Анизотропия легирования и политипизм кристаллов карбида кремния Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 538.911

АНИЗОТРОПИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ И ПОЛИТИПИЗМ КРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ

В.П.Растегаев

Центр технологий микроэлектроники, Санкт-Петербург, rasvp@mail.ru

Статья посвящена рассмотрению явления, способного проявляться в кристаллических веществах, у которых имеется набор политипов при наличии полярных кристаллографических осей. Речь идет о связи политипной структуры и уровня легирования выращиваемых монокристаллов. Явление рассматривается на примере карбида кремния, легированного алюминием.

Ключевые слова: политипизм, легирование, полярные кристаллографические оси

The present work is devoted to consideration of the phenomenon, capable to be shown up in crystal substances which have a set of polytypes in the presence of polar crystallographic axes. It is a question of communication of polytypic structure and alloying level of grown up monocrystals. The phenomenon is considered by the example of the silicon carbide alloyed by aluminium.

Keywords: polytypism, alloying, polar crystallographic axes

Политипизм — это особый, одномерный полиморфизм в кристаллических веществах [1]. Карбид кремния является веществом с большим набором по-литипных модификаций, каждая из которых может считаться самостоятельным полупроводниковым материалом. Характеристики основных политипов карбида кремния приведены в табл.1.

Легирование карбида кремния в процессе роста является основным методом введения примесей, поскольку диффузионное легирование неэффективно вследствие низких коэффициентов диффузии примесей.

Одним из важных свойств кристаллической решетки всех политипов карбида кремния является полярность [2] большинства кристаллографических осей и, в частности, основного направления роста монокристаллов — оси С. Указанное явление создает существенную разницу в свойствах основных используемых в технологи кристаллографических плоскостей монокристаллов карбида кремния — (0001)С и (0001)8і. Эти различия существенным об-

разом сказываются на результатах кинетических процессов, связанных с воздействием на кристалл. Очень разнятся результаты травления и окисления этих граней.

Целью настоящей работы является рассмотрение явления, способного проявляться в кристаллических веществах, у которых имеется набор политипов при наличии полярных кристаллографических осей. Речь идет о связи политипной структуры и уровня легирования выращиваемых монокристаллов. Явление рассматривается на примере карбида кремния, легированного алюминием, в ряду прочих явлений, связанных с получением таких кристаллов.

Исследование концентрации алюминия в монокристаллах карбида кремния, выращенных в различных кристаллографических направлениях, показало, что растворимость алюминия при этом принимает значения, промежуточные между значениями растворимости алюминия при росте в двух направлениях (0001).

Свойства политипов карбида кремния

Таблица 1

Политип

3С

15Я

6Н

4Н

2Н

А1 А

в к В

C 1 C

А

C

В

C

А

В

А

C

А

В

C

В

А А

В В

C ^6 А

А С

C

В

С

15

С

С9

Параметр решетки с0, А

а0 = 4,359

37,700

15,079

10,050

5,048

Число атомов в элементарной ячейке

2

10

12

8

4

Пространственная группа симметрии

Б43ш

Тн2

Я3ш

Cзv5

Р63шс С 4

C6v

Р63шс

С4

C6v

Р63шс С 4

C6v

Число неэквивалентных положений

1

5

3

2

1

Ширина запрещенной зоны Еох (2К), эВ

2,390

2,986

3,023

3,265

3,330

Следовательно, в наших условиях роста [3] кристаллов примесь алюминия в газовой фазе находится всегда в неравновесии с объемом растущего кристалла, поэтому уровень легирования будет определяться различными адсорбционными способностями кристаллографических граней, что подтверждается экспериментальными результатами.

