碩士論文-SiC半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究.pdf

大連理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 SiC半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 姓名 王海波 申請學(xué)位級別 碩士 專業(yè) 物理電子學(xué) 指導(dǎo)教師 王德君 20071220 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 氫鈍化技術(shù)是利用氫原子終結(jié)表面懸掛鍵的一種技術(shù) 半導(dǎo)體經(jīng)氫鈍化處理后可以 獲得干凈 平整 抗氧化能力強(qiáng)的表面 有利于制備高性能的M O S 結(jié)構(gòu)和歐姆接觸 由于S i C 表面存在極性鍵 傳統(tǒng)的濕法氫鈍化技術(shù)并不適合S i C 常壓氫氣退火或R F 等離子體處理方法中 為了使氫氣有效熱解 需要1 0 0 0 或6 5 0 的高溫 而且溫度越 高氫的表面覆蓋率越低 本論文利用E C R 等離子體系統(tǒng) 探索了低溫氫等離子體處理S i C 的工藝條件 研 究了低溫氫等離子體處理對S i C 表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和抗氧化能力的影響 研究了低溫氫等離 子體處理對M O S 電容器件和歐姆接觸的影響 實驗結(jié)果表明 低溫2 0 0 處理1 2 分鐘 后 S i C 表面出現(xiàn)最佳處理效果 隨著處理時間增加 處理效果變差 其原因是隨著處理 時間的增加 S i C 表面遭到了氫等離子體破壞 當(dāng)處理溫度提高時 處理時間變短 在 3 0 0 處理5 分鐘后出現(xiàn)最佳處理效果 在4 0 0 處理4 分鐘后出現(xiàn)最佳處理效果 在 5 0 0 處理2 分鐘后出現(xiàn)最佳處理效果 雖然處理時間隨著處理溫度的升高不斷降低 但處理效果逐漸變差 其原因是表面氫覆蓋率隨著溫度的升高不斷下降 R H E E D 分析 發(fā)現(xiàn) 經(jīng)低溫氫等離子體處理1 2 分鐘后 S i C 表面變?yōu)榱?1 x 1 非重構(gòu)相 X P S 分析 發(fā)現(xiàn) 傳統(tǒng)濕法R C A 處理后的S i C 表面存在C 的污染物 在2 0 0 下經(jīng)氫等離子體處 理1 2 分鐘后 C 的污染物消失 暴露在空氣中1 0 分鐘后 裝樣時間 經(jīng)等離子體處 理的S i C 表面O S i 的含量明顯低于傳統(tǒng)濕法R c A 清洗的o S i 的含量 暴露在空氣中3 小時后 經(jīng)等離子體處理的S i C 表面O S i 的含量無明顯變化 表現(xiàn)出明顯的抗氧化性 在低溫氫等離子體處理后的S i C 上制備了M O S 電容器件和歐姆接觸 分析發(fā)現(xiàn) 經(jīng)氫等離子體預(yù)處理的M O S 電容器件界面態(tài)密度明顯低于傳統(tǒng)濕法處理后S i CM O S 電 容器件 達(dá)到了6 x 1 0 c m e x r 1 數(shù)量級 經(jīng)低溫等離子體處理的S i C 在退火前就可形成 良好的歐姆接觸 大大降低了工藝難度 關(guān)鍵詞 S i C E C R R H E E D X P S I R 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 S t u d yo nS i CS u r f a c eT r e a t m e n tT e c h n o l o g y A b s t r a c t 1 1 1 eh y d r o g e np a s s i v a t i o ni sat e c h n o l o g yt h a tm a k e h y d r o g e na t o m sp a s s i v a t et h e8 u i f a c e d a n g l i n gb o n d s h y d r o g e np a s s i v a t i o nt e c h n o l o g yc a r ly i e l dt h ec l e a n i n g f l a ts e m i c o n d u c t o r 1 1 1 f a c 2 w h i c hh a s9 0 0 da n t i o x i d a t i o nC a p a b i l i t y I ti sb e n e f i tt om a k eh i g hp e r f o r m e n tM O S d e v i