异质外延3C-SiC薄膜生长的研究进展

异质外延3C-SiC薄膜生长的研究进展

郭慧君2013.5.29

异质外延3C-SiC薄膜的基本原理在单晶Si衬底上直接外延3C-SiC薄膜，所获得的薄膜不但结晶质量差，单晶区域面积小，还夹杂着大量的多晶区域，不能满足半导体器件对3C-SiC外延薄膜的要求。因而，在3C-SiC外延生长之前，在Si衬底上引入“缓冲层”，以实现大面积单晶薄膜的生长。目前单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜基本有原位腐蚀（Insituetching）、碳化处理（Carbonization）和外延生长（Epitaxialgrowth）三个工艺过程组成。异质外延3C-SiC薄膜的基本原理CVD法制备3C-SiC薄膜流程图异质外延3C-SiC薄膜的基本原理原位腐蚀：反应室内通入一定量的HCl和H2的混合气体，升至高温（1000~1200℃），去除表面的亚损伤层、氧化层及杂质等，获得有Si悬挂键构成的清洁表面，以满足晶体生长需求。碳化处理：在低温下（一般小于800℃）向反应室内通入一定量的含碳气体（C3H8、C2H2、C2H4等），以H2为载气，迅速升至高温（1000~1400℃），使Si衬底表面在短时间生成极薄的SiC“缓冲层”，以缓解晶格失配。外延生长：以H2或Ar/H2混合气体为载气，通入单源气体（同时含有Si原子和C原子的气体，如c-C3H6SiH2、CH3SiBr3、C7H20Si2、(CH3)2Si、(CH3)6Si2、(C2H5)2SiH2等）或多源气体（Si源气体：SiH4、SiH2Cl2等；C源气体：CH4、C3H8、C2H2等），升至生长温度（900~1400℃），反应气体高温分解并有控制地输运到衬底表面沉积成膜。异质外延3C-SiC薄膜的基本原理3C-SiC薄膜生长的研究难点单晶si衬底与3C-SiC薄膜之间存在近20％的晶格失配和8％的热膨胀系数差异，外延生长的薄膜中往往存在大量的缺陷以及较大的残余热应力，严重制约着3C-SiC基器件性能的提高；同时由于受到生长温度的限制，3C-SiC薄膜的可控掺杂也一直是个难点。3C-SiC薄膜生长的研究难点-

界面孔洞

在碳化过程中，衬底si原子向外扩(Out-diffusion），在衬底上形成Si空位，这些空位随着碳化的进行相互连接合并，在界面处形成了孔洞。孔洞的存在，使得Si/3C-SiC界面变得粗糙，严重降低SiC/Si异质结二极管等器件的性能。研究表明，孔洞的形状与衬底取向相关，在Si(100)和Si(111)衬底上形成的孔洞为“倒金字塔”形，其底面分别为四边形和三角形，侧面取向为{111}面；Si(110)衬底上形成的孔洞为倒置的圆棒状，侧面取向也为{111}面。在Si/3C-SiC界面研究方面，Lj与steckl对孔洞的形成与消除过程作了解释，认为提高Si表面碳化过程中SiC成核率是消除界面孔洞有效的途径，而SiC成核率与碳氢化合物分压(浓度)成正比，他们在优化C3H8分压的基础上获得了无孔洞的Si/SiC界面3C-SiC薄膜生长的研究难点-

界面孔洞孔洞形成与消除示意图3C-SiC薄膜生长的研究难点-

结晶质量

摇摆曲线半峰宽（FWHM）的高低是判断SiC单晶结晶质量的有效手段，“PVT法”生长的4H-SiC和6H-SiC体单晶，其FWHM值一般小于50aresec。目前，单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜的FWHM值一般是4H-SiC和6H-SiC单晶的数倍甚至数十倍。早期的研究发现，Si（001）和Si（111）衬底上生长的3C-SiC薄膜，随着薄膜厚度的增加，FWHM值逐渐减小，表明通过增加薄膜厚度是实现高结晶3C-SiC薄膜的有效途径

3C-SiC薄膜生长的研究难点-

结晶质量传统的三步工艺过程（原位腐蚀、碳化处理、外延生长）要求在每个步骤后将样品冷却到室温，在每个步骤要花1h将样品冷却到室温。传统三步工艺法采用大气压化学气相沉积法（APCVD）或低压化学气相沉积法（LPCVD）。