Анизотропия растворимости примесей была рассмотрена с точки зрения различного энергетического положения примесного атома на различных гранях [4]. Примесные атомы, замещающие кремний в решетке Б1С, на Бьграни будут замещать поверхностный атом и иметь три связи, а на С-грани — располагаться под С-слоем и иметь четыре связи, т.е. практически находиться уже в объеме кристалла. Аналогично примеси, встраивающиеся в С-подрешетку Б1С, будут замещать поверхностный атом с тремя связями на С-грани и находиться под Бьслоем на Бьграни. Таким образом, примеси, замещающие Б1 на С-грани и замещающие С на Бьграни соответственно, будут захватываться в условиях, близких к термодинамически равновесным.

Для определения коэффициента захвата примеси на противоположных гранях необходимо рассчитать энергию замещения поверхностного атома. Поверхностный атом имеет всего три связи. Соответственно акцепторному атому III группы достаточно имеющихся трех электронов при встраивании в поверхность. Примесный атом V группы также образует три связи за счет трех электронов и имеет еще два спаренных электрона, не участвующих в образовании связей. Поверхностный же атом IV группы обладает одним неспаренным электроном, энергия которого понижается за счет реконструкции поверхности и образования поверхностных связей.

Для А1, ва и Ш поверхностная энергия замещения оказывается существенно меньше объемной, и соответственно растворимость этих элементов в неравновесных условиях существенно возрастает (см. рис.).

N ст 10

10

10

10

10

10

Предельные растворимости примесей замещения в карбиде кремния при 2500 К, рассчитанные с учетом эффекта грани: 1 — в Si-подрешетке, 2 — в ^подрешетке, 3 — экспериментальные данные

При легировании в процессе роста азот должен лучше растворяться на С-грани (что совпадает с экспериментальными данными), а Р, Аб и БЬ — на Бь грани.

Определенная трудность получения кристаллов карбида кремния политипа 4Н />-типа проводимости связана с тем, что рост монокристалла политипа 4Н имеет место лишь на кристаллизационной грани (0001)С, а алюминий плохо захватывается на этой грани. С другой стороны, при росте на грани (0001)Б1, когда растворимость алюминия максимальна, проис-

|_ ■ -1

п □ -2 |-

□ -3

-|

_

п т -

В А1 Оа 1п N Р Ля ЯЬ Ое Яп

15Я

15Я

(0001) Бі (0001) C

101

101

6Н

4Н

4

Р

п, р

ходит рост только политипа 6Н вне зависимости от политипа затравочного кристалла. Это хорошо показывает табл.2, где представлен результат анализа уровня легирования алюминием и политипной структуры получаемых кристаллов в зависимости от кристаллической ориентации плоскости роста и поли-типной структуры затравочных кристаллов.

(1010), выращивали сильно легированные алюминием объемные монокристаллы карбида кремния /»-типа проводимости 4Н политипа.

Таким образом, показано, что в кристаллических веществах, у которых имеется набор политипов, при наличии полярных кристаллографических осей может иметь место связь политипной структу-

Исходя из анализа данных табл.2 была разработана методика получения монокристаллов карбида кремния политипа 4Н с достаточно высоким уровнем легирования алюминием. Сначала выращивали слаболегированные кристаллы политипа 4Н р- или п-типа проводимости на кристаллической грани (0001)С затравок 6Н политипа за счет твердофазного политипного перехода от 6Н к 4Н на начальной стадии роста. В последующих процессах на кристаллической грани (1010) затравок политипа 4Н, полученных из выращенного объемного монокристалла политипа 4Н путем резки на пластины по плоскостям

ры и уровня легирования выращиваемых монокристаллов. Явление рассмотрено на примере карбида кремния, легированного алюминием, в ряду прочих явлений, связанных с получением таких кристаллов.

1. Верма А., Кришна П. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. М.: Мир, 1969. С.276.

2. Современная кристаллография. Т.1. М.: Наука, 1979. С.78.

3. Растегаев В.П. // Перспективные материалы, 2007. № 2. С.43-48.

4. Парфенова И.И., Решанов С.А., Растегаев В.П. // Неорганические материалы. 2002. Т.38. №5. С.582-588.