c e sa n do h m i cc o n t a c t s H o w e v e r b e c a u s et h e r ea r ep o l a rb o n d i n go nS i Cs u r f a c e T r a d d i t i o n a lw e th y d r o g e np a s s i v a t i o nt e c h n o l o g yi sn o tf i tf o rS i C I nt h eh y d r o g e n a n n e a l i n gt e c h n o l o g yo rR Fh y d r o g e np l a s m ac l e a n i n gt c c h n o l g y I tn e e d s1 0 0 0 Co r6 5 0 h i g ht e m p r e t u r et Od e c o m p o s eh y d r o g e nm o l e c u l a I tf i n d st h a tt h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ei s t h el o w e rt h ec o v e r a g ei s n s u r f a c e so fS i Ca g ee l c a n e db yh y d r o g e nw i t hE C R P E M O C V Da n dt h eb e s t t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n sa ms t u d i e d T h es h u c t u r eo fS i CS B I f a c e s c o m p o s i t i o n t h e e o n t a n a i n a t i o nr e m o v i n ga n dt h er e s i s t i n go x i d a t i o no fS i Cs u r f a c ea g es t u d i e d T h ee f f e c t so f h y d r o g e np l a s m ao nt h eM O Sd e v i c e sa n do h m i cc o n t a c ta g es t u d i e d I tf i n d st h a ta f t e r c l e a n e db y h y d r o g e np l a s m af o r1 2m i n u t e s a t2 0 0 t h es u r f a c eo fS i Cs h o w st h eb e s te f f e c t a n di tb e c o m e sb a dw i t ht h et i m ei n e r e a s e s w h e ni ti sl8I I l i n u t c S t h ep i c t u r eo fS i CR H E E D b e c o m e sb l u r r y I ti sb e c a u s et h a tt h es B r f a c eo fS i Ci sd e s t r o i e db yh y d r o g e np l a s m aa st h e t i m ei n c r e a s e s w h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h et i m er e d u c e s A t3 0 0 i ti S5m i n u t e st h a t i tg o tt h eb e s te f f e c t A t4 0 0 i ti s4m i n u t e st h a ti tg o tt h eb e s te f f e c t a t5 0 0 i ti S2m i n u t e s t h a tg o tt h eb e s te f f e c t A l t h o u g ht h et i m ei sr e d u c e d t h ec l e a n i n ge f f c c tb e c o m eb a da st h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s I tf i n d sb yR H E E Dt h a ta f t e rc l e a n e db yh y d r o g e np l a s m aa t2 0 0 2f o r 1 2m i n u t e s t h es i R f a c eo fS i Cs h o w 1 1 p h a s e I tf