（微电子学与固体电子学专业论文）sic高温压力传感器.pdf

摘要 摘要 i ( s i c 是当前最有潜力的宽带隙半导体材料，s i c 的优异特性使其成为制造高 温压力传感器的理恕材料口本论文主要分析了3 c s i c s i 的异质外延生长理论模 型，指出缓冲层的生长是3 c s i c 薄膜生长的关键。通过实验摸索出了适合的工 艺条件，利用a p c v d 系统采用选择生长法成功的生长了3 c s i c 单晶薄膜与多晶 薄膜，指出了a p c v d 系统生长3 c s i c 的可能机制。采用竞位外延掺杂技术实现 了对3 c s i c 的掺杂，通过理论分析与实验验证得出a l 可以与s i c 形成良好的欧 姆接触。对3 c s i c 压阻效应进行了研究，根据有利于提高高温压力传感器性能 的原则，综合不同结构和工艺，优化设计，完成3 c 。s i c 高温压力传感器的结构 与芯片版图设计。( 依据高温工况下的封装要求，进行高可靠性和低应力的封接工 艺研究，利用静电封接出合格的3 c s i c 高温压力传感器芯片，最终加工出可以 应用在高温下具有良好应用前景的s i c 压力传感器。经测试3 c s i c 高温压力传 感器具有良好的性能指标心 关键词：高温压力传感器3 c s i c 英文摘要 a b s t r a c t s i ci st h em o s tp o t e n t i a lw i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s i ti sai d e a l m a t e r i a l st op r o d u c e h i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o r f o ri t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s i n t h i sp a p e r , t h e3 c - s i c s ih e t e r o e p i t a x yt h e o r ym o d e lw a sa n a l y z e d ，w i t he m p h a s i so n t h eg r o w i n go f c a r b o n i z a t i o nl a y e r t h r o u g he x p e r i m e n t ，w eo b t a i n e da p r o p e rc o n d i t i o n a n d p m p a r e ds i n g l ea n dp o l y3 c s i cf i l m sb y s e l e c t i v ed e p o s i t i o n ，a n dp o i n t e dp o s s i b l e g r o w i n g m e c h a n i s mo f3 c - s i c b y a p c v d s y s t e m s i t e c o m p e t i t i o ne p i t a x y t e c h n o l o g yw a ss u c c e s s f u l l y u s e df o rt h ea d u l t e r a t i o no f3 c s i c o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n ga n de x p e r i m e n t a l l ye x p l o r i n g ，w ek n o w a tc a nf o r m g o o do h m i c c o n t a c t sw i t h3 c - s i c t h ec h a r a c t e r i z a t i o no f3 c - s i ca sap i e z o r e s i s t o rw a ss t u d i e d t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r e s e n s o r , w es y n t h e s i z e d d i f f e r e n ts t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g y , a n dd e s i g n e dt h ec o n f i g u r a t i o na n dp h o t o l i t h o g r a p h o f3 c s i ch i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o r w i t hr e g a r dt ot h ep a c k a g er e q u i s i t i o ni n h i g ht e m p e r a t u r e ，t h eh i g hm l i