Введение к работе
Актуальность работы.
В последние годы постоянно совершенствуется технология формирования полупроводниковых структур и приборов, полученных на их основе [1,2]. Развитие происходит, в том числе и за счет моделирования физических явлений протекающих при проведении технологических процессов, что позволяет управлять свойствами получаемых полупроводниковых материалов. При проведении технологических операций в полупроводниковых материалах почти всегда неизбежно происходит диффузия и перераспределение примесей, и математическое моделирование диффузионных процессов является одним из эффективных методов оптимизации технологии получаемых материалов и приборов.
В настоящее время существует большой научный и практический интерес к карбиду кремния, как к материалу высокотемпературной электроники с повышенной радиационной стойкостью. Этот интерес связан со структурными особенностями, электрофизическими параметрами и возможностью использования промышленной кремниевой технологии при выращивании гетероструктур карбида кремния на подложках кремния [3,4,5]. Достижения в технологии выращивания кубического карбида кремния на кремнии делают эту структуру перспективной для создания приборов с гомо- и гетеропереходом [6-9].
Одним из наиболее перспективных методов получения карбида кремния считается его эпитаксия на подложках кремния [10]. Для CVD (chemical vapor deposition) процессов эпитаксии существуют развитые производственные технологии. Однако в данном методе слои карбида кремния, растущие непосредственно на кремнии, содержат большое количество дефектов, обусловленных несоответствием в параметрах кристаллических решеток и коэффициентах теплового расширения. Поэтому в настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию буферного слоя, который существенно уменьшил бы дефектность пленок карбида кремния. Одним из вариантов технического решения этой проблемы является использование процесса эндотаксии [11] при получении гетероструктур SiC/Si. Интересной проблемой метода эндотаксии является исследование механизмов выращивания и одновременного легирования гетероструктур ЗС-SiC/Si примесями с учетом внутреннего электрического поля. Для управления указанными процессами важную роль играет математическое моделирование, которое позволяет оптимизировать технологию.
Теоретическому исследованию влияния внутреннего электрического поля на одновременную диффузию донорной и акцепторной примесей в полупроводниках посвящено значительное количество работ. Их анализ показывает, что модель внутреннего электрического поля активно используется для объяснения экспериментально наблюдаемых особенностей
диффузии, однако математический анализ данных процессов выполняется, как правило, недостаточно полно. Подобные задачи решаются обычно только для некоторых частных случаев, например, часто рассматривается задача легирования полупроводниковой структуры двумя примесями, см. работу [12].
В большинстве работ при расчете диффузионного легирования на основе численных методов учитывались особенности физического механизма формирования тонких пленок. Эти особенности необходимо анализировать в каждом конкретном случае отдельно. В свою очередь, процесс эндотаксии недостаточно изучен, как с позиции анализа диффузионных процессов, протекающих в процессе роста и легирования гетероструктур карбида кремния на кремнии, так и с позиции их комплексного анализа.
Таким образом, моделирование диффузионных процессов для случая эндотаксии, т.е. учет диффузионного преобразования Si-фазы в SiC-фазу при одновременном легировании модифицирующими примесями разного типа проводимости, а также практическая реализация результатов моделирования в процессе получения гетероструктур ЗС-SiC/Si, работающих в области высоких температур, является актуальной задачей.
Целью работы является оптимизация технологии получения тонкопленочных структур кубического карбида кремния на кремнии, исследование свойств гетероструктур ЗС-SiC/Si, полученных методом эндотаксии, построение диффузионной модели легирования и создание чувствительных элементов для применения их в бифункциональных датчиках температура-деформация.
В диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи:
получить пленки карбида кремния на кремнии методом эндотаксии и провести их морфолого-геометрический и структурно-фазовый анализ;
экспериментально исследовать электрофизические свойства гетероструктур 3C-n-SiC/p-Si, 3C-p-SiC/n-Si;
исследовать влияние совместной диффузии ионизованных примесей на процесс формирования гетероструктур ЗС-SiC/Si методом эндотаксии и определить глубины залегания ^-«-перехода;
разработать технологию создания чувствительных элементов, изготовить образцы на основе гетероструктур ЗС—SiC/Si и провести электрофизические, термометрические и тензометрические исследования образцов.