i n d sb yX P St h a tt h e r ea g et h eC C H c o n t a m i n a t i o n so nS i C l l f a c ea f t e rt h et r a d i t i o n a lR C A c l e a n i n g A R e rc l e a n e db yh y d r o g e n p l a s m af o r1 2m i n u t e sa t2 0 0 t h e yd i s a p p e a r s T h ei n t e n s i t yo fS i O xf o r t h eS i Cs u r f a c e c l e a n e d b y R C A i s h i g h c r t h a n b y h y d r o g e n p l a s m a f o r l 2 m i n u t e sa t 2 0 0 W em a k eM O Sd e v i c eo nt h eS i Cw h i c hc l e a n e db yh y d r o g e np l a s m af o r12m i n u t e sa t 2 0 0 I ts h o w st h a tt h ei n t e n s i t yo fi n t e r r a c eS t a t ef o rt h eS i Cw h i c hj sc l e a n e db yh y d r o g e n p l a s a mi sI o w c rt h a nt h a tf o rt h eS i Cc l e a n e db yR C A A tt h es a l n et i m e i tf i n d st h a ta l t e r c l e a n i n gb yh y d r o g e np l a s m a t h eo h m i c C o n t a c tc a nb eg o ta tl O Wt e m p e r a t u r e K e yW o r d s S i C E C R R H E E D X P S I R 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明 本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料 與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 作者簽名 三連 塹日期 赴丑 2 2 盤 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解 大連理工大學(xué)碩士 博士學(xué)位 論文版權(quán)使用規(guī)定 同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送 交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)大連理 工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 也 可采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文 作者簽名 量終遮 導(dǎo)師簽名 乙 玄及 血年止月皇日 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1緒論 1 1 論文的研究背景及意義 碳化硅是 族化合物 是 族中唯一的一種固態(tài)碳化物 由于其特有的大禁帶 寬度 高臨界擊穿場強(qiáng) 高電子遷移率 高熱導(dǎo)率等特點 成為制作高溫 高頻 大功 率 抗輻射 短波長發(fā)光及光電集成器件的理想材料 在微電子 光電子等領(lǐng)域起到了 獨特的作用 成為國際上新材料 微電子和光電子領(lǐng)域的熱點 S i C 更重要的一個優(yōu)點是能夠像硅一樣熱生長氧化物 形成S i 0 2 這使得制造以S i C 為基的M O S F E T 成為了可能 但是目前通過標(biāo)準(zhǔn)熱氧化工藝制作的S i CN M O S F E T 的 反型溝道遷移率與s i 相比相差甚遠(yuǎn) 2 1 大量實驗結(jié)果表明 遷移率過低的主要原因在于 S i 0 2 S i C 界面態(tài)密度較高 一般認(rèn)為界面上S i C 的懸掛鍵 界面上的結(jié)構(gòu)缺陷和界面 上存在的雜質(zhì)原子都會引起高的界面態(tài) S i C 在氧化過程中 表面的碳無法完全參與反 應(yīng) 殘留在界面處 形成碳氧硅化合物1 5 7 或者碳簇 s 也會增加界面態(tài)密度 有效除去 表面的污染C 