在2008年，Chen等人发展了LPCVD法的修正的四步生长方式：清洁（即原位腐蚀），碳化处理，扩散过程，外延生长。并去除了传统三步工艺法中的冷却步骤，从而其操作时间更短。

3C-SiC薄膜生长的研究难点-

结晶质量用修正的四步工艺法的LPCVD能得到无孔洞的3C-SiC/Si(100)界面和高质量的缓冲层，有效地提高了3C-SiC的结晶质量。修正的四步工艺法在Si衬底上生长3C-SiC薄膜的过程示意图3C-SiC薄膜生长的研究难点-

残余应力Si和3C-SiC之间存在近8%的热膨胀系数差异，从生长温度（900~1400℃）降到室温的过程中会在薄膜中产生拉伸热应力，生长温度越高，热应力越大，降低生长温度是减少热应力的有效办法之一。单源气体中同时包含Si和C原子，并预先含有Si-C键，能够在相对较低的温度分解形成SiC。采用单源气体能够实现低温生长3C-SiC薄膜。

R.Anzalone等人也研究了生长速率对残余应力的影响，当生长速率从2.45m·h-1升高到4m·h-1时，残余压应力也从-0.78Gpa变为-1.11Gpa

。3C-SiC薄膜生长的研究难点-反相畴界单晶Si(100)衬底上生长3C-SiC薄膜，由于衬底表面存在基数倍单原子层高度的台阶，使得生长的3C-SiC薄膜中形成了由相同原子结合而成的Si-Si或C-C键，这些Si原子或C原子所属的区域为反相畴，Si-Si键或C-C键构成的边界称为反相畴界(Antiphaseboundaries)。反相畴界也会随着薄膜厚度的增加出现自我湮灭的趋势[4]。目前有两种理论模型解释此现象，一种为{111}面模型，该模型认为反相畴界沿(111)方向扩展，在两个反相畴界的交界处自我湮。另一种为{011}面模型，该模型认为反相畴界沿(011)方向扩展，并在交界处自我湮灭，因此，生长厚膜也是消除反相畴界有效的方法之一。3C-SiC薄膜生长的研究难点-反相畴界反相畴界形成示意图3C-SiC薄膜生长的研究难点-反相畴界反相畴界湮灭模型（a){111}面模型；(b){011}面模型3C-SiC薄膜生长的研究难点-层错与孪晶层错和孪晶也是单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜中的重要缺陷。目前关于对层错与孪晶缺陷的减少与控制的研究进展较少，主要有Nagasawa等在“波浪形”Si（100）衬底上制备3C-SiC薄膜，大大减少了孪晶和层错的密度。不过，随着商品化的6H-SiC，4H-SiC衬底品质的提高和价格下降，在SiC衬底上外延生长不同晶型的SiC外延层，也将有助于减少孪晶和层错密度，从而得到质量更高的3C-SiC薄膜晶体。3C-SiC薄膜生长的研究难点-层错与孪晶孪晶界自我湮灭示意图3C-SiC薄膜生长的研究难点-层错与孪晶“波浪形”衬底层错示意图3C-SiC薄膜生长的研究难点-可控掺杂竞位外延(site-Competition-Epitay)技术是CVD法制备掺杂SiC薄膜的关键技术，其基本原理是n(N、P等掺杂)型杂质与C原子竞争SiC晶体中的碳格位，p(Al、B等掺杂)型杂质与Si原子竞争硅格位。通过引入杂质气体，调整反应气体的C/Si比，能够实现SiC薄膜在外延生长过程中的原位掺杂与掺杂浓度的控制。由于3C-SiC薄膜生长温度通常低于1400℃，3C-SiC薄膜的可控掺杂的研究还不够深入。不同衬底Si晶面对3C-SiC薄膜生长的影响

分析观察到至少在（100）和（111）Si取向的衬底上的外延薄膜生长有第一序孪晶，而在Si（110）衬底，薄膜生长不是沿着衬底方向，而是在第一序和第二序孪晶生长到200nm后，孪晶生长方向从<110>向变为<111>向。AFM对3C-SiC薄膜的粗糙分析和曲率半径测量表明结构和平均残余应力与Si衬底取向密切相关。因而，我们可以通