Введение к работе
Актуальность работы
Приборы на основе подложек и эпитаксиальных слоев (ЭС) карбида кремния (SiC) являются базой широкого класса устройств микро- и наноэлектроники работающих в экстремальных условиях - при высоких температурах, мощностях, частотах и агрессивных средах. В связи с повышением степени интеграции структурных элементов приборов на SiC требования к поверхности подложек носят комплексный характер (по химической чистоте, стехиометрии структуры, атомарно-гладкой морфологии).
Основным недостатком при формировании приборов на SiC является низкий процент выхода годных изделий, определяемый состоянием поверхности подложек - рельефом и наличием нарушенного слоя (НС). Необходимым условием улучшения качества формируемых структур является совершенствование технологии подготовки поверхности подложек SiC.
В промышленности для получения поверхности подложек SiC требуемого качества используются технологии на основе химико-механической полировки (ХМП). Ограничением ее применимости является формирование остаточного НС, загрязнение поверхности агрессивными реагентами, неэкологичность способа. При этом для удаления НС применяются дополнительный плазменный или водородный отжиг, который может привести к увеличению шероховатости поверхности.
Следовательно, для получения бездефектных монокристаллических подложек и ЭС SiC требуется разработка новых способов формирования поверхности с морфологией близкой к атомарно-гладкой и отсутствием НС.
Анализ отечественных и зарубежных работ в этой области показал перспективность электронно-лучевой обработки (ЭЛО) при формировании поверхности полупроводниковых и диэлектрических материалов (уменьшение шероховатости, удаление НС и очистка), отличающейся большей технологичностью, простотой управления, химической чистотой процесса, вакуумной совместимостью с другими технологическими процессами.
Отсутствие комплексных физико-технологических исследований электронно-лучевого формирования поверхности монокристаллических подложек SiC является основным препятствием внедрению ЭЛО в промышленном производстве эпитаксиальных микро- и наноструктур на основе SiC. Необходимость проведения таких исследований усиливается в связи с ускоренным развитием наноинустрии, где качество состояния поверхности подложек является определяющим.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ электронно-лучевого формирования поверхности монокристаллических подложек SiC для создания микро- и наноструктур.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: обобщение и выявление особенностей и закономерностей методов подготовки поверхности монокристаллических подложек SiC для формирования на них микро- и наноструктур;
разработка комплексной модели физико-химических процессов формирования поверхности монокристаллических подложек SiC при обработке структуры Si/SiC движущимся низкоэнергетическим ленточным электронным лучом, которая учитывает нелинейные температурные зависимости теплофизических и физико-механических свойств материалов структуры;
теоретическое исследование термодинамических закономерностей процессов межфазного взаимодействия в системе расплав Si - подложка SiC;
разработка методики оптимизации режимов электронно-лучевой обработки поверхности монокристаллических подложек SiC;
исследование влияния электронно-лучевой обработки на морфологию поверхности монокристаллических подложек SiC и электрофизические характеристики тестовых структур.
Объект исследования
Образцы монокристаллических подложек n-6H-SiC.
Научная новизна работы
Разработана комплексная модель физико-химических процессов формирования поверхности монокристаллических подложек SiC при ЭЛО структуры Si/SiC, с учетом температурной зависимости теплофизических и физико-механических свойств материалов структуры.
Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия расплава Si с подложкой SiC с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств материалов структуры, и их корреляция с режимами ЭЛО структуры Si/SiC.
Предложена кинетическая модель формирования близкой к атомарно-гладкой поверхности монокристаллических подложек SiC при ЭЛО структуры Si/SiC.
Практическая ценность работы:
Установлена область оптимальных режимов электронно-лучевого формирования близкой к атомарно-гладкой поверхности монокристаллических подложек SiC, которая обеспечивает шероховатость менее 0,3 нм и отсутствие нарушенного слоя.
Разработан технологический процесс электронно-лучевого формирования поверхности монокристаллических подложек SiC, который обеспечивает шероховатость поверхности менее 0,3 нм и отсутствие нарушенного слоя.
Разработан технологический процесс получения омических контактов без термообработки на основе Ti/n-6H-SiC (1><1017 см'3) и сформированы контакты со следующими характеристиками: переходным сопротивлением 3,6><10'3 Ом-см"2 и плотностью поверхностных состояний на границе раздела порядка 1012 см'2.
Положения, выносимые на защиту
1. Механизм формирования близкой к атомарно-гладкой поверхности монокристаллических подложек SiC при ЭЛО структуры Si/SiC.
Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия расплава Si с подложкой SiC при ЭЛО структуры Si/SiC, с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств материалов структуры.
Технологический маршрут формирования поверхности монокристаллических подложек SiC и режимы ЭЛО структуры Si/SiC.
Экспериментальные закономерности влияния режимов ЭЛО на характеристики морфологии поверхности SiC и электрофизические характеристики контактов Ti/n-6H-SiC(lxl017cM-3).
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в госбюджетных научно-исследовательских работах кафедры ТМ и НА в 2005 г. «Разработка и исследование технологических процессов изготовления контактов к SiC методами импульсной термообработки» (№ гос. регистрации 01200502598) и в 2008-2009 гг. «Разработка теоретических основ построения микросистем, наносистем и программно-аппаратных комплексов для мониторинга окружающей среды» (внутр. №13050).
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ЗАО «Завод Кристалл» (г. Таганрог), ОАО «НПП КП «Квант» (г. Ростов-на-Дону) а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ТТИ ЮФУ.
Апробация работы
Международном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы» (ISSCRM-2009), Великий Новгород, 2009; Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2007; Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», Приэльбрусье, 2009; Международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 2005, 2006; Ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону, 2005-2007, 2009; Международных научно-технических конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, 2006, 2007; Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», Москва, 2006; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Зеленоград, 2006; Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология», Казань, 2007; Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2005», Новочеркасск, 2005; Международной научной конференции и школе-семинаре «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006; Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2006; Научно-технической конференции профессорско-преподовательского
состава, аспирантов и сотрудников Таганрогского государственного радиотехнического университета (ТРТУ), Таганрог, 2006.
Результаты работы отмечены медалью и дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: открытого конкурса Министерства образования на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях Российской Федерации (Москва, в 2007 - медаль и диплом; в 2006 - диплом); Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006); Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов (Новочеркасск, 2005).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, из них 3 публикации в журналах, входящих в Перечень ВАК. Во ВНИИТЦ зарегистрировано 2 отчета по НИР.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения - общих выводов, списка использованной литературы. Объем работы составляет 171 страниц, включая 57 рисунков, 23 таблицы, 73 формулы и 175 наименований списка использованной литературы, а также 3 приложения.