a b i l i t ya n dl o w s t r e s sp a c k a g et e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e d ， a n dp a c k a g e de l i g i b i l i t yh i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o rt h r o u 【g ha n o d i cb o n d i n g a t l a s t ，s i ch i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o rw i t hg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c tw a sp r o d u c e d t h r o u g ht e s t i n g ，3 c s i ch i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r e s e n s o rh a sg o o d p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r e p r e s s u r es e n s o rs i c 创新性声明 y 互0 5 2 5 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究j ：作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中1 i 包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：盈整迪 导师签名：孽( 垒 日期兰竺：童 f 1 期量塑翌：! ：至 关于论文使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后 遵守此规定) 本人签名 导师签名 日期 同期 2 巩m 弓 卿f5 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 在新材料研究领域和半导体工业中，宽带隙半导体材料的研究是目前的热门 课题，世界上正有越来越多的人加入到这个研究行列中来。宽带隙半导体材料研 究的热潮起因于它制作的电子器件能在高温、大功率以及较强辐射等恶劣条件下 正常工作。宽带隙半导体材料还可以做新的发光材料，尤其是适于制作能在蓝光 和紫外光波段工作的光电器件。例如s i 无法在高于2 5 0 。c 的温度下工作，特别是 无法在高温还伴随着大功率、高频和强辐射的极端条件下可靠工作。宽带隙半导 体材料s i c 却具有优良的导热性能，颇高的击穿场强，很强的抗腐蚀性，因而它 必然会成为制造在恶劣条件下工作的特种器件的首选材料川。 许多年以来，s i c 一直倍受人们的关注。在最近的十年里，高质量的s i c 单 晶衬底的出现，化学气相淀积( c v d ) 方法生长异质与同质外延结构s i c 的进展， 以及成功的s i c 掺杂( n 型或p 型) 技术，都促使s i c 一跃而成为目前最热门的宽带 隙半导体材料之一；同时，s i c 在高温器件、大功率器件和高频器件等方面的应 用也取得了迅速进展。s i c 具有许多其它宽带隙半导体材料所不具备的优点，比 如能够从传统s i 工艺中得到借鉴的比较成熟的器件制造工艺、掩膜工艺、刻蚀技 术等。s i c 中很强的s i c 键键能使得s i c 既耐腐蚀，又能抗较强的辐射，保证了 s i c 器件在高温有辐射工作条件下的稳定性。另外，s i c 具有优良的导热性能( 6 h s i c 的热导率在3 0 0 k 下约是s i 的3 倍) ，还具有很高的电子饱和速度1 2 i 。这些优 良性能都保证了s i c 是制造高温器件、大功率器件、高频器件以及抗辐射器件的 理想材料。随着具有更高电子迁移率的3 c s i c 和4 h s i c 生长的进展，s i c 必然 将受到人们更多的关注。 许多工业的发展，诸如航空航天、汽车、石油、特别是计算机、军事工业等 都为各个边缘科技的兴起与进步提供了永久的动力。宽带隙半导体材料的研究和 开发也正是应上述工业部门对能承受不断增高的温度和越来越恶劣的工作环境的 特种电子器件的需求而逐渐发展起来的。随着s i c 器件工艺的成熟，将有可能用 耐高温的电子实时控制系统取代目前在飞机、航天器、和火箭等的发动机中使用 的极其笨重的液压或机械控制系统，从而大大减轻不必要的负荷。这一点有着极 其重大的意义。正因如此，s i c 目前是一个材料研究的热点，今后的一个时期也 仍将是。 但是，从目前的情况来看，s i c 在器件制作方面还有不少问题需要解决：大 直径、低成本、低缺陷密度s i c 衬底的制备，高质量外延层的生长，高可靠性金 属化技术和低界面态密度s i c - s i o ：界面的获得，都是s i c 半导体器件制造中所面 s i c 高温压力传感器 临的关键技术，所以要全面进入市场，实现实用化，还需要作很大的努力。