（凝聚态物理专业论文）sic薄膜的低压化学气相外延生长及其微结构特性研究.pdf

摘要 s i c 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s i 衬底、蓝宝石衬底和s i c 衬底上外延生长s i c 薄膜 的工艺技术和生长条件对s i c 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s i c 薄膜外延生长过程的理解。 第一章综述了s i c 材料的基本性质以及s i c 材料和器件的研究进展。包括 s i c 的结构性质、物理化学性质、s i c 块材单晶的发展历史和制备方法、s i c 器 件工艺和典型的s i c 器件。最后还介绍了制备s i c 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s i c 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1 6 0 0 。c 的低压 c v d 设备的工作原理和组成部分。此外，鉴于所采用的源气( s i l l 4 、c 3 h s ) j f t j 载气 ( h 2 ) ，根据复相反应模型建立了s i c 薄膜生长的气相反应和表面反应的两步机制， 分析了s i c 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s i 衬底上外延s i c 薄膜。对s i ( 1 1 1 ) 衬 底，发现随着生长温度( 1 1 5 0o c 1 3 5 0o c ) 的提高，外延层的结晶质量改善。由样 品的s e m 截面图可知在生长温度从1 1 5 0o c 一1 2 7 0o c 时，s i c 薄膜的厚度由9 6 n i n 增加到1 3 4n l n 。继续升温到1 3 5 0o c ，s i c 薄膜的厚度急剧降低到6 0n i n 。由 样品的s e m 表面形貌图可推测在生长温度低于1 3 5 0o c 时，s i c 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1 3 5 0o c 时，s i c 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，s i c 薄膜的生长方式从三维变为二维。将s i c ( 1 1 1 ) 摇摆曲线半高宽为2 0 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【1 1 1 方向被拉长并容易和埃瓦 尔德球相交有关。对s i ( 1 0 0 ) 衬底，发现s i c ( 2 0 0 ) 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s i c 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s i c 薄膜中的应力，发现随着碳化温度的增 加，s i c 薄膜中的张应力变小。随着碳化温度的提高，s i 衬底表面的s i 原子活 性增强，s i 衬底与s i c 薄膜界面处的j l 洞形成几率增大，这些孔洞可以缓解薄膜 中的应力。对s i ( 1 l o ) 衬底，r h e e d 衍射图像表明在s i ( 1 1 0 ) 衬底上已经沉积了单 晶3 c - s i c 薄膜。x r d 图表明s i c ( 1 1 1 ) 平行于s i ( 1 1 0 ) ，s i c ( 1 1 1 ) 的摇摆曲线半高 宽仅为o 7 0 。对该薄膜进行微结构表征，透射屯子束沿着立方s i c 薄膜的 1 1 l 】 入射。以六重对称性显示的六个斑点表示立方碳化硅的 2 2 0 晶面族。从相应的 高分辨像中可看出晶格条纹间距为0 1 5 4n u l ，对应立方碳化硅的 2 2 0 晶面间距。 第四章探讨了c 面蓝宝石衬底上s i c 薄膜的外延。在没有a i n 缓冲层的情 况下，通过对反应条件的控制，获得了6 h s i c 和3 c s i c 薄膜，它们的x r d 摇 摆曲线半高宽分别为o 6 0 和1 1 0 。在低的s i h 4 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a b c a c b ( 6 h s i c ) 的堆垛次序易于形成。相 反，高的s i h 4 流速和低的反应温度则形成了a b c a b c 的堆垛次序( 3 c s i c ) 。并 且s i c 相图的理论预言，获得6 h s i c 的生长温度要比3 c s i c 高，也和我们的实 验结果相吻合。6 h s i c 薄膜与3 c s i c 薄膜的平均晶粒尺寸约1 5 0 2 0 0n m ，它们 的表面1 t r l s 粗糙度分别约2i l l y l 和8n 1 2 q ，可知6 h s i c 薄膜比3 c s i c 薄膜平坦， 这从s e m 表面形貌图中也可看出。6 h s i c 的x p s 谱分析表明，位于1 0 0 3e v 的 s i 2 p 3 2 对应s i c 中s i 元素的束缚能，位于2 8 2 6e v 的c l s 峰对应s i c 中c 元素 的束缚能，表明在宝石衬底表面形成了s i c 薄膜。 