異質外延3C-SiC薄膜生長的研究進展

異質外延3C-SiC薄膜生長的研究進展

郭慧君2013.5.29

異質外延3C-SiC薄膜的基本原理在單晶Si襯底上直接外延3C-SiC薄膜，所獲得的薄膜不但結晶質量差，單晶區(qū)域面積小，還夾雜著大量的多晶區(qū)域，不能滿足半導體器件對3C-SiC外延薄膜的要求。因而，在3C-SiC外延生長之前，在Si襯底上引入“緩沖層”，以實現(xiàn)大面積單晶薄膜的生長。目前單晶Si襯底異質外延3C-SiC薄膜基本有原位腐蝕（Insituetching）、碳化處理（Carbonization）和外延生長（Epitaxialgrowth）三個工藝過程組成。異質外延3C-SiC薄膜的基本原理CVD法制備3C-SiC薄膜流程圖異質外延3C-SiC薄膜的基本原理原位腐蝕：反應室內通入一定量的HCl和H2的混合氣體，升至高溫（1000~1200℃），去除表面的亞損傷層、氧化層及雜質等，獲得有Si懸掛鍵構成的清潔表面，以滿足晶體生長需求。碳化處理：在低溫下（一般小于800℃）向反應室內通入一定量的含碳氣體（C3H8、C2H2、C2H4等），以H2為載氣，迅速升至高溫（1000~1400℃），使Si襯底表面在短時間生成極薄的SiC“緩沖層”，以緩解晶格失配。外延生長：以H2或Ar/H2混合氣體為載氣，通入單源氣體（同時含有Si原子和C原子的氣體，如c-C3H6SiH2、CH3SiBr3、C7H20Si2、(CH3)2Si、(CH3)6Si2、(C2H5)2SiH2等）或多源氣體（Si源氣體：SiH4、SiH2Cl2等；C源氣體：CH4、C3H8、C2H2等），升至生長溫度（900~1400℃），反應氣體高溫分解并有控制地輸運到襯底表面沉積成膜。異質外延3C-SiC薄膜的基本原理3C-SiC薄膜生長的研究難點單晶si襯底與3C-SiC薄膜之間存在近20％的晶格失配和8％的熱膨脹系數(shù)差異，外延生長的薄膜中往往存在大量的缺陷以及較大的殘余熱應力，嚴重制約著3C-SiC基器件性能的提高；同時由于受到生長溫度的限制，3C-SiC薄膜的可控摻雜也一直是個難點。3C-SiC薄膜生長的研究難點-

界面孔洞

在碳化過程中，襯底si原子向外擴(Out-diffusion），在襯底上形成Si空位，這些空位隨著碳化的進行相互連接合并，在界面處形成了孔洞?？锥吹拇嬖?，使得Si/3C-SiC界面變得粗糙，嚴重降低SiC/Si異質結二極管等器件的性能。研究表明，孔洞的形狀與襯底取向相關，在Si(100)和Si(111)襯底上形成的孔洞為“倒金字塔”形，其底面分別為四邊形和三角形，側面取向為{111}面；Si(110)襯底上形成的孔洞為倒置的圓棒狀，側面取向也為{111}面。在Si/3C-SiC界面研究方面，Lj與steckl對孔洞的形成與消除過程作了解釋，認為提高Si表面碳化過程中SiC成核率是消除界面孔洞有效的途徑，而SiC成核率與碳氫化合物分壓(濃度)成正比，他們在優(yōu)化C3H8分壓的基礎上獲得了無孔洞的Si/SiC界面3C-SiC薄膜生長的研究難點-

界面孔洞孔洞形成與消除示意圖3C-SiC薄膜生長的研究難點-

結晶質量

搖擺曲線半峰寬（FWHM）的高低是判斷SiC單晶結晶質量的有效手段，“PVT法”生長的4H-SiC和6H-SiC體單晶，其FWHM值一般小于50aresec。目前，單晶Si襯底異質外延3C-SiC薄膜的FWHM值一般是4H-SiC和6H-SiC單晶的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。早期的研究發(fā)現(xiàn)，Si（001）和Si（111）襯底上生長的3C-SiC薄膜，隨著薄膜厚度的增加，F(xiàn)WHM值逐漸減小，表明通過增加薄膜厚度是實現(xiàn)高結晶3C-SiC薄膜的有效途徑

3C-SiC薄膜生長的研究難點-

結晶質量傳統(tǒng)的三步工藝過程（原位腐蝕、碳化處理、外延生長）要求在每個步驟后將樣品冷卻到室溫，在每個步驟要花1h將樣品冷卻到室溫。傳統(tǒng)三步工藝法采用大氣壓化學氣相沉積法（APCVD）或低壓化學氣相沉積法（LPCVD）。