可以 预见，一旦这些技术取得突破，一代新的s i c 家族将会崛起在半导体领域。 1 2s i c 材料制备 s i c 晶体生长的历史却可以追溯到1 8 9 3 年，当时的生长方法是a c h e s o n 方 法。1 9 0 7 年，r o u n d 发表了一篇很短的文章“an o t eo i lc a r b o r u n d u m ”1 3 1 ，记述 了他关于s i c 发光管的发现和研究。在1 9 4 7 年发明双极型晶体管的半导体工业 的先驱s h o c k l e y ，很早就认识并预见了s i c 的发展前景( 4 j 。 生长和研究s i c 的第一次热潮开始于五十年代。l e l y 在1 9 5 5 年发明的方法 生长出了n s i c 单晶，从而激发起了人们研究高纯s i c 的电学、光学性质的热情。 然而，到了六十年代，研究热潮又慢慢退下来，因为人们无法得到高质量的、足 够大的供制造用的s i c 单晶衬底。直到八十年代，随着c r e e 等公司成功地生长出 了商品化的单晶衬底，对s i c 及器件的研究才再度热了起来。 1 2 1s i c 晶体的生长 生长缺陷密度很低的s i c 体单晶是个非常困难的工作。这主要是因为：首先， 在现有实验条件所能达到的压力下，s i c 没有熔点，而只是在1 8 0 0 。c 以上升华； 其次，即使在目前所能达到的很高的温度下，c 在s i 熔体中的熔解度非常小，因 而熔融生长方法不适合s i c 晶体生长的需要；再有，s i c 有2 0 0 多种同质多型体， 而且在同样的温度和压力下可以同时有多种s i c 多型体生长，使得单晶生长很难 控制。 在实验室中6 h - s i c 单晶已经用三种方法成功的制备了出来，这三种方法包 括：热解法、富c 的s i 熔体中的熔融生长法和升华法。其中升华法，也就是改 进的l e l y 方法是目前生长s i c 单晶的主要方法。c r e e 公司生产的s i c 单晶片就 是用升华法生长的。s i c 优越于其它宽带隙半导体材料主要就是因为高质量的s i c 单晶衬底已经有了商品化的供应。直径1 英寸的6 h s i c 单晶片已经供应好几年 了，】英寸半到2 英寸的6 h 、4 h s i c 单晶片近来也有了商品，目前的6 h s i c 单 晶片商品，无论是p 型或n 型，电阻率都可以在一个较大的范围内进行选择。但 生长半绝缘s i c 衬底材料的技术还没有成熟起来。 在升华法中，s i c 是在气态下被输运到一个温度较低的籽晶上并在其上生长 的。典型的生长参数是：籽晶温度是1 8 0 0 ，而源的温度是2 0 0 0 左右。源和 籽晶问的温度梯度为2 0 k c m ，生长速率为0 7 m m h 。但迄今为止，s i c 生长一直 面临着一个严重的问题，即在s i c 中的生长过程中微管缺陷的形成和繁殖。微管 缺陷是沿s i c 生长方向贯穿整个单晶的空洞。它是非常有害的，经过人们的努力， 微管的密度在一定程度上得到了控制。 第一章概述 1 2 2s i c 的外延生长 最初，s i c 外延生长采用液相外延方法( l p e ) 。和升华法相比，液相外延方法 可以在一个相对较低的温度( 1 7 0 0 。c ) 下实现。但是，由于c 在s i 熔体中溶解 度极小，液相外延法一直进展不大。 近年来，化学气相淀积( c v d ) 方法逐渐取代了l p e 法和升华法而成为外延生 长s i c 的主要方法。低压和常压c v d 在s i c 外延生长方面都已取得了很大成功。 一般在大面积衬底( 如s i ) 上生长s i c 时用低压c v d 方法；而常压c v d 因为均匀 性较差，在小面积衬底上外延s i c 时用的较多。也有很多研究小组用气态源分子 束外延( g s m b e ) 方法来外延生长s i c ，尤其是那些对探索s i 和s i c 工艺兼容 性的研究。g s m b e 法可以在较低的温度下外延生长s i c ，因而具有能有效抑制 杂质在s i 中的扩散的优点。 到目前为止，已经有很多研究都尝试了在s i 上异质外延生长s i c ，并取得了 成功。因为s i 衬底便宜而且面积大，同时又有s i s i c 器件共同集成的前景，虽 然s i 与s i c 间较大的品格失配和热失配限制了s i c 外延材料的质量，人们仍然不 断地在作着提高s i c s i 材料质量的艰苦努力。n i s h i h o ，p o w e l l 和w i l l 等人h 1 发明 了通过先把s i 在富含c 的气氛中碳化，生长一个s i c 初始层后再在s i c 初始层 上生长s i c 的两步生长法，使s i c s i 材料的质量有了质的飞跃。s i c 初始层是很 薄的一层由s i c 微晶组成的镶嵌晶体，它的存在使随后的s i c 外延生长变成了“同 质外延”，从而提高外延层的质量。所以s i c 初始层的生长是s i c 外延生长过程 中很关键的一步，一般外延生长的s i c 几乎都是立方相的。