第五章研究了6 h s i c ( o o o o 无偏角衬底上s i c 薄膜的外延。典型的r h e e d 谱表明薄膜属于立方结构( 3 c s i c ) 。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s i h 化物气 相成核，形成的s i 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a f m 像可知存在垅脊和刮痕，它们在生长薄膜后消失。 由衬底( 6 h s i c ) 与薄膜( 3 c s i c ) 较好的晶格匹配( 失配 2 0 0 ) 。由于晶格常数a 基本相等，s i c 同质多型体有 理想的晶体化学相容性。这些多型体的形成自由能很接近，但多型体之间具有很 高的能量势垒。在基本化学成分相同的条件下，同质多型体间的物理性质，特别 是半导体特性有着独立的多样性，表现在带隙、载流子迁移率以及击穿电压等性 质各不相同【1 4 1 。在工艺方面，s i c 同质多型体在扩散、氧化等加工过程也表现出 各自固有的选择性【1 5 】。 由于s i 、c 双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构，从而形成了庞 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 大的s i c 同质多型族，目前已知的就有2 0 0 多种。图l 一2 显示了四种s i c 多型 体中s i 和c 原子排列结构，其中a 、b 和c 表示密堆积三种不同的排列位置。 由于沿晶轴方向不同的堆积顺序，s i c 可以表现出立方闪锌矿( 1 3 一s i c ) $ 1 六方纤锌 矿结构f 值一s i c ) 。如果是a b c a b c ，得到闪锌矿型的3 c s i c ；若是a b a b ， 则得到2 h s i c ；若是a b c b a b c b ，形成4 h s i c ：若是a b c a c b ，则形成 6 h s i c 。s i c 同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人们研究最多的是 立方密排的3 c s i c 和六方密排的2 h 、4 h 和6 h s i c 。3 c s i c 是纯粹的立方结 构，2 h s i c 是纯粹的六方结构，但结构不稳定，在低于4 0 0o c 的温度下将转化为 其它多型体。4 h 和6 h 多型体的伍一s i c 都是立方和六方两种结构的混合体，区别 是六方和立方所占比例不同，前者是1 ：1 ，后者是2 ：l 。s i c 还以菱形结构形式存 在，如1 5 r 、2 1 r 等。 abc a bc abc a 1 8 ca ( c ) ( d ) 图1 - 2s i c 结构示意图a ) 3 c s i c ： b ) 2 h - s i c ，c ) 4 h s i c ，d ) 6 h - s i c 。 1 1 2s i c 的物理和化学性质 s i c 具有一系列优良的物理和化学性能，主要表现在： 4 中国科学技术大学博上学位论文第一章 ( a ) 力学性质1 1 6 】：s i c 具有良好的力学性能。人们最早发现的特性之一就是它的 高硬度( 克氏硬度为3 0 0 0k g m m 2 ) ，可以切割红宝石。它还具有高耐磨性，仅次 于金刚石。 ( b ) 热学性质：s i c 的热导率甚至超过了金属铜，是副的3 倍，是g a a s 的8 1 0 倍，从而由器件产生的热量可以迅速驱散，这对于大功率器件非常重要。s i c 的 热稳定性较高，在常压下不可能熔化s i c 。在高温下，s i c 升华并分解为含c 和 含s i 的s i c 蒸汽。 ( c ) 化学性质f 1 7 - 1 8 j ：s i c 的化学性质非常稳定，耐腐蚀性非常强，室温下几乎可 以抵抗任何已知的腐蚀剂。s i c 表面易氧化生成s i 0 2 薄层，能防止其进一步氧化， 在高于1 7 0 0o c 时，这层s i 0 2 熔化并迅速发生氧化反应。s i c 能溶解于熔融的氧 化剂物质，如熔融的n a 2 0 2 或n a 2 c 0 3 k n 0 3 混合物，也可与氟反应而不留下任 何残留物。s i c 在9 0 0 1 2 0 0o c 时可以和c 1 2 和c c l 4 迅速发生反应，留下石墨残 留物。在晶体对称性和方向性的研究中，可以用熔融的氧化剂和氟作为s i c 的表 面腐蚀剂。 ( d ) 电学性质：s i c 材料之所以在军事、航天等领域有巨大的应用潜力，与它优 良的材料性能尤其是电学性能紧密相关。3 c s i c 的电子迁移率是已知s i c 多型 中最高的。4 h s i c 和6 h s i c 的带隙约是s i 的三倍，g a a s 的两倍；其击穿电场 强度高于s i 一个数量级，饱和电子漂移速度是s i 的2 5 倍。4 h s i c 的带隙比 6 h s i c 更宽，电子迁移率接近3 c s i c ，而且各向异性小【1 9 】，被认为是大功率应 用方面最有前途的s i c 材料【2 0 一捌。 