飽和表面的懸掛鍵 是制備高遷移率M O S F E T 器件的關(guān)鍵 制備良好的歐姆接觸是制備高性能半導(dǎo)體器件的工藝之一 尤其對需要制成大功率 的碳化硅器件更是如此 高密度界面態(tài)影響半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能 假定在一個N 型半 導(dǎo)體表面存在表面態(tài) 半導(dǎo)體費米能級E F 將高于q 由 如果q 由 以上存在有受主的表面 態(tài) 則在q 巾 到E F 問的能級將基本上為電子充滿 表面帶負(fù)電 這樣 半導(dǎo)體表面附近 必定出現(xiàn)正電荷 成為正的空間電荷區(qū) 結(jié)果形成電子的勢壘 勢壘高度q V 恰好使表 面態(tài)上的負(fù)電荷與勢壘區(qū)正電荷數(shù)量相等 如果表面密度很大 只要E F 比q 巾 高一點 在表面態(tài)上就會積累很多負(fù)電荷 由于能帶向上彎 表面E F 很接近q 由 勢壘高度等于 原來費米能級和q 巾 之差 即q V D E g q 巾o E n 這時的勢壘高度成為被高表面密度釘扎 P i n g e d 嘲 它使得金屬 半導(dǎo)體接觸勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關(guān) 僅僅由半導(dǎo)體 的表面性質(zhì)所決定 接觸電勢差全部降落在兩個表面之間 當(dāng)高密度表面態(tài)使費米能級 釘扎時 通常形成削寺基接觸 勢壘高度近似為常數(shù) E g q 巾 降低界面態(tài)密度 就會 使得金屬 半導(dǎo)體比接觸電阻強(qiáng)烈依賴于巾m 金屬功函數(shù) 因此可通過降低界面態(tài)密 度D 并選用適當(dāng)?shù)慕饘賮碇苽漭^好的金屬 半導(dǎo)體接觸 l u J 氫鈍化技術(shù)是利用原子氫來終結(jié)表面懸掛鍵的一種技術(shù) 氫鈍化處理不僅可以飽和 半導(dǎo)體表面的懸掛鍵 1 1 1 2 1 還可以使半導(dǎo)體獲得干凈 平整 抗氧化能力強(qiáng)的表面 1 5 S i C 經(jīng)氫鈍化處理后可有效除去表面的C 簇污染物 降低M O S 結(jié)構(gòu)的界面態(tài)密度和金 S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 屬 半導(dǎo)體界面態(tài)密度 消除費米能級釘扎效應(yīng) 有利于提高M(jìn) O S F E T s 性能和制備良好 的歐姆接觸 表面氫鈍化技術(shù)在s i 器件領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟 它通過濕法化學(xué)處理 如沸水 氫氟 酸等 可以很容易的實現(xiàn) S i C 作為新一代半導(dǎo)體 應(yīng)用前景寬廣 其表面氫鈍化工藝 意義重大 近年來以引起國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注 1 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 在過去的2 0 年中 國內(nèi)外學(xué)者在S i C 氫鈍化方面做了大量的研究工作 引 本文經(jīng)總結(jié) 將鈍化技術(shù)分為三類 第一類 傳統(tǒng)濕法氫鈍化技術(shù) 其中以沸水處理和緩沖H F 處理為代表 沸水鈍化碳化硅表面是比較經(jīng)濟(jì) 方便的方法 英文簡稱B W B o i lW a t e r 其處 理方法是 1 將樣品放到溫度為1 1 5 0 的氧化爐中干氧氧化3 0 m i n 由于6 H S i C 的表 面因機(jī)械拋光可造成一定程度的損傷 從而表面凹凸不平 能產(chǎn)生大量的懸掛鍵 導(dǎo)致 表面態(tài)的增加 為減少這種因機(jī)械損傷而引入的表面態(tài) 用熱氧化工藝在表面形成約幾 百蓋的二氧化硅層 去掉s i 0 2 層后 可以獲得低表面態(tài)的潔凈表面 2 把已氧化的樣品 放在5 的H F 水溶液中泡l m i n 去除S i 0 2 用去離子水沖洗 3 經(jīng) 2 處理的樣片放到 煮沸的去離子水中處理1 0 1 5 分鐘 再用N 2 氣烘干 此方法稱為B w 法 限1 3 蓋甌 iS 峨 H 神 彗蘭鏨旦 爹 蓋 G 一 雙簧衛(wèi)s 薩t s t 鼉 H 杰旦蒸蓁旦秉丫蓁蓋某蓁秉 圖I I6 H S i C 0 0 0 1 面氫化反應(yīng)示意圖 F i g 1 1T h e s k e t c h M a p o f 6 n S 0 3 0 1 s u r f a c e p a s s v i t e d b y h y d r