s i c s i 外延层中除了 线性位错外，主要有两种类型的缺陷：微孪晶和堆垛缺陷【6 1 。 因为s i c 衬底已经能够买的到，很多研究小组都开展了s i c 同质外延工作。 l p e 和v p e 方法都曾经用来在6 h s i c 衬底上外延生长s i c 。但是，为了得到6 h s i c 单晶薄膜，要求的生长温度比较高，而太高的生长温度会引起生长系统中的杂质 对外延层的玷污、已掺入杂质的再分布以及晶格的热损伤等，不利于s i c 外延材 料在s i c 器件制造方面的应用。所以，人们希望能进一步降低s i c 外延生长的温 度。实验表明，c v d 方法是一种比较理想的外延生长s i c 的方法。j a p o w e l l 等 人用c r e er e s e a r c hi n c 生产的6 h s i c 作衬底，生长出了质量很高的6 h s i c 外延 层。它们在1 4 5 0 生长的6 h s i c 外延层的缺陷密度小于1 0 5 c m 3 。6 h s i c 衬底上 外延生长的3 c s i c 的温度一般在1 3 5 0 1 5 5 0 之间。据报道，6 h s i c 衬底上生长 的3 c s i c 的缺陷密度大大减小。但是反相畴仍然存在。所以，堆垛层错和反相 畴边界是影响3 c s i c 外延层质量的主要因素。 1 2 3s i c 掺杂研究 寻找合适的浅杂质是宽带隙半导体研究的一个重要方面。s i c 的n 型和p 型 s i c 高温压力传感器 掺杂比g a n 、z n s e 体系的掺杂成功早的多，这使得研究人员能够投入更多的精 力到器件设计和制造上。n 是最常用的浅施主杂质，a l 是较浅的受主杂质。s i c 掺杂可以在外延生长的过程中进行，也可以利用离子注入的方法来实现。实验表 明，n h ，和三甲基铝( t m a ) 分别是比较好的n 型或p 型掺杂用的气体”。 如果n 杂质是在生长过程中掺入的，那么载流子浓度可以达到1 0 ”一1 0 ”c m 。 浓度更高的掺杂则难以实现，因为这时会因s i n 。的出现而使生长的晶体变成多 晶。相对来说，离子注入方法可以把杂质掺杂浓度进一步提高。 s i c 中的p 型掺杂虽然已经取得了一些进展，但仍然存在着很多问题。就所 研究过的受主杂质而言( 包括a l ，b ，g a ，s c ) ，它们的能级都较深而很难被激活。通 常，激活这些杂质需要很高的退火温度，甚至要高到1 6 0 0 。c 以上。因为受主的能 级很深，所以空穴浓度随着温度的升高或降低有很大的起伏，这使s i c 器件的设 计和性能参数的估算有很大的困难。 因为在s i c 的生长过程中很难消除背景气体残留的n 的影响，未掺杂的s i c 晶体一般都因自发掺入了n 而呈n 型。目前最好的6 h - s i c 样品其自发掺入的n 的浓度可以控制在5 1 0 ”c m ? 左右。如果自发掺n 的问题可以解决，使自发掺入 的n 的浓度降低，p 型掺杂就可以变得更容易，空穴的浓度也可以得到进一步的 提高。 1 3s i c 的应用 表1 中的内容是s i c 和几种常用半导体材料之间基本性质的对比。通过比较 不难发现，s i c 有s i 、g a a s 等目前常用的半导体材料无法比拟的优点，因而在高 温、大功率、高频器件等方面有着喜人的应用前景。 表1 1s i c 与其它几种半导体材料的特性比较 。i 4 h s i c6 h s i c3 c s i cs ig a a s 金刚石 禁带宽度( e v ) 3 2 63 0221 1 21 4 35 5 击穿电场( 1 0 6 v e r a ) 4440 2 5031 1 0 热导率( w c m k ) 4 94 94 9150 52 0 饱和速度( 1 0 t o m s ) 222112 介电常数 9 79 79 71 1 81 2 8 5 6 6 熔点( k ) 2 i o o ( 升华) 2 1 0 0 ( 升华) 2 1 0 0 ( 升华) 1 6 9 01 5 1 0 电子迁移率( c m 2 ，v 啪 1 0 2 06 0 0l 0 0 01 4 0 08 5 0 015 0 0 1 9 0 0 空穴迁移率( c m 2 v 哟 ! 1 54 04 06 0 04 0 0 到目前为止，已经有非常多的3 c 、6 h 、4 h s i c 基的器件被研究了出来。这 些器件包括b j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) ，1 g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ， m e s f e t ，j f e t ，m o s f e t ，s i t ( s t a t i c i n d u c t i o nt r a n s i s t o o ，m o s f e t 功率管，整 第一章概述 流管，d n 结二极管，肖特基二极管等等。此外还有异质结器件，如异质结场效应 晶体管( h f e t ) ，异质结双极型晶体管( h b t ) 。