1 1 3s i c 块材单晶的制备 s i c 又称金剐砂，在自然界中并不大量存在，最初的s i c 只是出现在陨石中， 因此被人们称之为“天外来客”。不同于s i 材料，s i c 材料一般不用熔体提拉法 进行单晶材料的制备，这主要是因为在现有实验条件所能达到的压力条件下，s i c 没有熔点，而只是在1 8 0 0o c 以上时升华为气态。其次，在目前实验条件所能达 到的温度条件下，c 在s i 熔体中的溶解度也非常小，因而熔融生长法不能用于 s i c 单晶的生长。它的第一次合成纯属偶然，1 8 2 4 年，瑞典科学家j j a c o b b e r z e l i u s 中国科学技术大学博士学位论文第一章 在试图制各金刚石时意外发现了这种新的化合物。由于其原子间的结合能很大， 开始人们还以为它是一种元素。1 8 8 5 年，a c h e s o n 用电弧熔炼法生长出s i d l 6 1 ， 但用这种方法形成的s i c 质量较差，达不到大规模生产s i c 器件所需s i c 单晶的 质量要求。 1 9 5 5 年菲力浦研究室的l e l y 首先在实验室用升华法制各了杂质数量和种类 可控的、具有足够尺寸的s i c 单晶【2 4 1 。设计一个空腹的圆筒，将工业级纯度的 s i c 块放入碳坩埚中，加热到2 5 0 0o c s i c 发生明显的分解与升华，产生s i 和 s i c 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低温方向传输并凝聚在较低温 度处，形成s i c 晶体。此过程是一个“升华一凝聚”的过程，生长的驱动力是温 度梯度。若此过程在保护性气体( 如氩气) 中进行，使用高纯s i c 作原料，那么s i c 晶体的杂质含量可控制在1 0 ”一1 0 1 9c m 3 以下。 图1 - 3s i c 多型体与加热温度的关系。 图1 3 示出了s i c 各种多型体与加热温度之间的关系。可看出6 h s i c 始终 占支配地位，特别在2 9 2 3k 的高温。在较低温度下1 5 r 和4 h 的可能性较大，相 对于1 5 rs i c ，4 h s i c 出现在更低的温度范围。3 c ，s i c 是一种可在很大温度范围 内出现的晶体。 基于“升华一凝聚”原理的l e l y 方法实现了在2 5 0 0o c 氩气中生长s i c 单晶 小片。但这种方法的缺点是温度过高，难以对晶体生长过程中所要求的成核过程 进行有效地控制【吲，晶体的生长效率低，物理电参数分散，结晶小片的尺寸相 中国科学技术大学博士学位论文第一章 当小( 3 5r a m ) 。因此造成晶体生长的高成本而且难以提供制作半导体器件所需数 量和质量的s i c 单晶片。 从上世纪7 0 年代中期开始，人们对升华法制备s i c 单晶材料又有了新的突 破，提出了改良的l e l y 法【2 6 - 2 7 1 。该方法最重要的特征是添加了s i c 籽晶使得成 核过程变得可以控制。对真空和不同气体介质中s i c 蒸汽质量传输过程的深入研 究表明在约1 8 0 0o c 下，制备大体积单晶s i c 是可以实现的。在这种尝试中，t a i r o v 和t s v e t k o v 曾采用( 0 0 0 1 ) 晶面或与( 0 0 0 1 ) 晶面有一定偏角的籽晶，生长温度降到 了1 8 0 0o c ，真空度约1 0 一一1 0 4m b a r ，生长速率与气体介质的成分和压力有关， 与原始的l e l y 法相比，可以达到较快的生长速率f 1 1 0m m h ) 。采用确定多型体 结构的籽晶可可靠地生长出所希望晶型的s i c 单晶。大体积s i c 单晶生长的基本 过程是：原料的分解升华、质量传输和在籽晶上的结晶。晶体生长过程中的三个 重要参数是生长温度、温度梯度和反应室内的应力。生长晶体的多型结构主要由 生长温度与籽晶的多型及晶向决定；温度梯度和气体压力控制输运过程，因此也 就控制着生长速率。图1 - 4 是一种生长s i c 单晶的双壁坩埚型装置，在这种装置 中，作为s i c 升华源的s i c 粉置于筒状双壁坩埚的夹层之中。在约1 9 0 0o c 的高 温状态下，s i c 蒸汽先经过坩埚内层的高纯微孔石墨薄壁过滤掉杂质，然后再向 温度较低的晶体生长区扩散。 图1 - 4 一种生长s i c 单晶的装置示意图。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 2 0 0 4 年，日本丰田中央研究实验室的n a k a m u r a 等人【蚓在自然杂志中声 称，他们找到了锻制碳化硅晶体的新方法，使碳化硅晶片成本低、用途广、性能 更可靠。改良的l e l y 法采用“c 面生长法”来生长s i c 单晶，即采用( o 0 0 0 晶面 或与( o 0 0 0 晶面有一定偏角的籽晶。该方法制各的s i c 单晶大量继承了籽晶的缺 陷。而n a k a m u r a 等人创造性地提出了“重复口面生长法( r a y ) ”。该生长方法的 示意图如图1 5 所示。 图1 - 5 重复口面生长法( r a f ) 示意图。 把 1 1 j o ) 和 l i o o 称为口面，把 和 称为口轴。步骤1 ：沿着 生长方向，获得继承了籽晶的具有高密度位错的晶体。步骤2 ：由于大多数位错 以垂直于第一次a 面生长方向的方式存在，获得的晶体其表面的位错数量大幅度 中国科学技术大学博士学位论文第一章 减少。