Синтез и исследование электрофизических свойств пленок поликристаллического SiC Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Секция технологии больших интегральных схем

УДК 621.382.132

О.А. Агеев

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО 81С

В последнее десятилетие интенсивное развитие получила технология полупроводниковых приборов на основе SiC [1]. Уникальные свойства этого материала позволяют изготавливать полупроводниковые приборы различного назначения с высокой стабильностью параметров, работающие в экстремальных условиях эксплуатации (высоких температурах, агрессивных химических средах, воздействии ионизирующего излучения и т.д.) [1, 2].

Проблемы технологии приборов на основе SiC связаны с высокими температурами при выращивании монокристаллов SiC (2 5000С и выше) и использовании особо чистых реагентов и транспортных сред при эпитаксиальном выращивании пленок SiC [1, 2].

Одним из методов решения этих проблем является выращивание пленок SiC методом твердофазных реакций Si с С60. Взаимодействие происходит при температурах 800-1000 0С в вакууме («10-6 тор), при этом структура выращенных пленок имеет поликристаллический характер [3, 4]. Анализ литературных источников по, 60 , снизить себестоимость приборов [5, 6].

В представленной работе рассматриваются теоретические и экспериментальные вопросы синтеза SiC методом твердофазных реакций кремния с аморфным углеродом. Разработана технология получения пленок поликристаллического SiC, исследовались их электрофизические свойства и термическая стабильность.

Для выяснения термодинамических закономерностей синтеза SiC методом твердофазных реакций были проведены систематизация и анализ химических реакций, протекающих в тройной системе БьС-О при нагреве.

Возможные химические реакции можно разделить на 4 группы:

♦ окисление С;

♦ синтез SiC;

♦ окисление SiC;

♦ окисление Si.

При анализе реакций окисления рассматривались только реакции с молекулярным , -, -социации молекулярного кислорода составляет 3 807 К [7].

Исследование термодинамических характеристик реакций проводилось путем расчета и анализа температурной зависимости истинного изменения свободной энергии Г иббса в соответствии с уравнением изотермы реакции [8]:

АО(Т) = -АО0 + КГ 1п

п , VI

Д<

п VI

М( р )

т

т

АвО = АНО - ТАБО + 1 Ас рйТ - Т \

298

298

Ас,

йТ,

где Ав(Т) - истинное изменение свободной энергии Гиббса; АвТ - стандартное изменение свободной энергии Г иббса; Я - газовая постоянная, Т - температура;

р. , р. - давление исходных веществ и продуктов реакции соответственно; V ,

VI - стехиометрические коэффициенты исходных веществ и продуктов реакции

соответственно; АН° - изменение энтальпии реакции [9]; АБО - -

тропии реакции [9]; Аср - изменение теплоемкости реакции [9].

Это позволило выделить доминирующие реакции в каждой группе:

2С+С>2=2СО; (1)

Si+C=SiC; (2)

$Ю+02=$Ю2+С; (3)

й+0^Ю2. (4)

Результаты расчета зависимости свободной энергии Г иббса от температуры для данных реакций при различных давлениях в реакционной камере, с учетом парциального давления кислорода, представлены на рис. 1.

а б

Рис.1. Зависимость истинного изменения свободной энергии Гиббса реакций (1 - 4) при различных давлениях: атмосферном (а), 10-6 тор (б)

Анализ показывает, что на протекание реакции синтеза 81С оказывает влияние температура и давление в реакторе. При атмосферном давлении реакция синтеза невозможна, поскольку преобладают реакции окисления 81 и С. При давлении 10-6 тор реакция синтеза 81С термодинамически возможна при температуре более 750 К. Однако экспериментальные исследования [3, 4] показывают, что реакция синтеза 81С проходит при температурах 1000 К и более, а значит имеются кинети-.

Проведенный анализ позволил количественно оценить влияние давления в реакторе на возможность синтеза 81С и уточнить параметры технологического .

Экспериментальные структуры формировались на подложках из А1203, которые подвергались химической очистке в ацетоне, изопропиловом спирте и перекиси водорода. Пленки 81 и С, размерами 8Х 0,7 мм и общей толщиной 0,24 мкм

- .

10-6 -

ние 15 мин при различных температурах (структура I - 1100 °С, структура II -1000 °С). Толщина синтезированных пленок 81С составила ~ 0,15 мкм. Контактная система У-Си-№ формировались напылением в вакууме 10 -6 тор, с подогревом подложки до 150°С.

Электрические параметры полученных структур исследовались путем измерения и анализа вольт-амперных характеристик полученных структур при различ-( . 2).

0 5 10 15 20 25 30

11апряжение, V

Рис.2. Вольт-ачперные характеристики полученных структур (1-1; 2,3,4 - II) при различных температурах: 1, 2-20 °; 3-80 °; 4-40 °

, , 20 ° -противление 63,635 О-см (I структура) и 6,495 О-см (II структура). Измерения ВАХ 20-140 ° ,

сопротивления структур от температуры различен (рис. 3). Сопротивление структуры I слабо зависит от температуры, для структуры II эта зависимость более сильная. По-видимому, это связано с тем, что структура II содержит включения непрореагировавших 81 и С, которые шунтируют ток.

80 100

О

Температура, С

Рис.3. Зависимости удельного сопротивления структур I (1) и II (2) от

температуры

Это подтверждается анализом температурной зависимости термического коэффициента сопротивления (рис 4). Термический коэффициент сопротивления для структуры I составляет - 3,576-10"4 град"1, для структуры II он линейно изменяется от - 3,891-10"3 град"1 до —7,3-10"3 град"1 в диапазоне температур от 20 до 140 °С.

-мо1 -------------------------------------

1 102 ------------1----------1----------1-----------■----------1----------

20 40 60 80 100 120 140

Температура, К

Рис.4. Зависимости термического коэффициента сопротивления структур I (1) и

II (2) от температуры

, " пользования метода твердофазных реакций для получения пленок поликристалли-ческого 8Ю, которые могут быть использованы в качестве термически стабильных резисторов ГИС [10]. Было показано, что изменяя параметры технологического процесса можно повышать стабильность электрофизических свойств синтезиро-.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лучинин В.В, Таиров Ю.М. Карбид кремния - перспективный материал электронной техники // Известия вузов. Электроника. 1997. №1. С.10-37.

2. Лучинин В.В., Корляков А.В. Композиция «карбид кремния-нитрид алюминия» - основа микросистемной техники для экстремальных условий эксплуатации // Петербургский журнал электроники. 1999. ‘3. С.20-42.

3. AV Hamza, M. Balooch, M. Moalem, // Surf. Sci., 317, L1129, 1994.

4. L. Moro, A. Paul, D.C. Lorents et all, // Appl. Surf. Sci., 119, 76, 1997.

5. US Patent N 5425860.

6. Агеев O.A., Виноградов В.В. Получение пленок SiC и разработка на его основе датчиков химического состава газа и жидкости // Известия ТРТУ. Таганрог, 2001. №2. С.104-108.

7. Кир еев В А. Методы практических расчетов в т ермодинамике химических реакций. М.: Химия, 1975.

8. . ., . . . .: -лургия. 1985.

9. .. . .: ,

1965.

10. . ., . ., . ., . .

микросхем па основе поликристаллического карбида кремния // Труды МНТК “МЭПП-2001”, Баку-Сумгаит, 16-18 октября 2001. С.81-83.