异质外延3C-SiC薄膜生长的研究进展

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1、异质外延异质外延3C-SiC3C-SiC薄膜生长的研究薄膜生长的研究进展进展 郭慧君郭慧君 2013.5.292013.5.29 u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（In situ etching）、碳化处理（Carbonization）和外延生长（Epitaxial growth）三个工艺过程组成。CVD法制备3C-SiC薄膜

2、流程图 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（10001400），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、(C2

3、H5)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（9001400），反应气体高温分解并有控制地输运到衬底表面沉积成膜。u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。 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

4、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界面孔洞形成与消除示意图 摇摆曲线半峰宽（FWHM）

5、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50 aresec。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 u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