因此，第二次a 面生长继承了少量的位错。步骤3 ：由于堆垛层错只在垂 直于c 轴的方向被继承，通过c 面生长消除在前述生长过程中产生的堆垛层错。 他们的研究表明，用该方法生长的s i c 单晶比常规方法生长的s i c 单晶质量大幅 度改善，表面腐蚀坑密度大幅度降低。用该材料制备的p i n 管可靠性得到大幅度 的提高。该研究组还经过对坩埚结构、生长条件和籽晶位置等的优化，获得了缺 陷密度较传统方法降低2 3 个数量级的1 5 3 英寸的s i c 单晶。 法国国家工艺研究院教授罗兰一梅达在为该成果1 2 9 】作评时指出，这项研究成 果为困扰了工程界数十年的s i c 材料商业化转型铺平了道路。“这些结果是引入 注目的，它的工艺是材料科学界的一项重大革新”，他说，“碳化硅终于成为了 硅在半导体王国王位的有力竞争者”。 目前，世界上主要的s i c 单晶衬底供应商如美国的c r e e 公司、日本的s i x o n 公司都采用改良的l e l y 法来生长块材s i c 单晶。除了改良的l e l y 法外，制各s i c 块材单晶还有高温化学气相沉积( h t c v d ) 法【3 0 1 、连续种晶物理气相输运法 ( c f p v t ) 3 1 。2 】和卤化物化学气相沉积法( h c v d ) 【3 3 】。h t c v d 法采用的生长系统 与升华法所用的系统相似，但籽晶置于坩埚顶部。c f p v t 法采用高纯硅和高纯 碳( 如多孔石墨盘) 直接注入生长区，避免了通常采用s i c 粉末所造成的污染，著 且生长过程中原材料可以连续供应，避免了s i c 粉末消耗过大所造成的生长停 顿。这两种方法的优点是增加了原材料的纯度而使得块材单晶的电导率显著降 低，可以获得杂质浓度只有1 0 1 5 c m 。3 的轻掺杂s i c 单晶，也可以利用杂质补偿来 生长用于大功率器件和射频器件的半绝缘s i c 单晶。但这两种方法所制备的块材 单晶最大直径只有两英寸，而用改良的l e l y 法制备的块材单晶最大尺寸可达四 英寸。卤化物化学气相沉积采用s i c h 和c 3 h 8 作为s i 源和c 源，这两种原料分 别在a r 和h 2 的携带下各自注入反应室，在2 0 0 0o c 生长。该方法生长速率高， 获得的单晶电子陷阱少，电学性质好。 1 1 4s i c 器件研究 s i c 的优异性能决定了其器件能在高温、抗辐射条件下工作；具有高频、高 速、耐高压和大功率工作性能：减少或不用冷却散热系统【3 4 1 。超高质量s i c 单 9 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 晶的获得，加快了s i c 在下一代电子装置中应用的步伐。 1 1 4 1s i c 器件工艺 ( a ) 氧化：s i c 能被氧化生成s i 0 2 ，因此器件制作可以与成熟的硅器件平面 工艺相兼容。s i c 的氧化工艺有热氧化( 干氧和湿氧) 、阳极氧化和离子注入氧化。 考虑到氧化膜质量和氧化速率，通常采用于氧+ 湿氧+ 干氧相结合的方式【3 5 】。 ( b ) 光刻：除了用化学刻蚀和热刻蚀使s i c 微剖面成形外，还可用反应离子 刻蚀( r i e ) 和微波电子回旋共振( e c r ) 等离子体刻蚀【37 1 ，后者产生的等离子 体活性高，密度大，能量小，对晶片表面造成的损伤小。离子刻蚀后的损伤可通 过退火消除。 ( c ) 掺杂：( 1 ) 可通过s i c 薄膜外延生长实现竟位外延。即利用n 原子占据 s i c 晶格中的c 位置，a l 原子占据s i c 晶格中的s i 位置，通过改变气体源中的 s i c 比来有效控制杂质进入。( 2 ) s i c 材料化学稳定性高，常用掺杂元素的扩散 速度非常缓慢，高温扩散技术不适用，通常使用离子注入。可通过注入剂量和离 子能量精确控制掺入杂质的浓度、分布和注入深度。b 和n 可以在室温注入， a l 和p 要在高温下采用a i + c 和n + p 共注入实现，单一的注入a l 或p 效果不好 1 3 8 1 ，注入后形成的晶格损伤可通过高温退火消除。 ( d ) 金属化：( 1 ) s i c 的禁带宽，多数金属膜和s i c 形成肖特基整流接触，为 了形成欧姆接触，要产生非常高掺杂的s i c 表面层，或者通过金属半导体接触的 高温合金化退火。( 2 ) 可以通过a 1 t i 合金在p 型s i c 外延层上形成欧姆接触3 9 ； 通过t i 、n i 、a g 合金蒸发在n 型s i c 上，而后高温合金化形成欧姆接触，t i c 也可以与n 型s i c 形成欧姆接触, t 4 0 l 。 ( e ) 绝缘边技术与钝化：有场板技术、绝缘环、结终端扩展等。用作介质和 保护层的还有s i 3 n 4 ，a 1 n ，a 1 2 0 3 等。 1 1 4 2 主要s i c 器件 国际上s i c 器件的研究开展较早，目前已实现商业化的有蓝光发光二极管 中国科学技术大学博士学位论文第一章 和肖特基势垒二极管。蓝光二极管是利用6 h s i c 同时含有施主杂质n 和受主杂 质a l 时，与这两种杂质有关的施主一受主对复合蓝色发光，其发光带的峰值波长 约为4 7 0n l t i 。