SiC薄膜的低压化学气相外延生长及其微结构特性研究

摘要

SiC作为目前最热门的半导体材料之一，因其具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率和高热导率等许多优点，在微电子领域有着广泛的应用前景。本论文主要研究了在Si衬底、蓝宝石衬底和SiC衬底上外延生长SiC薄膜的工艺技术和生长条件对SiC薄膜结晶质量的影响，取得了有意义的结果，其内容有助于加深对SiC薄膜外延生长过程的理解。 第一章综述了SiC材料的基本性质以及SiC材料和器件的研究进展。包括SiC的结构性质、物理化学性质、SiC块材单晶的发展历史和制备方法、SiC器件工艺和典型的SiC器件。最后还介绍了制备SiC薄膜的主要方法，如升华法、脉冲激光沉积、分子束外延和化学气相沉积等，指出化学气相沉积法是制备SiC薄膜最成功的方法。 第二章介绍了我们设计和研制的国内第一台最高温度可达1600℃的低压CVD设备的工作原理和组成部分。此外，鉴于所采用的源气(SiH4、C3H8)和载气(H2)，根据复相反应模型建立了SiC薄膜生长的气相反应和表面反应的两步机制，分析了SiC薄膜生长的物理化学过程。 第三章中我们研究了不同取向的单晶Si衬底上外延SiC薄膜。对Si(111)衬底，发现随着生长温度(1150℃-1350℃)的提高，外延层的结晶质量改善。由样品的SEM截面图可知在生长温度从1150℃-1270℃时，SiC薄膜的厚度由96nm增加到134nm。继续升温到1350℃，SiC薄膜的厚度急剧降低到60nm。由样品的SEM表面形貌图可推测在生长温度低于1350℃时，SiC薄膜以三维岛状方式生长，岛状粒子随生长温度的提高而变大。当生长温度为1350℃时，SiC薄膜的表面光滑度变好，质量明显提高。说明在此温度下三维岛状粒子发生扩散和互联，SiC薄膜的生长方式从三维变为二维。将SiC(111)摇摆曲线半高宽为2°的薄膜进行微结构表征，表明存在禁忌衍射和超晶格条纹。禁忌衍射及超晶格的出现可能与薄膜中堆垛层错或孪晶的倒易点沿着[111]方向被拉长并容易和埃瓦尔德球相交有关。对Si(100)衬底，发现SiC(200)面的摇摆曲线半高宽的数值随着碳化温度的升高而降低，意味着SiC薄膜的结晶质量随着碳化温度的升高而增加。通过拉曼散射峰位的移动来分析SiC薄膜中的应力，发现随着碳化温度的增加，SiC薄膜中的张应力变小。随着碳化温度的提高，Si衬底表面的Si原子活性增强，Si衬底与SiC薄膜界面处的孔洞形成几率增大，这些孔洞可以缓解薄膜中的应力。对Si(110)衬底，RHEED衍射图像表明在Si(110)衬底上已经沉积了单晶3C-SiC薄膜。XRD图表明SiC(111)平行于Si(110)，SiC(111)的摇摆曲线半高宽仅为0.7°。对该薄膜进行微结构表征，透射电子束沿着立方SiC薄膜的[111]入射。以六重对称性显示的六个斑点表示立方碳化硅的{220}晶面族。从相应的高分辨像中可看出晶格条纹间距为0.154nm，对应立方碳化硅的{220}晶面间距。 第四章探讨了C面蓝宝石衬底上SiC薄膜的外延。在没有A1N缓冲层的情况下，通过对反应条件的控制，获得了6H-SiC和3C-SiC薄膜，它们的XRD摇摆曲线半高宽分别为0.6°和1.1°。在低的SiH4流速和高的反应温度下，反应物原子具有高的迁移率，宝石衬底表面ABCACB(6H-SiC)的堆垛次序易于形成。相反，高的SiH4流速和低的反应温度则形成了ABCABC的堆垛次序(3C-SiC)。并且SiC相图的理论预言，获得6H-SiC的生长温度要比3C-SiC高，也和我们的实验结果相吻合。6H-SiC薄膜与3C-SiC薄膜的平均晶粒尺寸约150-200nm，它们的表面rms粗糙度分别约2nm和8nm，可知6H-SiC薄膜比3C-SiC薄膜平坦，这从SEM表面形貌图中也可看出。6H-SiC的XPS谱分析表明，位于100.3eV的Si2p3/2对应SiC中Si元素的束缚能，位于282.6eV的C1s峰对应SiC中C元素的束缚能，表明在宝石衬底表面形成了SiC薄膜。 第五章研究了6H-SiC(0001)无偏角衬底上SiC薄膜的外延。典型的RHEED谱表明薄膜属于立方结构(3C-SiC)。研究了不同生长条件对薄膜厚度的影响。随着硅烷流量的增加，碳化硅薄膜的厚度先增加后降低，表明发生了Si-H化物气相成核，形成的Si团簇被载气带走，硅烷的利用率降低。仅改变丙烷流量，碳化硅薄膜的厚度基本不变。由此可见硅烷及其分解产物的输运是碳化硅薄膜生长的限制因素。由衬底的AFM像可知存在垅脊和刮痕，它们在生长薄膜后消失。由衬底(6H-SiC)与薄膜(3C-SiC)较好的晶格匹配(失配＜0.1％)可判断薄膜开始以二维方式生长。随着薄膜生长的进行，吸附原子的扩散长度降低，其在衬底表面的迁移速率降低，于是在衬底表面润湿层的平台上发生单个岛状晶粒的成核，薄膜以三维岛状方式生长。由AFM像及RHEED图也可知薄膜后来以三维方式生长。在整个生长阶段SiC薄膜以S-K生长模式(先二维而后三维)生长。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章绪论

第二章CVD设备及SiC薄膜生长的物理化学过程

第三章Si衬底上3C-SiC薄膜的异质外延

第四章蓝宝石衬底上SiC薄膜的外延

第五章SiC衬底上SiC薄膜的外延

第六章总结与展望

博士期间成果