在2008年，Chen等人發(fā)展了LPCVD法的修正的四步生長方式：清潔（即原位腐蝕），碳化處理，擴散過程，外延生長。并去除了傳統(tǒng)三步工藝法中的冷卻步驟，從而其操作時間更短。

3C-SiC薄膜生長的研究難點-

結晶質量用修正的四步工藝法的LPCVD能得到無孔洞的3C-SiC/Si(100)界面和高質量的緩沖層，有效地提高了3C-SiC的結晶質量。修正的四步工藝法在Si襯底上生長3C-SiC薄膜的過程示意圖3C-SiC薄膜生長的研究難點-

殘余應力Si和3C-SiC之間存在近8%的熱膨脹系數(shù)差異，從生長溫度（900~1400℃）降到室溫的過程中會在薄膜中產(chǎn)生拉伸熱應力，生長溫度越高，熱應力越大，降低生長溫度是減少熱應力的有效辦法之一。單源氣體中同時包含Si和C原子，并預先含有Si-C鍵，能夠在相對較低的溫度分解形成SiC。采用單源氣體能夠實現(xiàn)低溫生長3C-SiC薄膜。

R.Anzalone等人也研究了生長速率對殘余應力的影響，當生長速率從2.45m·h-1升高到4m·h-1時，殘余壓應力也從-0.78Gpa變?yōu)?1.11Gpa

。3C-SiC薄膜生長的研究難點-反相疇界單晶Si(100)襯底上生長3C-SiC薄膜，由于襯底表面存在基數(shù)倍單原子層高度的臺階，使得生長的3C-SiC薄膜中形成了由相同原子結合而成的Si-Si或C-C鍵，這些Si原子或C原子所屬的區(qū)域為反相疇，Si-Si鍵或C-C鍵構成的邊界稱為反相疇界(Antiphaseboundaries)。反相疇界也會隨著薄膜厚度的增加出現(xiàn)自我湮滅的趨勢[4]。目前有兩種理論模型解釋此現(xiàn)象，一種為{111}面模型，該模型認為反相疇界沿(111)方向擴展，在兩個反相疇界的交界處自我湮。另一種為{011}面模型，該模型認為反相疇界沿(011)方向擴展，并在交界處自我湮滅，因此，生長厚膜也是消除反相疇界有效的方法之一。3C-SiC薄膜生長的研究難點-反相疇界反相疇界形成示意圖3C-SiC薄膜生長的研究難點-反相疇界反相疇界湮滅模型（a){111}面模型；(b){011}面模型3C-SiC薄膜生長的研究難點-層錯與孿晶層錯和孿晶也是單晶Si襯底異質外延3C-SiC薄膜中的重要缺陷。目前關于對層錯與孿晶缺陷的減少與控制的研究進展較少，主要有Nagasawa等在“波浪形”Si（100）襯底上制備3C-SiC薄膜，大大減少了孿晶和層錯的密度。不過，隨著商品化的6H-SiC，4H-SiC襯底品質的提高和價格下降，在SiC襯底上外延生長不同晶型的SiC外延層，也將有助于減少孿晶和層錯密度，從而得到質量更高的3C-SiC薄膜晶體。3C-SiC薄膜生長的研究難點-層錯與孿晶孿晶界自我湮滅示意圖3C-SiC薄膜生長的研究難點-層錯與孿晶“波浪形”襯底層錯示意圖3C-SiC薄膜生長的研究難點-可控摻雜競位外延(site-Competition-Epitay)技術是CVD法制備摻雜SiC薄膜的關鍵技術，其基本原理是n(N、P等摻雜)型雜質與C原子競爭SiC晶體中的碳格位，p(Al、B等摻雜)型雜質與Si原子競爭硅格位。通過引入雜質氣體，調整反應氣體的C/Si比，能夠實現(xiàn)SiC薄膜在外延生長過程中的原位摻雜與摻雜濃度的控制。由于3C-SiC薄膜生長溫度通常低于1400℃，3C-SiC薄膜的可控摻雜的研究還不夠深入。不同襯底Si晶面對3C-SiC薄膜生長的影響

分析觀察到至少在（100）和（111）Si取向的襯底上的外延薄膜生長有第一序孿晶，而在Si（110）襯底，薄膜生長不是沿著襯底方向，而是在第一序和第二序孿晶生長到200nm后，孿晶生長方向從<110>向變?yōu)?lt;111>向。AFM對3C-SiC薄膜的粗糙分析和曲率半徑測量表明結構和平均殘余應力與Si襯底取向密切相關。因而，我們可以通