o g e a 2 3 4 r 卜 I J萋 q q H c 皇f 孑弋萋 D 以 虬P 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 B W 法處理過程中 H F 刻蝕S i C 表面C 4 S i Q 后 電負(fù)性最強(qiáng)的F 首先飽和表面 懸掛鍵 表面被氟化 盡管S i 2 F 因激活能較高而很穩(wěn)定 但S i 2 F 的電負(fù)性差異使極性 鍵C S i 產(chǎn)生更強(qiáng)的極性 C S i 鍵長增加 其鍵力減小 此時C S i 不再穩(wěn)定 礦 F 極易插入C S i C 懸掛鍵被H 飽和 S i 終形成S i F 4 溶于水 表面由氟化轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠?6 H S i C 0 0 0 1 表面動態(tài)反應(yīng)式如下I l 卅 如圖1 1r e 0 式所示 S i F 通過反應(yīng) 4 將S j F 中的S i 以S i F 4 的形式刻蝕掉 使C 面氫化 同樣 反應(yīng) 2 中的C 2 S i F 2 由上式的 2 一 4 使C 面氫化 4 式中的C 不代表 G 其中的 1 3 應(yīng)發(fā)生在 0 0 0 1 平整晶面 反應(yīng) 2 主要在晶面間 臺階 缺陷處發(fā) 生 HTs u c hi d a 等人在B W 法處理后的6 H S i C 0 0 0 0 表面上觀測到C H 譜峰I 捌 經(jīng)過退火處理發(fā)現(xiàn) B W 法制備的歐姆接觸 其界面態(tài)在低于4 0 0 時基本不變 經(jīng)4 0 0 退火后 接觸電阻開始上升 并在退火溫度為6 0 0 時達(dá)到最大值 C 面和S i 面的歐姆接觸在4 0 0 以上的退火溫度時具有相似的退火特性 2 J J 用此方法制備的S i C 歐姆接觸比接觸電阻值為5 S x l f f3 歐姆 g l T l 2 肖特基結(jié)理想因子為n 1 2 5 1 3 z s l 煮沸的氫氟酸處理S i C 表面 其作用原理結(jié)果類似與沸水處理 2 2 1 雖然濕法氫鈍化技術(shù)工藝簡單 但由于S i C 晶格結(jié)構(gòu)存在著極性 使得S i C 表面很 容易吸附溶液中的O H 或F 2 3 1 如果溶液中含有大量得F 離子 F 離子就會和s i 結(jié)合 形成F S i 鍵 加大氫鈍化的難度I 馴 第二類 氫氣處理技術(shù) 以高溫氫退火為代表 高溫氫退火鈍化S i C 0 0 0 1 面最早是被T s u c h i d a 等人提出來的1 2 5 2 a 其步如下 1 晶片經(jīng)傳統(tǒng)R C A 濕法處理 2 將S i C 晶片在1 0 0 0 的高溫下氫氣處理2 0 分鐘 T h S e y l l c r 等人 2 9 l 在1 0 0 0 C 下采用氫退火的方法處理了S i C O f o o 面和Ol i o 面 L E E D 數(shù)據(jù)表明 經(jīng)氫鈍化的S i C 表面呈現(xiàn)出 1 x 1 非重構(gòu)像 其結(jié)構(gòu)示意圖1 2 1 3 所示 通過X P S 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn) C l s 和s i 2 p 能譜有化學(xué)遷移 n s e y l l e r 將其歸根于S i 3 C H 和C 3 S i H 結(jié)構(gòu) K a t s u n o f iU e n o 等人 3 0 通過實驗發(fā)現(xiàn) 高溫氫氣退火處理可以有效地提 高M(jìn) O S 結(jié)構(gòu)溝道遷移率 他們分析發(fā)現(xiàn)低的遷移率主要來自于不完善的S i C 表面 高 溫氫氣退火處理不僅可以獲得原子級平整的表面 而且可以減少了表面的散射中心 從 而提高了表面的遷移率 常壓氫氣處理具有不引入雜質(zhì)粒子 氫鈍化效果好 處理后的表面抗氧化能力強(qiáng)等 特尉 l 在國外較為流行 但常壓氫處理中 為了使氫氣分解 需要1 0 0 0 C 以上的高 溫 工藝難度較大 實現(xiàn)起來較為困難 S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 圖1 24 H s i c 1T o o 非重構(gòu)示意圖 F i g i 2T h e 蚰鼬M a po f 4 H s i c 0 T o o 圖1 34 H S i C Il 互0 1 非重構(gòu)示意圖 F i g 1 3 T h es k e t c h M a p o f 4 H s i c O l j O 第三類 等離子體氫鈍化技術(shù) 