Научная новизна работы:
проведен комплексный анализ свойств гетероструктур 3C-SiC/Si, полученных методом эндотаксии, показавший, что пленки толщиной от 1,8 до 2,6 мкм являются монокристаллическими, принадлежат кубическому карбиду кремния и имеют совершенную морфологию поверхности, объемный состав пленок ЗС-SiC близок к стехиометрическому значению;
составлена система дифференциальных уравнений, описывающих диффузионное легирование гетероструктур ЗС-SiC/Si примесями с учетом внутреннего электрического поля. Для численного решения задачи разработана программа, позволяющая получать решение в виде распределения концентраций легирующих примесей фосфора, бора, галлия, напряженности внутреннего электрического поля по структуре, электронов и дырок, ЗС-SiC/Si и глубины залегания /?-и-перехода;
проведено сравнение экспериментальных значений глубины залегания /?-и-перехода в гетероструктуре ЗС-SiC, составивших 0,98 - 1,28 мкм (± 0,15 мкм), и теоретически рассчитанных по диффузионной модели эндотаксии с учетом внутреннего электрического поля, 0,87 - 1,5 мкм. Установлено согласование теоретических и экспериментальных результатов;
отработаны и оптимизированы основные режимы технологии изготовления чувствительного элемента бифункционального датчика температура-деформация, обладающего высокотемпературной стабильностью в области повышенных температур до 350С;
исследован продольный коэффициент тензочувствительности, достигающий максимального значения 50 при комнатной температуре. Показано, что сжимающие деформации приводят к уменьшению сопротивления, а деформация исследуемых образцов не выходит за пределы области упругих деформаций до є = 2,5-10 при указанных толщинах пленки; коэффициент тензочувствительности при уровне легирования карбида кремния 1017см~3 зависит от температуры, т.к. область объемного пространственного заряда смещена в область кремния.
Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что
полученные данные о параметрах и свойствах гетероструктур
ЗС-SiC/Si могут использоваться как при разработке чувствитель
ных элементов бифункционального датчика температура-
деформация (работающего в условиях экстремальных температур
до 330С), так и при разработке высокотемпературных, радиаци-
онно-устойчивых преобразователей физических величин различного назначения; результаты моделирования диффузионных процессов, полученные в настоящей работе, могут служить основой для подбора и прогнозирования оптимальных технологических режимов проведения процесса легирования, что позволит получить структуру ЗС-SiC/Si с необходимыми параметрами;
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментального анализа свойств гетероструктур ЗС-SiC/Si, полученных методом эндотаксии.
Модель выращивания гетерструктур ЗС-SiC/Si методом эндотаксии при одновременном легировании данных структур примесями с учетом внутреннего электрического поля.
Результаты исследования тензометрической и термометрической составляющих чувствительного элемента бифункционального датчика температура-деформация.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на: Международной научно-практической конференции (Кемерово, 2007), VII Международной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск-Ставрополь, 2007), IX Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2007), X Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-10)» (Кемерово, 2007), Международной молодежной научной конференции XXXIV Гагаринские чтения (Москва, 2008), Харьковской нанотехнологической ас-самблее-2008 «Нанотехнологии» (Харьков, 2008), выездном заседании X международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2008), XX Совещания по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния (РНИКС-2008) (Гатчина, ПИЯФ, 2008), Десятой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2008), XI международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2009), Методологической школе-конференции «Математическая физика и нанотехнологии» (Самара, 2009).
В рамках выполнения НИОКР опубликован отчет (работа депонирована ВИНИТИ), авторы Чепурнов В.И., Кузнецов К.В., Комов А.Н., Сива-кова К.П. Разработка нового способа получения гетероструктур для приборов высокотемпературной электроники - 219 с, per. номер 0120.0 504253 от 30.04.2008.
Предложенные в работе методы исследования, алгоритмы и технологии были использованы при разработке топологии и условий оптимизированного построения бифункционального датчика температура-деформация, способного функционировать до 350С в рамках НИР «Исследование путей создания компонентов многофункциональных цифровых датчиков на основе карбида кремния» по линии Министерства обороны РФ.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликована 19 печатных работ, в том числе 4 статьи (2 из них входящих в Перечень периодических научных и научно-технических изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук), 6 статей в сборниках трудов Международных и Всероссийских научных конференций, 7 докладов на научно-технических конференциях, 2 научно-технических отчета по НИР.
Личное участие автора.
Результаты, составившие основу диссертации, получены лично автором или при его определяющем участии.
Объем и структура работы.
Диссертация изложена на 135 с. печатного текста. Она состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 158 наименований, Общий объем работы составляет 155 с. (в том числе 60 рисунков, 4 таблицы).
