SiC薄膜的低壓化學(xué)氣相外延生長及其微結(jié)構(gòu)特性研究.pdf

1、SiC作為目前最熱門的半導(dǎo)體材料之一，因其具有寬禁帶、高擊穿電場、高載流子飽和漂移速率和高熱導(dǎo)率等許多優(yōu)點，在微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本論文主要研究了在Si襯底、藍(lán)寶石襯底和SiC襯底上外延生長SiC薄膜的工藝技術(shù)和生長條件對SiC薄膜結(jié)晶質(zhì)量的影響，取得了有意義的結(jié)果，其內(nèi)容有助于加深對SiC薄膜外延生長過程的理解。 第一章綜述了SiC材料的基本性質(zhì)以及SiC材料和器件的研究進(jìn)展。包括SiC的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、物理化學(xué)性質(zhì)、Si

2、C塊材單晶的發(fā)展歷史和制備方法、SiC器件工藝和典型的SiC器件。最后還介紹了制備SiC薄膜的主要方法，如升華法、脈沖激光沉積、分子束外延和化學(xué)氣相沉積等，指出化學(xué)氣相沉積法是制備SiC薄膜最成功的方法。 第二章介紹了我們設(shè)計和研制的國內(nèi)第一臺最高溫度可達(dá)1600℃的低壓CVD設(shè)備的工作原理和組成部分。此外，鑒于所采用的源氣(SiH4、C3H8)和載氣(H2)，根據(jù)復(fù)相反應(yīng)模型建立了SiC薄膜生長的氣相反應(yīng)和表面反應(yīng)的兩步機(jī)制，

3、分析了SiC薄膜生長的物理化學(xué)過程。 第三章中我們研究了不同取向的單晶Si襯底上外延SiC薄膜。對Si(111)襯底，發(fā)現(xiàn)隨著生長溫度(1150℃-1350℃)的提高，外延層的結(jié)晶質(zhì)量改善。由樣品的SEM截面圖可知在生長溫度從1150℃-1270℃時，SiC薄膜的厚度由96nm增加到134nm。繼續(xù)升溫到1350℃，SiC薄膜的厚度急劇降低到60nm。由樣品的SEM表面形貌圖可推測在生長溫度低于1350℃時，SiC薄膜以三維島狀

4、方式生長，島狀粒子隨生長溫度的提高而變大。當(dāng)生長溫度為1350℃時，SiC薄膜的表面光滑度變好，質(zhì)量明顯提高。說明在此溫度下三維島狀粒子發(fā)生擴(kuò)散和互聯(lián)，SiC薄膜的生長方式從三維變?yōu)槎S。將SiC(111)搖擺曲線半高寬為2°的薄膜進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表征，表明存在禁忌衍射和超晶格條紋。禁忌衍射及超晶格的出現(xiàn)可能與薄膜中堆垛層錯或?qū)\晶的倒易點沿著[111]方向被拉長并容易和埃瓦爾德球相交有關(guān)。對Si(100)襯底，發(fā)現(xiàn)SiC(200)面的搖擺曲線

5、半高寬的數(shù)值隨著碳化溫度的升高而降低，意味著SiC薄膜的結(jié)晶質(zhì)量隨著碳化溫度的升高而增加。通過拉曼散射峰位的移動來分析SiC薄膜中的應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)隨著碳化溫度的增加，SiC薄膜中的張應(yīng)力變小。隨著碳化溫度的提高，Si襯底表面的Si原子活性增強(qiáng)，Si襯底與SiC薄膜界面處的孔洞形成幾率增大，這些孔洞可以緩解薄膜中的應(yīng)力。對Si(110)襯底，RHEED衍射圖像表明在Si(110)襯底上已經(jīng)沉積了單晶3C-SiC薄膜。XRD圖表明SiC(111

6、)平行于Si(110)，SiC(111)的搖擺曲線半高寬僅為0.7°。對該薄膜進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表征，透射電子束沿著立方SiC薄膜的[111]入射。以六重對稱性顯示的六個斑點表示立方碳化硅的{220}晶面族。從相應(yīng)的高分辨像中可看出晶格條紋間距為0.154nm，對應(yīng)立方碳化硅的{220}晶面間距。 第四章探討了C面藍(lán)寶石襯底上SiC薄膜的外延。在沒有A1N緩沖層的情況下，通過對反應(yīng)條件的控制，獲得了6H-SiC和3C-SiC薄膜，它們的

7、XRD搖擺曲線半高寬分別為0.6°和1.1°。在低的SiH4流速和高的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)物原子具有高的遷移率，寶石襯底表面ABCACB(6H-SiC)的堆垛次序易于形成。相反，高的SiH4流速和低的反應(yīng)溫度則形成了ABCABC的堆垛次序(3C-SiC)。并且SiC相圖的理論預(yù)言，獲得6H-SiC的生長溫度要比3C-SiC高，也和我們的實驗結(jié)果相吻合。6H-SiC薄膜與3C-SiC薄膜的平均晶粒尺寸約150-200nm，它們的表面rms粗糙

8、度分別約2nm和8nm，可知6H-SiC薄膜比3C-SiC薄膜平坦，這從SEM表面形貌圖中也可看出。6H-SiC的XPS譜分析表明，位于100.3eV的Si2p3/2對應(yīng)SiC中Si元素的束縛能，位于282.6eV的C1s峰對應(yīng)SiC中C元素的束縛能，表明在寶石襯底表面形成了SiC薄膜。 第五章研究了6H-SiC(0001)無偏角襯底上SiC薄膜的外延。典型的RHEED譜表明薄膜屬于立方結(jié)構(gòu)(3C-SiC)。研究了不同生長條件對

9、薄膜厚度的影響。隨著硅烷流量的增加，碳化硅薄膜的厚度先增加后降低，表明發(fā)生了Si-H化物氣相成核，形成的Si團(tuán)簇被載氣帶走，硅烷的利用率降低。僅改變丙烷流量，碳化硅薄膜的厚度基本不變。由此可見硅烷及其分解產(chǎn)物的輸運是碳化硅薄膜生長的限制因素。由襯底的AFM像可知存在垅脊和刮痕，它們在生長薄膜后消失。由襯底(6H-SiC)與薄膜(3C-SiC)較好的晶格匹配(失配＜0.1％)可判斷薄膜開始以二維方式生長。隨著薄膜生長的進(jìn)行，吸附原子的擴(kuò)散