以射頻氫等離子體鈍化技術(shù)為代表 在等離子體中存在下列物質(zhì) 被加速而處于高速運動狀態(tài)的電子 處于激發(fā)狀態(tài)的 中性原子 分子 離子化的原子 分子 解離反應(yīng)過程生成的紫外線 未反應(yīng)的原子和 分子等 由于存在高活性的反應(yīng)粒子 與濕法清洗相比 等離子清洗的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下個方 面 1 在經(jīng)過等離子清洗以后 被清洗物體已經(jīng)很干燥 不必再經(jīng)干燥處理即可送往 下道工序 2 不使用三氯乙甲O D S 有害溶劑 清洗后也不會產(chǎn)生有害污染物 屬于有利于環(huán) 保的綠色清洗方法 3 用無線電波范圍的高頻產(chǎn)生的等離子體與激光等直射光線不同 它的方向性不 強(qiáng) 因此它可以深入物體的微細(xì)孔眼和凹陷的內(nèi)部并完成清洗任務(wù) 所以不必過多考慮 被清洗物體形狀的影響 而且對這些難清洗部位的清洗效果與用氟里昂清洗的效果相似 甚至更好 4 整個清洗工藝流程在幾分鐘即可完成 因此具有效率高的特點 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 等離子清洗需要控制的真空度約為1 0 0 P a 這種真空度在工廠實際生產(chǎn)中很容 易實現(xiàn) 這種裝置的設(shè)備成本不高 加上清洗過程不需要使用價格昂貴的有機(jī)溶劑 因 此它的運行成本要低于傳統(tǒng)的清洗工藝 6 由于不需要對清洗液進(jìn)行運輸 貯存 排放等處理措施 所以生產(chǎn)場地很容易 保持清潔衛(wèi)生 7 等離子清洗的最大技術(shù)特點是 它不分處理對象 可處理不同的基材 無論是 金屬 半導(dǎo)體 氧化物還是高分子材料 如聚丙烯 聚氯乙烯 據(jù)四氟乙烯 聚酰亞胺 聚酯 環(huán)氧樹脂等高聚物 都可用等離子體很好地處理 因此 特別適合不耐熱和不耐 溶劑的基底材料 而且還可以有選擇地對材料的整體 局部或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分清洗 8 在完成清晰去污的同時 還能改變材料本身的表面性能 如提高表面的潤濕性 能 改善膜的附著力等 這在許多應(yīng)用中都是非常重要的 M E L i n 等人用H 2 H e 1 1 R F 等離子體處理在5 x 1 0 4 t o r r 6 5 0 下處理了S i C 表面 通過對比發(fā)現(xiàn) 在S i 2 p 3 2 能帶譜中 沒有經(jīng)過處理的樣品存在高能尾巴 它預(yù) 示著S i O 的存在 而經(jīng)H F 鈍化的樣品 雖然S i 2 p 3 2 譜圖是對稱的 但C l s l 2 能譜繼 續(xù)展現(xiàn)出高能段的尾巴 經(jīng)過R F 等離子體處理后 這個高能段的尾巴消失了 表明R F 等離子體能夠有效的去除表面的O F 和石墨層等污染物 記 雖然M E L i n 等人采用的射頻 I 心 氫等離子處理技術(shù)降低了處理溫度 但處理時 的溫度也很高 6 5 0 左右 工藝難度也較大 而且實驗發(fā)現(xiàn) 等離子體處理過程中 溫度越高 氫覆蓋率越低 抗氧化能力越差 l5 1 1 3 本課題要解決的問題 由于等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積 E C R P E M O C V D 系統(tǒng)可以在低溫 下產(chǎn)生低能離子 1 0 0 0 K 微波放電被用于等離子體切割冶金噴涂 等熱處理方面 低氣壓 低溫微波放電被用于等離子體鍍膜 刻蝕 表面清洗等方面 通常 低氣壓 低溫等離子體是在氣壓范圍I P a 到1 0 0 P a 的氣體中進(jìn)行直流或射頻 放電產(chǎn)生的 直流輝光放電首先被研究和應(yīng)用 但該等離子體是有極放電 而且密度低 電離度低 運行氣壓高 這就限制了其應(yīng)用的廣泛性 隨后 射頻放電技術(shù)逐步地發(fā)展 起來 這是一種無極放電 且等離子體參數(shù)比輝光放電有所提高 因而獲得了較廣泛的 應(yīng)用 但是其密度和電離度低 運行氣壓高 應(yīng)用范圍仍然受到限制 在低氣壓 低溫 放電方面一個重要的最新發(fā)展是電子回旋共振 E l e c t r o nC y c l o t r o nR e s o n a n c e 放電 這種 技術(shù)首先是在核聚變研究中發(fā)展起來的 最初 它被用于磁鏡實驗裝置產(chǎn)生和加熱等離 子體 后來 又被發(fā)展成為托卡馬克 串級磁鏡等聚變裝置實驗中進(jìn)行等離子體加熱的 主要手段之一 即電子回旋共振加熱 E l e c t r o nC y c l o t r o nH