Введение к работе
Актуальность темы. При разработке и производстве полупроводниковых приборов, интегральных схем и микросистем экстремальной электроники используются различные диэлектрические пленки. Традиционным диэлектриком в полупроводниковом производстве является диоксид кремния. Для устройств экстремальной электроники необходимо использовать материалы, имеющие высокие рабочие температуры и стойкость к агрессивным средам. Наибольшую перспективность для построения систем экстремальной электроники с этой точки зрения имеет карбид кремния. Однако, проблема получения качественного, отвечающего всем требованиям оксида кремния на карбиде кремния остается нерешенной. Исследователи ведут поиск материалов и технологии формирования различных диэлектрических структур для использования в устройствах экстремальной электроники.
Целью данной работы является разработка новых фотонно-стимулированных технологических процессов формирования диэлектрических пленок на карбиде кремния для компонентов микросистем высокотемпературной электроники.
Известно, что окисление карбида кремния это длительный и высокотемпературный процесс. Поэтому разработчики ведут поиск новых методов окисления SiC за более короткие промежутки времени. Один из таких методов основан на использовании жесткого (более 5 эВ) ультрафиолетового излучения. Под его воздействием происходят процессы, которые невозможно или маловероятно наблюдать при использовании инфракрасного или видимого потоков излучения.
Ультрафиолетовое излучение (УФИ), благодаря высокой энергии квантов, предельно малой глубине проникновения излучения и отсутствию повреждения обрабатываемой поверхности находит все более широкое применение в технологии обработки поверхностных слоев различных материалов. Это процессы очистки поверхности от органики, кремний органики и металлических загрязнений, травпениг1 мпно-, поли-
РОС НАЦИОНАЛЬНА*} БИБЛИОТЕКА I
СЛстер ОЭ МО/
кристаллического и аморфного кремния, кварца, стекол и слоев двуокиси кремния. Возможность проведения «сухой» фотолитографии. Высокая энергия ультрафиолетового излучения позволяет проводить технологические процессы, связанные с разрывом химических связей при низких температурах. Все вышеперечисленные свойства позволяют говорить о больших перспективах его использования в микроэлектронике, в частности при окислении карбида кремния.
Разработка новых фотонно-стимулированных технологических процессов получения, тонких пленок диоксида кремния является актуальной задачей микро- и наноэлектроники.
Цели и задачи работы. Для выполнения поставленной цели необходимо решить ряд задач: провести теоретические исследования фотонно-стимулированных физико-химических процессов при формировании оксидных пленок на поверхности карбида кремния; исследовать влияние различных технологических факторов на условия роста оксидных пленок.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
разработать математическую модель для расчета облученности и температуры пластины карбида кремния с учетом подводимой световой энергии излучения;
разработать модель ускоренного роста оксидной пленки на карбиде кремния при воздействии мощных световых потоков;
рассчитать концентрации кислородных частиц у поверхности карбида кремния под воздействием световых потоков;
провести оптимизацию конструкции реакционной камеры по минимуму температурных напряжений возникающих в пластине карбида кремния при неоднородном нагреве;
провести исследования электрофизических характеристик оксидных пленок кремния на карбиде кремния, полученных с использованием фотонных потоков излучения.
Научная новизна работы
- впервые проведены комплексные исследования фотонно-
стимулированных методов получения тонких оксидных пле
нок на карбиде кремния;
- установлена более высокая скорость окисления карбида
кремния при использовании фотонно-стимулированных процессов для получения оксидных пленок толщиной-15-35 нм по сравнению с термическим методом окисления;
предложена модель расчета облученности и температуры пластины карбида кремния с учетом мощности излучателей, коэффициента отражения пластины и отражателей реактора, а также конструкции реакционной камеры. Составлен алгоритм и написана программа для моделирования процесса окисления карбида кремния и выращивания тонких пленок оксида кремния на карбиде кремния;
разработаны технологические процессы получения оксидных пленок кремния на карбиде кремния на основе быстрой термической обработки ИК-излучением (БТО) и фотонно-стимулированного окисления в среде озона;
установлено, что скорость окисления карбида кремния при использовании фотонно-стимулированных процессов выше, чем при обычном термическом окислении.
Практическая значимость.
на основе быстрой термической обработки и фотонно-стимулированного окисления в среде озона разработаны технологические процессы получения тонких пленок двуокиси кремния на карбиде кремния, которые по своим параметрам не уступают пленкам, полученным при термическом окислении;
разработан пакет программ для комплексного моделирования технологического процесса окисления карбида кремния;
модифицирована установка для фотонно-стимулирован-ного термического окисления позволяющая обрабатывать пластины карбида кремния в температурном диапазоне 300-1200 С;
- на основании представленной модели и экспериментальных исследований установлено, что скорость окисления карбида кремния при фотонно-стимулированных процессах окисления выше, чем при обычном окислении.
Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ выполняемых в рамках программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным на-
правлениям науки и техники» в рамках подпрограммы «Электроника». Коды проектов №208.06.01.008, №208.04.01.013 Основные положения, выносимые на защиту:
метод аналитического исследования фотонно-стимулированных процессов получения оксидных пленок кремния на карбиде кремния на основе БТО и фотонно-стимулированного окисления в среде озона с учетом мощности излучателей, отражения излучения пластиной и стенками реактора, конструкции реакционной камеры, концентрации кислородных частиц, коэффициента поглощения излучения карбидом кремния;
- программа расчета распределения облученности и темпе
ратурных полей в пластине карбида кремния, основанная на
решении дифференциального уравнения теплопроводности,
обеспечивающая анализ температурных процессов, происхо
дящих в структуре в реальном масштабе времени;
- метод оптимизации конструкции реакционной камеры
установки БТО по термоупругим напряжениям, не превы
шающих критического коэффициента дефектообразования;
ускорения процесса окисления карбида кремния с использованием фотонно-стимулированных технологических процессов при получении ультратонких пленок диоксида кремния;
разработанные методы фотонно-стимулированных технологических процессов получения оксидных пленок кремния на карбиде кремния могут служить основой для создания промышленной технологии получения диэлектрических пленок на карбиде кремния.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: всероссийская дистанционная НТК "Электроника" (Москва, 2001 г.); VII международной НТК "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 2000 г.); V Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 2000 г); abstracts of "IV International Seminar on Silicon Carbide and Related Materials" (Novgorod the Great, Russia, 2002 y.); abstracts of ECSCRM2002 (Sweden,
2002); IV МНТК "Электроника и информатика 2002" (Москва, 2002 г.); восьмой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, ПЭМ-2002); третьей международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 2002 г.); 4-я МНТК «Электроника и Информатика 2002» (Москва, 2002 г.); VI ВНК студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", (Таганрог, 2002 г.); 2-й международной научно-технической конференции «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе» (Баку-Сумгаит, 2003 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, в том числе в 4 статьях и 21 тезисе докладов на Российских и международных научно-технических конференциях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, заключения, 4 глав, основных выводов, библиографии, включающей 84 наименований, общий объем диссертации 139 страниц, включая 38 страниц иллюстраций, 8 таблиц.
