RF等离子辅助热丝CVD法制备大面积β-SiC薄膜

作者:姜岩峰;郝达兵;黄庆安 刊名:固体电子学研究与进展 上传者:吴世龙

【摘要】采用RF辅助加热CVD方法,在76mm硅衬底上生长了β-SiC薄膜。设备为电容耦合式RF(13.56MHz)等离子体装置,反应气体为甲烷(CH4);通过控制反应系统内碳原子成核生长的条件,实现了大面积β-SiC薄膜的生长。对样品进行了XRD、AFM检查;退火后整个样片膜厚均匀、一致性好、应力低、与衬底的粘附性好。

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1引言碳化硅材料由于具有禁带宽度大,临界电场强度高,饱和漂移速度大,热导率高,化学性能稳定,抗辐射能力强等优点使其成为制作高功率、高频、耐高温和抗辐射器件的理想材料[1]。目前,碳化硅材料已经商品化,用碳化硅材料研制成功了各种碳化硅器件[16],表现出优异的性能。目前,生长SiC技术有各种方法,根据制作条件不同要求,在蓝宝石上、SiC单晶上以及Si单晶等衬底上进行着广泛的生长SiC薄膜的研究。用单晶硅等价格低廉的材料代替,这样既可以发挥碳化硅材料本身的优势,又可以降低材料的成本。伴随这种想法,如何在单晶硅上淀积所需要的碳化硅薄膜成为材料科学、微电子、机械工业等领域里研究的热点。目前,利用低压CVD技术生长碳化硅薄膜是其中的重要方法[711]。生长碳化硅薄膜的各种等离子体CVD方法按工作原理和等离子体激发方式可分为两大类[10]:一类是热激发等离子体方法(如灯丝热解CVD方法、化学反应输运法和直流电弧热分解法);另一类是电磁激发等离子体方法(如微波等离子体CVD方法、直流等离子体喷射CVD方法、射频等离子体CVD方法、直流辉光放电CVD方法及氧-炔燃烧法等)。以上两种激发方式相结合还发展了一些复合激发方法,其中以电子辅助灯丝热解方法最为成熟。然而,大面积生长碳化硅薄膜技术仍然处于探索阶段。有文献报道几种复合方法能够生长大面积碳化硅薄膜,但尚未达到工业化生产的要求。因此,探索一种较好的方法仍是人们追求的目标。基于这种考虑,本文发展了一种RF辅助热丝CVD生长大面积碳化硅薄膜的方法。2实验方法和测试结果用于CVD的设备为电容耦合式RF(13.56MHz)等离子体装置,有关它的总体结构(包括真空室、气流控制台、电路等)详见文献[10],改进的部分为圆形气体反应腔底座和上盖用不锈钢制成,直径为280mm,高为50mm左右;圆形的上下极板也用不锈钢制成,直径为240mm,厚5mm左右;上下极板间距约为20mm,其间加入热丝阵列,如图1所示。实验中,在常规的电容耦合式RF上下极板间加入钨丝阵列。具体方法是:将钨丝(0.31mm)加工成弹簧状并绕在氮化硼(BN)棒上,再将氮化硼棒固定于支架上,支架为不锈钢材料固定于腔底座上,避免了与RF上下极板间的放电问题。衬底加热采用热丝辐射和底座电炉加热实现。图1钨丝和BN棒示意图Fig.1SchematicofWfilamentsandBNrods实验条件如下:钨丝温度为18002100C,用光学高温测温仪监控钨丝温度。反应腔真空度3Pa,反应气体为甲烷(CH4)和氢气(H2),CH4浓度在0.5%3%(体积百分比)范围内变化,气体总流量为30cm3/min;生长气压在13006500Pa范围内变化。76mm硅(111)/(100)衬底采用热丝辐射和底座电炉共同加热,用铂-铑铂热电耦监测,温度为650750C,钨丝与衬底相距为13mm。在生长前先用RF产生的氢等离子体轰击衬底30min左右,同时加热W丝至18002000C,然后通入CH4气体,用热丝成核生长30分钟左右,之后进入正常生长阶段。实验样品A,其XRD结果如图2所示。可以看出,没有任何SiC组分存在,样品A主要成分是Si和W。经过分析认为,W丝的污染是造成这一现象的原因。为此,在做样品B之前,将绕有W丝的BN棒放在真空下(1.3Pa)加热至2200C并维持12h,然后用与样品A同样的工艺条件制作了样品B,其XRD谱图如图3所示,-SiC峰明显,除了Si成分外,W、B、C等成分仍然较明显。其AFM图如图4所示,从图中可以看出,碳化硅晶粒的晶面不完整,表明晶粒存在大

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