异质结器件主要有3 c s i c s ih b t ， 6 h s i c 3 c s i ch b t 等几种。 已经研制出s i c 运算放大器。s i c 在电子学领域的另外一个应用是开发高温、 高速逻辑器件【9 l 。p u e d u eu n i v e r s i t y 的研究人员最先报道了它们制造的n o r 、 n a n d 、n o r 和x n o r 电路，还有d 锁存器、r s 触发器等，这些逻辑器件都可 以在从室温到3 0 0 c 的范围内正常工作。s i c 还可以用来制作温度、压力传感器 和热敏电阻，也可以用来制造紫外探测器。3 c s i c 膜可以用来制作压力、加速度 传感器。和s i 膜相比，3 c s i c 可以经受更高的温度和压力，又可以在腐蚀性的 环境中工作。著名传感器厂商k u l i t e 公司报道了他们与美国国家宇航局、美国哥 伦比亚大学合作对3 c s i c 材料在高温压力传感器中的应用进行了研究，指出了8 5 0 的应用上限以及4 5 0 c 实用压力传感器的可能性。 表1 2s i c 高温器件研究概况i ”i 器件种类最高工作温度注释 m o s f e t9 2 3 k 3 c 、6 h 、4 h - s i c p o w e rm o s f e t6 7 3 k 6 0 0 v 、1 8 a 6 h s i cm e s f e t6 7 3 k l 。= 2 5 g h z 4 h s i cm e s f e t6 7 3 k c h 。= 4 2 g h z 6 h - s i cj f e t8 7 3 ke n h a n c e m e n tm o d e 4 h s i cj f e t7 2 3 k u 庐3 4 0 c m 2 v 1 s 1 b j t 6 7 3 k 8 = 5 1 5 ( n o n ) g a n s i ch b t8 0 8 k b 1 1 0 5 s i t4 7 3 k2 2 5 w t h y r i s t o r7 7 3 k2 k a c m 。2 p nj u n c t i o nd i o d e8 7 0 k4 5 k v s c h o t r yd i o d e9 7 3 k1 k v 综上所述，s i c 作为最热门的宽带隙半导体材料之一，在未来的电子学领域 有着广泛的应用前景，在半导体器件制作方面，不同导电类型、不同厚度、不同 区域的选择外延生长是不可或缺的工艺。在s i c 的外延生长中，s i c 衬底上外延 生长s i c 虽然晶格失配、热失配非常小、外延层和衬底的界面质量高，但存在s i c 衬底价格比较昂贵，尤其是s i c 衬底的面积比较小、晶体完整有待提高等不足。 相比之下，因为s i 衬底面积大、完整性好、有利于提高生产率和降低成本，s i 加 工工艺成熟，易于集成，s i c s i 异质外延具有很大研究价值。 传感器技术是现代测量和工业自动化的关键技术之一，在工业、农业、国防 等领域有着广泛的应用。压力传感器是各种传感器中应用最广泛的一种，s i 压阻 式压力传感器工艺成熟且性能优异，但它受p - n 结耐温限制，只能用于1 2 0 以 s i c 高温压力传感器 下的工作温度，这对于很多应用场合是不够的。随着科技的发展，在许多领域迫 切需要能用于高温高压下的压力传感器，如石油钻探、汽车电子、航空航天，等 等。采用s o i 和s o s 结构，硅压力传感器的最高使用温度可达到3 5 0 ，然而制 作工艺十分复杂，成本较高，而且在5 0 0 。c 时，硅的热可塑性又成为无法解决的 问题。s i c 以其比s i 宽得多的禁带宽度( 1 3 一s i c2 2 e v ，一s i c2 8 6 e v ) ，高十余倍 的雪崩击穿电压，高二倍的热导率，特别适合用于制作高温压力传感器。直接单 晶生长并切片的体材料s i c ，其成本高，而且很难再加工，不利于压力传感器的 量程制作调节。因而以硅微机械加工力学结构为衬底，以薄膜碳化硅材料为敏感 元件较适宜。a s i c 由于其生长温度太高，且属于六角晶系，很难在立方晶系的 s i 单晶衬底上外延生长出来，因而不宜采用。闪锌矿结构的1 3 s i c 与s i 单晶同 属立方晶系，采用适当的工艺方法，可以解决晶格匹配，实现在( 1 0 0 ) s i 上的外延 生长。所以，本文最终选择了3 c s i c s i 来制作高温压力传感器这个题目。 1 4 本论文的工作 本论文的目标就是在s i 上进行3 c s i c 薄膜材料的生长研究，3 c s i c 压阻效 应的研究和其制作压阻传感器工艺的研究，最终开发出实用化的s i c 高温压力传 感器。其中主要的的内容与技术难点如下：硅上3 c s i c 薄膜的淀积工艺、3 c s i c 平面集成器件工艺、3 c s i c 单晶薄膜与多晶薄膜电阻的压阻效应特点、高温下的 低应力高可靠性的敏感元件封装工艺研究。所以本论文总体设计如下：首先对 3 c s i c 薄膜的生长机理与工艺进行研究，通过实验，进行分析，摸索适合的工艺 条件，生长出合格的3 c s i c 薄膜。并对3 c s i c 器件工艺进行研究。