Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων 3C-SiC ανεπτυγμένων σε υπόβαθρο Si

Abstract

The study reported in the present thesis is related to the structural characterisation of cubic silicon carbide (3C-SiC) thin films by means of Transmission Electron Microscopy techniques, conventional (CTEM) and high resolution (HRTEM). Complementary, Atomic Force Microscopy (AFM) was used where necessary. The samples were grown on silicon (Si) substrates by chemical vapour deposition (CVD) and molecular beam epitaxy (MBE) techniques. Flash Lamp Annealing (FLA) was performed afterwards in order to improve the crystalline quality of the deposited films. The goal was to grow good quality, defect free 3CSiC films who will be used as a seed for further growing. During this period our main effort was to provide adequate information to the growing groups as well as to the group performing the Flash Lamp Annealing (FLA), for improving the quality of the deposited and FLA thin, on the SiC film in order to reduce the heat energy loss during FLA. The best of all those films were used as seeds for further epitaxial growth in order to get high quality thick 3C-SiC films. Thus, 3μm thick SiC films were grown on the 35nm annealed SiC seeds. TEM study revealed it was impossible to distinguish the two films which means that the later thick film quality depends directly on the quality of the uppermost part of the SiC seed. Furthermore these films exhibited two times lower defect density (stacking faults and inversion domain boundaries) compared to standard thick 3C-SiC films grown directly on Si. In order to overcome the problem of preferential improvement of SiC films from the backside as well as the buckling of the substrate, occurring in the FLA process, an alternative procedure, named inverse FLASiC (i-FLASiC), was proposed and developed. The structure involves the deposition of a silicon overlayer (SOL) on the initial SiC, followed by an additional SiC capping layer. Thus, the i-FLASiC samples morphology is SiC/Si/SiC/Sisubstrate. The aim was to form good quality thin 3C-SiC by melting the SOL without any significant melting of the silicon substrate. Our work involved the optimization of the annealing conditions and the thickness of each layer which were found to be 3.6kV discharging voltage and 925°C preheating temperature for samples SiC(100nm)/SOL(300nm)/SiC(100nm)/Si-substrate. The best of these samples were, again after FLA, used as seeds for further 4.5μm 3C-SiC epitaxy. The SFs density measured was 8x103 cm-1 which is lower than the standard SiC films grown on Si, which exhibit a SF density 2x104 cm-1. The SiC/Si interface was highly defected while the SiC layer formed during the iFLASiC was significantly improved. The easy growth of SFs in 3C-SIC was confirmed by insitu XTEM observations. However, further reduction of the buckling was desirable so alternative solutions were used. These involved (i) reduction of the SOL melting point by replacing the Si with Si-Ge solution and (ii) implanting carbon into the Si-substrate which retards the melting of the Si-substrate near the SiC/Si interface. TEM and AFM studies revealed the beneficial effect of the above mentioned proposals only under circumstances which involved low FLA voltages. Additionally, another samples group, grown by the Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism was studied within the frames of this present work.