肖特基势垒二极管( s b d ) i n 为没有少数载流子的储存，没有反向 恢复电流，因此开关速度快，开关损耗小。s i c 与许多金属( 如n i 、a u 和t i 等) 都可形成势垒高度l e v 以上的肖特基势垒接触，比硅与金属的肖特基势垒接触 高度大，从而反向漏电流较小，阻断电压较高。此外，s i cs b d 因s i c 材料具有 很高的击穿电场，外延层可以非常薄，掺杂浓度大，使得s i cs b d 的导通电阻 较小，功耗较低。于是s i cs b d 自上世纪九十年代以来就成为人们开发电力电 子器件关注的对象。1 9 9 2 年，美国北卡大学功率半导体研究中心首次报道了他 们研制成功的阻断电压达4 0 0v 的6 h s i cs b d 4 ”。2 0 0 1 年，s i cs b d 开始实现 商业化，目前阻断电压高达1 2k v 的s i cs b d 已经由c r e e 公司投向市场 3 8 1 。 可作为功率整流器件的除s i cs b d 外还有s i cp i n 二极管和s i c 结型势垒 肖特基二极管( j b s ) 。s i cp i n 二极管是一种可以实现高阻断电压、高功率的双极 器件。该器件通常做成台面型，以实现高反压，它在降低开关损耗方面远不如 s i cs b d ，但在承受高反压方面远非s i cs b d 所能企及。c r e e 公司已做出采用结 终端技术的反向阻断电压达2 0 k v 的s i c p i n 二级管，其工艺如下：先在微管密 度为3 5c m 2 的n 型4 h s i c 衬底上外延低掺杂浓度( 2 x 1 0 1 4 c m 3 ) 2 0 0g m 厚的 4 h s i c 外延层，接着采用a 1 离子注入的方法在这层厚膜上形成掺杂浓度为 5 x 1 0 1 8 c m 弓的p 型区以形成p i n 结构。该器件在电流密度达1 0 0a c m 。时的正向 压降为6 - 3v 。大功率、高反压s i cp i n 二极管通常在运行一段时间后会出现正 向压降增大等退化现象，造成这种现象的原因是器件运行时外延薄膜中结构缺陷 的延伸。这些缺陷成为复合中心而降低少数载流子的寿命。c r e e 公司的研究人 员宣称已经找到了解决方案，但是他们没有对外透露。最近，c r e e 公司研制成 功了超高功率( 1 0k v 、5 0 a ) 正向压降为3 7 5v 的s i cp i n 二极管m j 。 s i cj b s 是一种兼有s i cs b d 和s i cp i n 二极管两种优势的器件 4 4 1 。对这种 结构( 示意图见图1 - 6 ) 来说，与材料禁带宽度有关的p n 结势垒高度和由金属半 导体功函数差决定的肖特基势垒高度差别较大。当j b s 器件正向偏置时，肖特 基势垒区可因势垒低而首先进入导通状态，成为器件的主导，而p n 结则因开启 电压较高而基本不起作用；在反向偏置时，p n 结正好可以发挥其高势垒的作用， 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 在高反压下以迅速扩展的耗尽区为肖特基势垒屏蔽强电场，从而使反向漏电流大 幅下降。 s o u r c e 图1 - 6 带终端设计的j b s 结构。 图1 7 埋沟m o s f e t 示意图。 s i c 开关器件包括单极晶体管( m o s f e t 和j f e t ) 和双极晶体管( b j t ) 。由于 m o s 功耗小，并且易于缩小器件尺寸，目前研究较多的是s i cm o s f e t 。从1 9 9 2 年开始研制这种器件起，在起初的三、四年间，其阻断电压基本上是每1 3 个月 翻一番，随后则几乎每半年就翻一番。由于s i c s i 0 2 的界面态密度高，加上器 件工艺中离子注入后的高温退火或反应离子刻蚀增加了s i c 表面的粗糙度，使得 s i c 反型层的电子迁移率较体材料大幅降低。通过一种被称为a c c u f e t ( 埋沟 m o s f e t ) 的如图1 7 所示的结构设计【4 5 l ，使沟道载流子和s i c s i 0 2 界面态分开， 可以实现沟道迁移率的改善。此外通过选择特定的晶面( 如s i c ( 1 1 2 0 ) ) 或氮氧化物 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 退火技术来降低界面态密度，目前已在外延p 型s i c ( 1 1 2 0 ) 上制各埋沟型m o s 器件，其峰值场效应迁移率为2 1 6c m 2 v s 4 6 l ，在s i c ( o o o d 上峰值场效应迁移率 也已达到1 4 0c m 2 v s 4 7 1 除此以外，半绝缘体s i c 电子器件，如r f 微波晶体管也被国外主要s i c 器 件制造商所关注。s i cm e s f e t 的基本器件结构和s i cm o s f e t 有所不同，栅 极采用金属与半导体形成的肖特基接触来取代m o s f e t 中的金属与s i 0 2 形成 的接触。由于没有s i c s i 0 2 界面，沟道载流子的迁移率较高，因而可做微波器 件使用。s i c m e s f e t 为横向导电机构，线形度高，频带宽，增益高，特别适合 于功率较小的单片微波集成电源。