对3 c s i c 的压阻效应进行研究，根据有利于提高高温压力传感器性能的原则，综合不同结 构，优化设计，完成3 c s i c 高温压力传感器的结构设计，并设计出3 c s i c 高温 压力传感器芯片版图。根据3 c s i c 材料的特性，设计3 c s i c 高温压力传感器 加工工艺流程。进行高可靠性和低应力的封装工艺研究，封装出合格的3 c s i c 高温压力传感器芯片。对封装好的3 c s i c 高温压力传感器的性能指标进行测 试。本论文所作的主要工作包括以下几个方面： 1 s i c 高温压力传感器总体方案设计 2 s i 上3 c s i c 单晶薄膜生长研究及实验 3 s i 上3 c s i c 多晶薄膜生长研究及实验 4 s i c 高温压力传感器结构设计 5 s i c 高温压力传感器版图设计 6 s i c 高温压力传感器工艺设计 7 s i c 高温压力传感器芯片的封装 8 s i c 压力传感器的性能测试与分析 第二章s j 衬底上3 c s i c 薄膜的外延生长 第二章s i 衬底上3 c s i c 薄膜的外延生长 2 13 c s i c 外延生长的回顾 在各种结构的s i c 中，3 c s i c 从理论上讲具有最好的电学性质。3 c s i c 的电 子迁移率可达1 0 0 0 c m 2 v 。sl 【“i ：在2 1 0 5 v c m 的场强下，电子饱和漂移速度的理 论值为2 7 1 0 7 c m s 。3 c s i c 的这两个优异的电学性质使它在开发高速电子器件方 面有很大的应用潜力。但是，3 c s i c 单晶材料的缺乏极大地限制了3 c s i c 基的电 子器件和传感器的发展。虽然3 c s i c 可以用升华来生长，但得到晶体都很小，不 足以用来作衬底材料，这使3 c s i c 在电子器件上很难有广泛的应用。异质外延方 法生长3 c s i c 为这个难题的解决提供了一条道路。 3 c s i c 是s i c 多型体中生长温度最低的，因而只有3 c s i c 才能在s i 衬底上外 延生长。c v d 方法是目前外延生长3 c s i c 的最常用方法。关于s i 衬底上3 c s i c 的外延生长已经有了许多报道。最初，人们曾经尝试了多种方法来外延生长3 c s i c s i 材料，但都因无法克服3 c s i c 和s i 之间大到2 0 的晶格失配问题而得不到 理想的结果。在3 c s i c 和s i 之间引入一个缓冲层之后，情况有所改善，但进展仍 不大。到了1 9 8 3 年，n a s a 的一个小组成功地找到了一个能在s i 衬底上外延生长 大面积3 c s i c 薄膜的方法( 1 2 i ，而且这个方法的重复性非常好。从那以后，别的一 些小组也相继报道用类似的方法成功地在s i 衬底上外延生长了3 c s i c 。这个方法 能成功的关键一点就在于外延生长3 c s i c 之前，引入一个s i 衬底在富c 的气氛中 经历一个快速升温的过程，即碳化过程。碳化过程能在s i 的表面生长一薄层3 c s i c ，有利于外延层质量的提高。一般认为，这个初始3 c s i c 薄层是一个由3 c s i c 微晶构成s i c 初始层，它能最大限度地减小s i 和3 c s i c 之间较大的晶格失配和热 失配对外延层的影响。 最近几年来，在m b e 系统上用原子层外延( a l e ) 的方法来生长3 c s i c 取得一 定的结果。影响a l e 生长的关键因素是衬底温度。人们普遍认为，a l e 方法在生 长高均匀性的大面积3 c s i c 外延片方面有很大的潜力。n a g a s a w a 等人根据a l e 方法的原理，设计了一个用c v d 系统生长大面积3 c s i c 外延片的方法，他们采用 交替着分别导入s i 源和c 源而不是同时在反应室通入s i 源和c 源的方法，在6 英 寸的s i 衬底上外延生长了均匀性很好的3 c s i c 外延层。 2 23 c s i c 外延层c v l ) 生长的气体动力学分析 3 c s i c 的c v d 生长过程非常复杂，所参加的化学反应有很多种。我们使用的 反应气体分别是s i l l 。和c ，h 。，生长过程中所涉及到的化学反应主要有以下三类： 2 2 1c ，i t 。的反应 c ，h 。在高温下有以下一系列反应式： 8 s i c 高温压力传感器 c 3 h 8 一c h 3 + c 2 h 5 c 3 h 8 + c h 3 一c 3 h 7 + c h 4 c 3 h 7 一h + c 3 h 6 c 3 h 8 + c 3 h 5 一c 3 h 7 + c 3 h 6 c 3 h 5 + h 2 ，c 3 h 6 + h c 2 h 4 + h c 2 h j c h 3 + h 2 - c 2 h 6 + h c 3 h 7 + c h 3 一c 3 h 6 + c h 4 2 2 2s i l l 的分解反应 s i l l 。