e a t i n g 目前 這一高技術(shù)被 移植到各種低溫等離子體應(yīng)用上來 顯示了蓬勃的生命力 2 2 耦合多極E C R 等離子體產(chǎn)生的原理及特點 2 2 1 E C R 等離子體產(chǎn)生的原理 所謂E C R t 3 4 l 是指 當(dāng)輸入的微波頻率w 等于電子回旋額率W e e 時 微波能量可以 共振耦合給電子 獲得能量的電子電離中性氣體 產(chǎn)生放電 電子回旋頻率W e e 為 C 0 e B M e 2 1 其中e M e 分別為電子的電荷和質(zhì)量 B 是磁場的強(qiáng)度 通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度來使得 這一條件在某一腔體或某一體積 某一表面中得以滿足 即m 緲 此時電子將在微 波腔中不斷被同步 無碰撞加速而獲得能量 如果電子獲得的能量高于氣體粒子的電離 S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 能 分子離解能或著某一狀態(tài)的激發(fā)能 那么將產(chǎn)生碰撞電離 分子離解和粒子激活等 從而實現(xiàn)等離子體放電和獲得活性粒子的目的 因此通過改變等離子體氣壓 氣體流量 磁場形式和輸入微波功率 可以獲得滿足參數(shù)需要的等離子體 2 2 2 耦合多極E C R 等離子體特點 1 9 9 3 年 三束實驗室在國內(nèi)首先提出并成功研制了一臺腔耦合磁多極E C R 源 圖 2 1 所示是該源的微波輸入系統(tǒng)示意圖 圖2 2 腔耦合E C R 等離子體源的結(jié)構(gòu)示意圖 一臺具有連續(xù)波輸出 頻率為2 4 5 G H Z 功率為1 0 0 W 1 5 K W 連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定度微 波功率源 通過一個由環(huán)形隔離器 水負(fù)載 用來吸收反射波的能量 保護(hù)磁控管 調(diào)配器 用做阻抗調(diào)整 以滿足最佳的微波和等離子體耦合條件 和定向耦合器組成的 波導(dǎo)系統(tǒng) 與波耦合系統(tǒng)連接 入射功率和反射功率通過定向耦合器用小功率計測量 微波耦合系統(tǒng)由一個黃銅圓柱諧振腔 可變長度天線以及石英放電室 石英投射微波 組成 腔頂部是一個可滑動的短路器 石英放電室位于腔的底部 部分露于腔內(nèi) 其 周圍有裝在L 行軟鐵架上的極性交替分布的八個釹鐵硼永磁體 表面磁場強(qiáng)度約為 0 4 1 5 T 他們產(chǎn)生的會切磁場在放電室內(nèi)壁附近提供了0 0 8 7 5 T 的E C R 共振磁場和 很強(qiáng)的約束磁場 適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)短路線和天線 可以很寬的運行參數(shù)范圍把把微波功率高 效地耦合給等離子體 在石英放電室產(chǎn)生高密度E C R 放電 腔壁上 角向和軸向 有 若干小孔 通過這些小孔 可用特制的波電場測試探針測量腔內(nèi)的電場分布 得到腔模 式圖 并可探討腔模式對E C R 放電特性的影響 入管道 微波源環(huán)形器定向耦合器調(diào)諧器 同軸轉(zhuǎn)換波導(dǎo) 圖2 1 腔耦合 磁多極E C R 源及微波輸入系統(tǒng) F i g 2 1 C a v i t yc o u p l i n g m u l t i p o l eE C R 8 0 u r c ca n di t sm i c r o w a v ei 叩叭s y s t e m 一8 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 石英 a 剖視圖 b 石英放電體源的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 2 腔耦合E C R 等離子體源的結(jié)構(gòu)示意圖 F i g 2 2S k e t c ho f c a v i t y c o u p l i n gE C Rp l a s m as o u i v ec o n f l g u r a f i o n g 第一代E C R P E M O C V D 系統(tǒng) E S P D 是三束實驗室成功研制的第一臺先進(jìn)E C R 輔助M O C V D 裝置 并通過等離子體的電子能量和離子能量及發(fā)射光譜研究獲得了高活 性氮源 創(chuàng)造性地提出了 E C R P A M O C V D 可控活性低溫外延技術(shù) 這一低溫外延的新 途徑 圖2 3 是第一代E C R P E M O C V D 系統(tǒng) E S P D 的結(jié)構(gòu)示意圖 