s i cm e s f e t 的栅长短则频率高，沟道掺杂浓 度高则栅电容和栅电阻小。c r e e 公司s i cm e s f e t 由直径7 5i d a 2 的高纯度半绝 缘4 h s i c 衬底制成，采用外延工艺，以获得与衬底材料的匹配，样管的工作电 压5 0v ，工作频率为2g h z ，输出功率1 0w ，整个晶圆上的芯片具有很好的均匀 性。 除了上述的分立器件外，国外对s i c 集成电路也有所研究。s i c 集成电路 的研究目标是获得高温数字电路，用于智能功率i c s 的控制电路。美国普渡大学 曾研制出基于反型沟道6 h s i cn m o s f e t s 单片数字集成电路，包括与非门、或 非门、同或门和半加器电路。在较宽的范围内可正常工作。 美国阿肯色州立大学的技术人员从美国政府得到了1 0 0 万美元，以协助设立 一个研发s i c 芯片的技术中心来升级美国的供电电网。s i c 芯片对电涌的反应比 机电器件更快，而且可以承受更高电压，可在高温下工作，因此被看作是电网问 题的解决方法之一。c r e e 公司得到了价值为1 2 1 0 万美元的成本加固定费用合同， 以开发基于s i c 的高电压开关器件，用以优化电力分配系统，使主要电网的效率 更高、切换更快，特别是远距离线路。 1 2s i c 薄膜制各 s i c 器件制作主要在s i c 单晶衬底支撑的s i c 薄膜上进行。人们不直接在s i c 单晶片上制作s i c 器件的原因，一方面是晶片的生长温度较高导致杂质含量较 高，非故意掺杂较为严重，相对于薄膜其电学性能不够好，难以达到器件制作的 中国科学技术大学博士学位论文第一章 要求；另一方面是扩散掺杂对s i c 要求的温度太高，难度太大，对s i c 的掺杂以 离子注入法为宣，而直接对s i c 晶片进行离子注入掺杂的效果远不如在外延片上 取得的效果好。s i c 薄膜的制各方法主要有：升华法、液相外延法、溅射法、脉 冲激光沉积、分子束外延和化学气相沉积等。 1 2 1 升华法 升华法通常使用固态源，生长速率很高( 4 0 0r t m h ) ，远超过其它方法的生长 速率，但生长的薄膜均匀性不好并且尺寸较小。s h s e o 等人【4 8 】采用6 h s i c 衬底 升华外延生长s i c 薄膜，研究了初始阶段的成核和生长行为，表明衬底表面的成 核和台阶流动依赖于生长温度、生长压力和表面极性。在6 h s i cs i 面观察到了 台阶流动结构：在6 h - s i cc 面，生长温度为1 6 0 0o c 时观察到了二维岛状扩展成 核和共聚；生长温度为1 7 0 0 2 1 0 0o c 时发生了明显的非均匀台阶流动行为，但比 s i 面上所长的薄膜表面光滑。升温速率和最终压力对表面结构也有影响。 1 2 2 液相外延法 该方法通常使用熔体硅作为溶剂，以碳作为溶质，形成s i c 的过饱和溶液。 在生长过程中，生长层和过饱和层保持热平衡状态，用液相外延法生长的s i c 单 晶薄膜质量好，具有较高的载流子霍尔迁移率和较低的微管缺陷密度和深能级密 度，具有较好的光学性能，s i c 蓝光二极管材料就是用液相外延法生长的。液相 外延的缺点是不容易实现大批量生产，掺杂较为困难。o f i l i p 等人4 9 1 使用 6 h s i c ( 0 1 l5 ) 面作为衬底，在稀释的s i 基熔体中液相外延生长6 h s i c 薄膜。研 究表明薄膜以台阶流动方式生长，并且薄膜表面光洁如镜。使用水平浸渍的方法， 6 h s i c ( 0 1l5 ) s i 面上薄膜的生长速率达到了0 2v j n h ，薄膜表面r l n s 粗糙度为1 0 n m ，和衬底相当。然而，6 h s i c ( 0 1 15 ) c 面显示了完全不同的表面形貌。虽然生 长速率达到1 岬1 h ，但岛状粗糙的表面表明形成了台阶束。tu j i h a r a 5 0 】等人研 究发现，在s i c 衬底上液相外延s i c 薄膜可以覆盖诸如微管在内的大尺寸缺陷， 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 改善了结晶质量。在生长之前，堆垛层错密度高，大尺寸缺陷附近的载流子浓度 分布不均。而在生长之后，堆垛层错密度小于生长之前并且载流子浓度均一性得 到改善。 1 2 3 溅射法 溅射的原理是向真空系统中充入少量所需要的气体( 时，n 2 等) 。气体分子在 强电场作用下电离而产生辉光放电。气体电离产生大量带正电荷的离子受电场加 速而形成高能量的离子流，它们撞击在阴极表面，使阴极表面的原子飞溅出来， 以自由原子形式或以反应性气体分子与剩余气体分子形成化合物的形式淀积到 衬底上形成薄膜。z d s h a 等人【5 1 1 使用单晶s i c 为靶材，在单晶s i 衬底上利用 射频磁控溅射法生长s i c 薄膜。将此薄膜在7 0 0 1 0 0 0o c 氮气氛中退火处理，退 火温度对薄膜结晶质量有较大影响，x r d 结果表明退火温度低于1 0 0 0o c 时， 薄膜呈非晶形态。室温下的光致发光谱表明薄膜具有可见区的发光，发光的起源 与碳团簇和带间缺陷有关。ys u n 等人【5 2 1 使用k o h 腐蚀的带有曲面的s i 为衬底， s i 靶和c 靶为靶材，在1 0 0 0 1 1 0 0o c 使用氢等离子共溅射方法制备s i c 薄膜。 