的分解反应包括： s i l l 4 一s i h 2 + h 2 s i + h 2 一s i h 2 s i 2 + h 2 一s i 2 h 2 s i h 2 + s i 3 一s i 2 h 2 + s i 2 s i 2 h 4 + h 2 - s i h 4 + s i l l 2 s i 2 h 2 + h 2 一s i 2 h 4 s i l l 4 + s i l l 3 一s i 2 h 5 + h 2 s i l l 4 + s i h s i 2 h 5 2 2 3s i 2 c 的生成反应 s i ，c 的生成反应包括： s i l l 2 + c h 4 一s i h 3 c h 3 s i 2 c h 8 一s i 2 c h 6 + h 2 s i c h 4 一s i c h 2 + h 2 s i 2 + c h 4 一s i 2 c h 4 c 3 h 8 + h c 3 h 7 + h 2 c 3 h 8 + c 2 h 5 一c 3 h 7 + c 2 h 6 c 3 h 6 + c h 3 一c 3 h 5 + c h 4 c 3 h 6 + c h 3 一c 3 h 5 + c h 4 c 3 h 7 一c h 3 + c 2 h 4 c h 3 + c h 3 一c 2 h 6 c 3 h 7 + c 3 h 7 c 3 h 6 + c 3 h 8 c 3 h 5 + c 3 h 7 一c 3 h 6 + c 3 h 6 s i l l 4 + s i s i h 2 + s i l l 2 s i l l 2 + s i s i 2 h 2 s i + s i 3 一s i 2 + s i 2 s i h 3 s i h + h 2 一s i h 4 + s i l l 2 s i 2 h 2 + h 2 一s i h 3 s i h s i h 4 + s i h 2 一s i 2 h 6 s i h 4 + s i h s i h 3 + s i l l 2 s i h 2 + s i h s i 2 h 3 s i h 2 + s i l l 3 c h s i 2 c h 8 s i 2 c h 6 一s i 2 c h 4 + h 2 s i 2 c h 2 一s i 2 c + h 2 9 0 91 1 0 01 3 0 0 1 5 0 0 1 7 0 01 9 0 0 图2 1 气相平衡时含c 分子和基团浓度随温度的变化 根据上面所述的化学反应，s t i n e s p r i n g 和w o r m h o u d t t 例建立了一个生长模型。 通过化学平衡计算分析了平衡条件下几种最主要的分子基团浓度的变化和分布。 吣炉”妒心炉 第二章s i 衬底上3 c s i c 薄膜的外延生欧 ! 从图2 1 可以看出：在平衡条件下，c ，h 。基本上完全分解了，分解产物更多的是 c h 。另外一个比较重要的产物是乙炔c 2 h ：。但是，在生长温度下，乙炔平衡浓 度比甲烷要低两个数量级；在碳化过程的升温阶段还要更低。乙烯的平衡浓度比 乙炔低一个和两个数量级。 平衡条件下，s i l l 。仍然有很大一部分没有分解。s i l l 。分解的主要产物是s i l l ：。 其它的含s i 分子基团，包括s i l l 、s i 和s i ，的平衡浓度比s i l l ：低一个数量级。s i ：h 。 分子基团，如s i ：h 、s i ：、s i ：h 3 和s i ：h 2 的平衡浓度比s i l l ：低至少两个数量级。含 s i c 的分子基团中，s i ：c 和s i l l 3 c h 3 是最重要的。s i 2 和s i l l 3 c h 3 都可以通过一定 的反应途径最后生成s i ，c 。( 见图2 2 和2 3 ) 图2 2 气相平衡时含s i 分子和基团浓度随温度的变化 图2 3 气相平衡时含c s i 分子和基团浓度随温度的变化 s t i n e s p r i n g 和w o r m h o u d t 通过忽略对最后结果影响非常小的一些化学反应， 把整个反应机制简化后进行了化学动力学计算，动力学计算得到的碳氢基团的种 类和各基团的相对浓度与化学平衡计算的结果有较大的差别，而含s i 基团的种类 和各基团种类的相对浓度则与化学平衡计算的结果差别不大。s t i n e s p r i n g 和 w o r m h o u d t 针对不同衬底温度进行的一系列化学动力学计算结果表明：在衬底的 碳化过程和3 c - s i c 的外延生长过程中，不同的温度范围内有不同的主要分子基 团在反应过程中起主要作用，相应的有不同的反应机制。各个生长阶段的主要分 子基团种类如表所示： s i c 高温压力传感器 表2 1 各生长阶段中的主要分子基团 分子基团种类温度范围( k )生长阶段 s i h 4c 3 h 8 t 1 0 5 0碳化 s i h 2c 2 h 4c h 3c h 4 1 0 5 0 t 1 3 0 0碳化 s i l l 2s i h 4c 2 h 2c h 4c 2 h 4 】3 0 0 t 】6 7 3碳化和生长 s t i n e s p r i n g 和w o r m h o u d t 的计算结果可知：在整个的生长过程中，s i h 。