Το θέμα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι ο δομικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων κυβικού ανθρακοπυριτίου (3C-silicon carbide, 3C-SiC) με την τεχνική της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διέλευσης, τόσο συμβατικής (CTEM) όσο και υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM). Συμπληρωματικά, χρησιμοποιήθηκε, όπου κρίθηκε απαραίτητο, μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων (AFM). Τα δείγματα αναπτύχθηκαν πάνω σε υποστρώματα πυριτίου Si, με την μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) και της επιταξίας με μοριακή δέσμη (MBE) και υπέστησαν στην συνέχεια ανόπτηση με την μέθοδο της στιγμιαίας ακτινοβόλησης λυχνιών Xe (flash lamp annealing, FLA). Ο στόχος ήταν η ανάπτυξη λεπτών υμενίων 3C-SiC καλής κρυσταλλικής ποιότητας που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πυρήνες (seeds) για επιπλέον ανάπτυξη SiC. Εναλλακτικά μελετήθηκαν δείγματα 3C-SiC που αναπτύχθηκαν με τον μηχανισμό “ατμός-υγρό-στερεό”, (vapor-liquid-solid, VLS) πάνω σε υποστρώματα εξαγωνικού ανθρακοπυριτίου 4H- και 6H-SiC. Καθ’ όλη την διάρκεια της διατριβής η κύρια προσπάθεια μας ήταν να παρέχουμε στις ομάδες ανάπτυξης και ανόπτησης των δειγμάτων, όλες εκείνες τις απαραίτητες πληροφορίες για το τελικό παραγόμενο υλικό αλλά και όλες τις προτάσεις για την βελτίωση της ποιότητας του. Το αντικείμενο συνίσταται στην μελέτη των μικροδομικών ιδιοτήτων σε σχέση με τις συνθήκες ανάπτυξης και ανόπτησης υμενίων κυβικού SiC, κατάλληλων για εφαρμογές ημιαγωγικών διατάξεων. Η μελέτη των σφαλμάτων δομής του υλικού και κυρίως των σφαλμάτων επιστοίβασης που είναι τα κυρίαρχα, είχε ως τελικό στόχο τον προσδιορισμό των κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης και ανόπτησης. Αφενός η μέθοδος ανόπτησης στιγμιαίας ακτινοβόλησης λυχνιών (FLA), αποδεικνύεται ιδιαίτερα υποσχόμενη στην μείωση της πυκνότητας ατελειών και αφετέρου σχετικά νέες και εναλλακτικές μέθοδοι ανάπτυξης 3C-SiC, όπως ο μηχανισμός VLS, υπόσχεται υμένια καλής κρυσταλλικής ποιότητας, μειωμένου κόστους. Τα πρώτα δείγματα που μελετήθηκαν και αποτέλεσαν τα πρωτότυπα υμένια FLASiC είχαν την μορφολογία 35nm3C-SiC/υπόστρωμα-Si. Το σύνολο των δειγμάτων αυτών, μετά την ανόπτηση FLA, παρουσίασε στην διεπιφάνεια Si/SiC τραπεζοειδείς πυραμίδες (TPs) 3C-SiC βελτιωμένης κρυσταλλικής ποιότητας. Τα πρώτα πειράματα επικεντρώθηκαν στον καθορισμό των βέλτιστων συνθηκών ανόπτησης που αντιστοιχούν σε δυναμικό εκφόρτισης πυκνωτών 3.25kV και θερμοκρασία θέρμανσης υποστρώματος 800ο C. Στην συνέχεια, για περαιτέρω βελτίωση της ποιότητας των υμενίων, ώστε να ικανοποιούν τις προϋποθέσεις εφαρμογής σε διατάξεις, αναζητήθηκαν και εφαρμόστηκαν συμπληρωματικές λύσεις. Έτσι δοκιμάστηκε αρχικά η πολλαπλή ακτινοβόληση FLA, στην συνέχεια εξετάστηκε επίσης η περίπτωση της μεταβολής του πάχους του υμενίου SiC μεταξύ 50-5nm, με στόχο την δημιουργία ενός, πλήρως ανακρυσταλλωμένου, υμενίου-πυρήνα (seed) ενώ επιπλέον χρησιμοποιήθηκε ως εναλλακτική λύση η οξείδωση (sacrificial oxidation) για απομάκρυνση του ανώτερου, με αυξημένη πυκνότητα ατελειών, τμήματος των υμενίων που δεν είχε υποστεί ανακρυστάλλωση κατά την ανόπτηση. Τέλος, δοκιμάστηκε η λύση των υμενίων SiC με προστατευτικά επιστρώματα (capping layers) με στόχο την μείωση των απωλειών θερμοκρασίας από την επιφάνεια οπότε και την αύξηση ουσιαστικά της θερμοκρασίας στο ανώτερο