低于1 0 7 5o c 时，在s i ，s i c 界面处没有观察到孔洞。这与s i 曲面上s i c 键较小 的形成能有关。 1 2 4 脉冲激光沉积( p l d ) 将准分子激光器产生的强脉冲激光束聚焦在靶材表面，通过靶材吸收激光束 的能量，使其温度迅速升高到蒸发温度以上，形成局域化的高浓度等离子体。该 等离子体继续与激光束作用并吸收激光束的能量，产生进一步电离形成高温高压 等离子体。高温高压等离子体经历一个绝热膨胀发射的过程迅速冷却，到达靶对 面的衬底后即在其上沉积成膜。h m u t o 等人口3 使用a s i c 作为靶材，利用p l d 技术在s i ( 1 1 1 ) 和a 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) 上外延了a s i c 薄膜，该薄膜的多型由r h e e d 确 认。衬底的加热温度为1 2 0 0 1 3 0 00 c ，低于1 3 - s i c 向o s i c 的转变温度( 1 6 0 0 。c ) 。 它们摸索出的最佳生长条件为：激光能量4 0 5 0m j p u l s e ；靶材能量密度 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 0 5 1 j c m 2 p u l s e ；脉冲频率1 - 2h z ；背景真空2 x 1 0 。7 p a 。 1 2 5 分子束外延 该方法是在超高真空( 1 0 8 p a ) 条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流 的强度，在基片上外延成膜的技术。生长温度低，生长速率慢，外延薄膜质量好。 般的分子束外延系统都配有如反射高能电子衍射( r h e e d ) 之类的装置，为研究 材料的具体生长细节提供了条件。但分子束外延设备也存在一些缺陷，如受反应 源的限制，无法制备所有材料；生长速率太慢，不适合工业化生产等。m d i a n i 等人【5 4 1 在3 x 3 重构的s i 面6 h s i c 衬底上重复周期性地沉积s i ，而后通入乙烯 碳化接着9 0 0o c 退火以形成3 c s i c 。透射电子衍射表明形成的1 6n l r l 厚的外延 层是单晶3 c s i c 。在低温m b e 生长s i c 薄膜的过程中，c 比s i 在衬底表面具 有长的寿命，因此最佳生长条件应该是硅碳比( s v c ) 稍大于1 。 1 2 6 化学气相沉积 化学气相沉积( c v d ) 是借助空间气相化学反应在衬底表面沉积固态薄膜的 工艺技术。化学气相沉积的源物质可以是气态的也可以是固态或液态的。利用化 学气相沉积法可以控制薄膜的组分及合成新的结构，可用来制各半导体、金属和 绝缘体等各种薄膜。c v d 设备有多种类型，根据反应室的形状，可分为水平式 和立式；根据生长时的气压分为常压和低压；根据生长时反应室的冷却状态，分 为热壁和冷壁，常见的c v d 反应室示意图见图1 8 。近年来，由于半导体集成 电路的发展和生产的需要，c v d 技术得到了更迅速和和更广泛的发展。目前， s i c 功率器件所需s i c 薄膜基本都是用化学气相沉积方法制各的。化学气相沉积 之所以广受青睐，是因为该技术有着独特的优势，主要体现在：( 1 ) 它是一种气相 反应，可通过精确控制各种气体的流量来精确控制薄膜的厚度、组分和导电类型。 ( 2 ) 可制备大面积、高均匀性的外延膜，适合于批量生产。( 3 ) 灵活的气体源路控 制技术使生长过程易于控制，降低随机因素，增加工艺重复性。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 0oooo g a s 抓 对 c ) 0oooo g a s 雏 i m o 0o oo o 图l 一8 常见c v d 反应室示意图( a ) 水平热壁，( b ) 烟囱热壁， ( c ) 垂直冷壁，( d ) 行星式热壁。 s i c 薄膜的生长方法较多，其中最成熟和成功的是c v d 法。上世纪八十年 代初，n i s h i n o 等人【5 副使用水平冷壁石英管在s i 衬底上获得单晶3 c - s i c 薄膜， 使用的源气是s i h 4 和c 3 h 8 ，h 2 为载气。后来为了降低温度，人们使用既含s i 又含c 的物质( 如c 3 h 3 s i c l 3 等) 作为生长s i c 的原料。b a l i n g 等人 5 6 1 使用了无毒、 非易燃的有机物c 7 h 2 0 s i 2 作为反应源，使用射频加热在s i ( 1 0 0 ) 衬底上于 1 1 0 0 1 3 5 0o c 之间沉积3 c s i c 薄膜。当不使用缓冲层时，所沉积的s i c 薄膜在 x r d 图上显示为自由取向，随着沉积温度的增加，s i c ( 1 1 1 ) 衍射峰逐渐增强，表 明薄膜具有择优取向。如果s i 衬底先和碳氢化物反应生成层缓冲层，而后再 通入c 7 h 2 0 s i 2 ，则可以在温度只有1 1 0 0o c 时就可以生长出单晶s i c 薄膜。虽然 透射电镜的结果表明该缓冲层是具有良好取向的多晶结构，多数晶粒和衬底具有 外延关系，少数晶粒自由取向，但它还是有益于s i c 薄膜的异质外延。