的分 解产物的相对浓度都能维持在气相平衡时的值：而c ，h 8 的分解产物的相对浓度却 很难达到气相平衡时的值，尽管c ，h 8 在低温范围内就有大量的分解。在t 1 0 5 0 k 时，能够达到平衡浓度的是c ，h s 而不是c h 。，所以是c ，h 。和s i 表面反应。在 1 0 5 0 k t 1 3 0 0 k 的温度范围内c ，h 8 开始分解，但是c 2 h 4 和c h ，的浓度仍然要比 c h 4 高。只有在1 3 0 0 k t 1 6 7 3 k 时，c h 4 才达到了其平衡浓度，不过此时c ，h 。和 c h ，的浓度还是比它们各自的平衡浓度高。这种现象的出现是因为c ，h 。的分解要 受气体动力学规律的限制。 以上s i n e s p r i n g 和w o r m h o u d t 的计算结果虽然为我们理解3 c s i c 的生长过程， 理解不同生长阶段含c 分子基团的种类和各基团相对浓度的茶杯对各碳化和生长阶 段的反应机制的影响，理解碳化过程在3 c s i c 生长过程中的必不可少的作用提供 了一定的依据。但是因为他们的结果并没有实验的对比，所以给出的只能是一种定 性的理解途径。他们的结果也没有能够证明在3 c s i c 的c v d 外延生长过程中， 3 c s i c 生长的速度是由表面反应速率决定的还是由气相到固气界面的质量输运速 度决定的。整个生长过程对气体动力学条件很敏感，因而受生长条件，如气体组分， 衬底温度以及温度均匀性的影响很大。但是他们的计算结果没有给出反应管内的温 度场与气流速度场和外延层生长均匀性之间的关系、气相s i l l 。或c ，巩分压的变化 与外延生长速度之间的关系，而这些关系对3 c s i c 的生长却是非常重要的。 所以，对3 c - s i c 的外延生长的反应机制，以及生长过程中生长参数对外延层 的生长速率和外延层的均匀性等的影响还需要进一步的理论分析和实验验证。我们 以此反应机制为基础，通过多次实验分析了碳化和外延生长两个阶段中生长条件( 如 载气流速、生长温度、s i 或c 源气体流量、s i 源与c 源的相对浓度等) 对s i c 初始 层和外延层的影响，并在此基础上找到了合适的生长条件，生长出了质量较好的 3 c 。s i c 外延材料。 2 3s i 衬底的碳化 目前大多数关于3 c s i c 外延生长的工作都是用s i ( 1 0 0 ) 作为衬底。无论是用c h 。 或是c ，h 。和s i l l 。作为反应气体的c v d 方法i i ”，固体源m b e 方法，还是用c ，h ， 或c ，h 。和s i l l 。作为气态源的m b e 方法，生长过程中都有一个s i 衬底表面的碳化 过程。方法和n i s h i n o 等的类似，都是在以不同升温速度加热衬底的过程中注入含 第二章s i 衬底上3 c s i c 薄膜的外延生氏旦 c 的气体。实验证明碳化s i 衬底来形成一个s i c 初始层是一个重复性很强的生长 高质量3 c s i c 的有效方法。 2 3 1 关于碳化过程的一般解释 在碳化阶段，c ，h 。的分解产物很容易输送到衬底表面。这些活性含c 基团在 较低的温度下就可以使s i 衬底表面碳化生成s i c 。由于是低温成核，使得所形成的 s i c 层中存在有大量的晶界，正是这些晶界的存在缓冲了s i c 和s i 之间很大的晶格 失配。晶界的存在有利于生成s i c 所必需的s i 原子从衬底迅速扩散到s i c 初始层 表面。因为碳化过程主要是在高温下完成，c 原子和s i 原子的表面迁移率足以大 到使晶粒在继续长大的过程中达到取向与衬底都保持一致。a d d a m i a n o 等人的观测 结果也表明，碳化过程中得到的s i c 初始层是立方相的单晶，而且取向与衬底一致。 这个s i c 初始层中有许多内部界面，存在应变。由于s i 原子能够通过晶界不断扩 散到s i c 初始层表面与含c 分子团反应生成s i c ，结果使s i 衬底表面形成了大量 的洼坑，实验结果也证实了在衬底上大量洼坑的存在。 碳化阶段需要有一个快速升温的过程，这主要是需要在低温下让表面吸附能力 较大的c ，h 。在衬底表面充分吸附，然后再迅速升高温度以使吸附的c ，h 。快速分解 并与s i 表面原子反应生成s i c 。另外高温下s i 原子和c 原予有足够大的迁移率以 保证s i c 初始层的生长是外延生长。p o w e l l 等人的实验表明，碳化过程中s i h 。的 存在与否没有什么影响，因为低温下s i l l 。在衬底表面的吸附能力比c ，h 。小，衬底 表面吸附的主要是c ，h 。：再者，s i l l 。在碳化过程的大部分时间内还来不及分解， 而且含c 分子基因与s i 表面的反应要比s i l l 。及其分解产物快得多。碳化过程所需 要的s i 原子都来自于s i 衬底。 碳化过程中得到的s i c 膜为随后的s i c 生长提供了同质衬底。在s i c 生长阶段， s i h 。更多地分解成活性更高的s i l l ：，这些s i l l ：分子团与附近的含c 分子团反应在 衬底表面生成s i c 。由于s i 原子和c 原子在s