τμήμα των υμενίων. Τα καλύτερα αυτά υμένια χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα για την ανάπτυξη περαιτέρω SiC με στόχο την δημιουργία παχέων υμενίων που θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογή σε διατάξεις. Έτσι επιπλέον 3μm 3C-SiC αναπτύχθηκαν στα υμένια 35nm που είχαν υποστεί ανόπτηση. Ο διαχωρισμός των δύο υμενίων στάθηκε αδύνατος που σημαίνει ότι η ποιότητα του παχέος SiC καθορίζεται από την ποιότητα του ανώτερου τμήματος του αρχικού υμενίου-υποβάθρου. Επίσης τα τελικά υμένια παρουσίασαν δύο φορές μικρότερη πυκνότητα σφαλμάτων (σφάλματα επιστοίβασης και όρια αναστροφής φάσης) σε σχέση με αντίστοιχα παχιά υμένια ανεπτυγμένα απευθείας πάνω σε υπόβαθρο Si. Στην συνέχεια, για την δημιουργία πιο κατάλληλων υμενίων αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε η αντίστροφη διαδικασία FLASiC, inverse FLASiC ή i-FLASiC. Ο στόχος ήταν πλέον η απορρόφηση της ενέργειας ακτινοβόλησης να γίνεται στο ανώτερο τμήμα του λεπτού υμενίου SiC και όχι κοντά στην διεπιφάνεια SiC/Si-υπόβαθρο ώστε να δημιουργηθεί ένα λεπτό υμένιο/πυρήνας καλής ποιότητας ανακρυσταλλωμένου SiC στο ανώτερο τμήμα του λεπτού υμενίου 3C-SiC. Η μορφολογία των υμενίων i-FLASiC ήταν SiC/Si/SiC/Si-υπόβαθρο Στόχος ήταν η βελτιστοποίηση τόσο των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των υμενίων δηλαδή του πάχους του κάθε στρώματος αλλά και των συνθηκών ανόπτησης. Έτσι καθορίστηκαν τα βέλτιστα πάχη των τριών στρωμάτων και οι ιδανικότερες συνθήκες ανόπτησης: SiC(100nm)/SOL(300nm)/SiC(100nm)/Si-υπόβαθρο σε δυναμικό εκφόρτισης πυκνωτών 3.6kV και θερμοκρασία προθέρμανσης 925°C. Τα επόμενα δείγματα που εξετάστηκαν ήταν υμένια SiC πάχους 4.5μm που αναπτύχθηκαν στα βελτιωμένα υποστρώματα i-FLASiC. Στα τελικά υμένια μπορούσαμε να διακρίνουμε δύο διαφορετικές ζώνες. Το αρχικά ανεπτυγμένο υμένιο, που παρουσίαζε με μεγάλη πυκνότητα ατελειών, πάνω από την διεπιφάνεια SiC/Si-υπόβαθρο και το σημαντικά βελτιωμένο υμένιο που σχηματίστηκε κατά την ανόπτηση μαζί με το 4.5μm ανεπτυγμένο υμένιο SiC. Τα κυρίαρχα σφάλματα που παρατηρήθηκαν ήταν σφάλματα επιστοίβασης, όρια αναστροφής φάσης και εξαρμόσεις. Οι πυκνότητες ατελειών που μετρήθηκαν ήταν μικρότερες από τις αντίστοιχες των τυπικών υμενίων SiC πάνω σε υπόβαθρο Si αλλά και των αυτοϋποστηριζόμενων υμενίων HOYA. Επίσης, αναζητήθηκαν εναλλακτικές λύσεις για την μείωση της κάμψης των υμενίων. Αυτές περιλάμβαναν (i) μείωση της θερμοκρασίας της όλης διαδικασίας με εισαγωγή προσμίξεων Ge ή C στο Si του SOL και (ii) μείωση του βάθους τήξης του υποστρώματος Si με την εισαγωγή ενός κρυφού στρώματος, ανθεκτικού στην θερμοκρασία που θα λειτουργούσε ως “δεξαμενή θερμότητας”. Η μελέτη των δειγμάτων αυτών έδειξε απουσία κάμψης μόνο για συγκεκριμένα χαμηλά δυναμικά εκφόρτισης κατά την ανόπτηση, οπότε και δεν συμβαίνει τήξη του υποβάθρου Si. Μια άλλη ομάδα δειγμάτων, που μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, αναπτύχθηκε με μεθόδους επιταξίας από υγρή φάση (liquid phase epitaxy), αρχικά μέσω του μηχανισμού ατμός-υγρό-στερεό (Vapor-Liquid-Solid, VLS) και στη συνέχεια με την μέθοδο της συνεχούς τροφοδοσίας φυσικής μεταφοράς ατμών (continuous feed physical vapor transport, FC-PVT). Ο κύριος στόχος της παρούσας μελέτης, ήταν ο προσδιορισμός του μηχανισμού δημιουργίας και διάδοσης των SFs κοντά στη διεπιφάνεια ώστε να μπορέσουν αυτά να εξαλειφθούν και να βελτιστοποιηθεί η κρυσταλλική ποιότητα των αρχικών υμενίων.