反射高能 电子衍射的结果表明随着生长温度的升高，衍射斑点条纹化，意味着薄膜表面变 得平整。透射电子衍射表明该s i c 薄膜具有孪晶、层错和反向畴界。 s i 衬底上外延s i c 薄膜除了使用s i c 缓冲层外，近年来人们还尝试使用b p 1ll1，j ， ebbbm目mhmwbmne目目玎日h日瑚日目h龃hh丑 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 缓冲层5 7 1 与s i n 。缓冲层5 即来缓解因s i c ( a = 0 4 3 6r i m ) 与s i 似= 0 5 4 3n m ) 之间较大 的晶格失配( 2 0 ) 所造成的应力。b p ( a = 0 4 5 4n m ) 是一种立方结构的i v 族化合 物半导体，用它作缓冲层比直接在s i 上外延3 c s i c 晶格失配小。然而，在无磷 气氛下，b p 在9 0 0o c 就容易分解。为了解决这一问题，在b p 表面先生长一层 s i 薄膜，接着对此s i 膜进行碳化，而后再外延生长s i c 薄膜。x r d 结果表明有 b p 缓冲层的s i c 薄膜其结晶质量大幅改善。并且研究还发现s i c 薄膜的表面粗 糙度随缓冲层b p 的表面粗糙度增加而增加。c k ，k w a n g 等人【5 8 】在s i ( 1 1 1 ) 村底 表面先沉积一层s i n 。薄膜，而后再沉积s i c 薄膜。和没有s i n x 过渡层的s i c 薄 膜相比，s i s i c 界面的孔洞消失，s i c 薄膜的结晶质量改善。 图1 9 “u n d u l a n t s i ”的表面结构示意图。 为了降低正轴s i 衬底上外延s i c 薄膜的反相边界密度，人们使用了偏角s i 衬底( 如s i ( o o ) 朝 方向偏2 。或4 0 ) 以增加沿某一方向畴的扩展f 5 9 】。2 0 0 2 年， 日本的hn a g a s a w a 6 0 1 等人发明了一种消除s i 衬底上异质外延3 c s i c 薄膜面内 缺陷的新方法，该方法不仅能消除反相边界，而且能有效地消除孪晶。通常孪晶 界平行于 1 1 1 ) 晶面族，为了有效地消除它，平行于( 1 1 1 ) 或者( 1 1 1 ) 晶面的孪晶界 必须等密度的分散于3 c s i c 外延层中。为满足这一条件，可在s i ( 0 0 1 ) 表面以 s i 1 1 0 和s i u o 方向形成起伏状的斜面( “u n d u l a n ts i ”) ，如图1 - 9 所示。“u n d u l a n t s i ”的制备工艺如下：首先将正轴s i 衬底沿 1 1 0 】方向用金刚石研磨膏研磨以形成 ir 中国科学技术大学博士学位论文第一章 连续的条纹，垄脊沿 1 1 0 】方向排列：接着将其在干氧气氛下于1 1 0 0 。c 氧化5 小时以消除因研磨所引起的缺陷；最后将约2 0 0r 皿厚的氧化层在5 h f 溶液中 去除。原子力显微镜显示垄脊间距为4 0 0 7 0 0n i l ，垄脊深度为7 。2 6n n 2 。图卜l o 为取向有差异的s i ( 1 0 0 ) 衬底上3 c s i c 薄膜的形貌，可看出在“u n d u l a n ts i ( 1 0 0 ) ” 上生长的s i c 薄膜表面光滑。 图1 一l o 不同衬底上3 c - s i c 薄膜的形貌( a ) 正轴s i ( 1 0 0 ) ， ( b ) 条纹状s i ( 1 0 0 ) 。 y t h e n 等人【6 l 】使用常压化学气相沉积装置，在碳化的s i ( 1 0 0 ) 衬底上于1 3 3 0 o c 高温下通入h m d s ( s i 2 ( c h 3 ) 6 ) 生长s i c 薄膜，研究了不同厚度s i c 薄膜的低温 ( 1 1 k ) 发光性质，如图i - i i 所示。由图可以看出，当薄膜厚度为9 1 阻时，存 在氮束缚激子零声子线n o 及其一级、二级声予伴线和施主受主对复合发光峰 b o 及其声子伴线。不同厚度的s i c 均可以看出有d i 峰，它起源于双空位相关的 中心，这和j a p o w e l l 等人l 6 2 1 的结果相一致。此外，不同厚度的s i c 薄膜中均 可看到位于2 1 5e v 附近由位错引起的宽峰( w 带) 。w 带和氮束缚激子的二级声 子线重合，在薄膜厚度为3 6 “m 和4 3 a m 时它比氮束缚激子的声子伴线宽，强 度弱。当薄膜厚度为9 1j x m 时，氮束缚激子的声子伴线强于w 带。由此可以推 断随着薄膜厚度的增加，薄膜中的应力减小，w 带的强度减弱。束缚激子的发 光增强。这与随着厚度的增加，s i c 薄膜的结晶性得到改善有关。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 1 b1 9 22 12 22 3 2 4 辨t o ne n e r g y ( e v ) 图1 - 1 1 不同厚度s i c 薄膜1 l k 的低温发光谱。 j d h u a n g 6 3 1 等人利用低压快速加热化学气相沉积装置，使用s i h 4 、c 3 h 8 和h 2 ，在s i ( 1 0 0 ) 衬底上外延单晶s i c 薄膜并研究其电学性质。他们得出的s i c 薄膜，其室温电子浓度n ( t