C-H), характерные для гидрогенизированного карбида кремния, кремния и углерода, отсутствуют. На основании полученных данных можно однозначно заключить, что спектры поглощения с четко выраженной полосой поглощения в области 795 см^-1 (полуширина полосы поглощения составляет 28 см^-1, для монокристалла SiC- 25 см^-1 [10]) указывают на высокую степень кристалличности пленок SiC и близость их состава к стехиометрическому.

 Выводы

1. Определены пороговые значения энергии поступающего излучения, необходимые для активации процесса карбидизации Si на пластинах с различным типом легирования. Процесс карбидообразования на поверхности Si легированного бором начинается при меньшей величине Е_И, чем на поверхности Si легированного фосфором.

2. Из анализа ИК-спектров синтезированных пленок следует вывод об однородности по структуре и стехиометрическому составу кристаллической фазы SiC.

3. Показано, что ИФО излучение ксеноновых ламп позволяет синтезировать пленки SiC на пластинах Si за время одноразовой обработки (не более 2 с).

Работа поддержана грантами: РФФИ (№06-03-96503р-центр-офи), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы (№ 2007-3-1.3-24-02-00) и  Президента РФ «Поддержка ведущих научных школ» (№ НШ-3898.2008.3).

Литература

1. Capano M. A. and Trew R. J. Silicon carbide electronic materials and devices // Mat. Res. Soc. Bull. 1997. V.22. P. 19-56.
2. Cheng L., Pan M., Scofield J., Steckl A.J. Growth and Doping of SiC-Thin Films on Low-Stress, Amorphous Si3N4/Si Substrates for Robust Microelectromechanical Systems Applications // Journal of Electronic Materials. 2002. V. 31. N. 5. (Special Issue Paper). P. 361-365.
3. Chen Y. Heteroepitaxial growth of 3C-SiC using HMDS by atmospheric CVD // Mater. Sci. and Eng. B. 1999. V. 61-62. P. 579-582.
4. Hatanaka Y. Experiments and analyses of SiC thin film deposition from organo-silicon by a remote plasma method // Thin Solid Films. 2000. V. 368. № 2. P. 287-291.
5. Ellison A. Epitaxial growth of SiC in a chimney CVD reactor // J. Cryst. Growth. 2002. V. 236. № 1-3. P. 225-238.
6. Luo M.C. Epitaxial growth and characterization of SiC on C-plane sapphire substrates by ammonia nitridation // J. Cryst. Growth. 2003. V. 249. № 1-2. P. 1-8.
7. Иевлев В.М., Кущев С.Б., Злобин В.П. Структура и состав силицидов, образующихся при фотонном отжиге Pt на Si // ФХОМ. 1986. № 2. С. 128-130.
8. Mizunami T., Toyama N. ArF-Excimer-Laser Annealing of 3C-SiC Films // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. V. 37. P. 94-95.
9. Cho N. I., Kim Y. M., Hong C. at al. A Study of the Effect of UV Laser Annealing on a-SiC Films for Structure Ordering // Journal of the Korean Physical Society. 2000. V. 37. N. 6. P. 998-1002.
10. Li J.P., Steckl A.J., Golecki I. et al. Structural characterization of nanometer SiC films grown on Si // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. N 24. Р. 3135-3137.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2