除了配有腔耦合磁 多極E C R 源外 該裝置還配有氣路系統(tǒng) 真空系統(tǒng)及等離子體診斷系統(tǒng) 1 諧振腔2 石英放電室3 反應(yīng)室4 裝樣室5 分子泵6 機(jī)械泵7 樣品架8 樣品9 氮氣瓶1 0 氫氣發(fā)生器1 I T M G 源 恒 溫鼓泡器 1 2 溫控儀1 3 微波源1 4 天線1 5 光纖1 6 離子能量分析器1 7 探針1 8 G D 5 5 0 2 型職光柵單色儀1 9 微機(jī) 2 0 A D2 1 質(zhì)量流量控制器2 2 混氣室2 3 送氣環(huán)2 4 聯(lián)動氣動閥2 5 機(jī)械泵 圖2 3E C R 半導(dǎo)體加工裝置 E S P D 裝置示意圖 F i g 2 3 S c h e m a t i cd i a g r a mo f E C R s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n gd e v i c e E S P D S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 但E S P D 裝置還有很多不足之處 本底真空度只能達(dá)到1 0 a 不能滿足半導(dǎo)體工 藝要求的超高真空要求 E S P D 雖然配有了等離子體診斷設(shè)備 但由于缺乏象R H E E D 這樣的薄膜生長質(zhì)量的原位檢測設(shè)備 所以實驗研究周期長 這同樣也是常規(guī)M O C V D 的一大遺憾 E S P D 為臥式裝置 而抽氣系統(tǒng)為立式 所以氣流不是很均勻 樣品臺不 能轉(zhuǎn)動 安裝樣品也很困難 需要有金屬壓片壓住樣品 在大量總結(jié)了E S P D 實驗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上 研制了第二代E C R P E M O C V D 裝置 E S P D U E S P D U 吸取了E S P D 設(shè)備的優(yōu)點 即同樣配備了腔耦合E C R 等離子體源和等離子 體診斷系統(tǒng) 與E S P D 相比 E S P D U 有下面的優(yōu)點 1 E S P D U 的真空度可達(dá)3 x 1 0 7 P a 屬于高真空裝置 2 E S P D U 借鑒了M B E 設(shè)備的優(yōu)點 首次在M O C V D 裝置上配備了R H E E D 原 位測試系統(tǒng) 包括差分抽氣系統(tǒng)及C C D 圖像處理系統(tǒng) 可以提供生長表面微結(jié)構(gòu)信 息及實現(xiàn)原子尺寸的控制生長 3 E S P D U 設(shè)備設(shè)備了特制的加熱裝置和樣品轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu) 生長中樣品可以轉(zhuǎn)動 因此樣品生長溫度是均勻分布的 4 E S P D U 采用立式的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和抽氣系統(tǒng) 氣流均勻 樣品容易安裝 而且 生長中樣品加熱均勻并可轉(zhuǎn)動 所以樣品可以生長的均勻 5 E S P D U 除了象E S P D 一樣配有反應(yīng)室和裝樣室之外 還配有手套箱 可以用 高純氮氣保存襯底及樣品 E S P D U 還配備了計算機(jī)控制系統(tǒng) 可精確控制生長參數(shù)與工藝流程 減少了人為 因素對實驗的影響 所以E S P D U 是一臺綜合了M B E 和M O C V D 特點的先進(jìn)薄膜生長設(shè)備 圖2 4 和 圖2 5 給出了E S P D U 的俯視全貌圖和側(cè)視圖 圖2 6 為E S P D U 的照片 E S P D U 裝置由耦合型E C R 微波等離子體源 超高真空系統(tǒng) 檢測與分析系統(tǒng) 樣 品臺轉(zhuǎn)動系統(tǒng) 配氣系統(tǒng) 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等六部分組成 1 腔耦合型E C R 微波等離子體源 與E S P D 一樣 采用可調(diào)諧振腔與波導(dǎo)同軸耦合系統(tǒng) 可實現(xiàn)微波與等離子體的高 效 9 5 耦合 產(chǎn)生高電離度 高活性等離子體 E S P D U 采用的是程控微波源 2 4 5 G H z 1 K W 一 2 立體式超凈超高真空系統(tǒng) 本底真空度可達(dá)3 x 1 0 7 P a 以上 主要包括 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 石英放電室2 微波諧振腔3 外延室4 分子泵5 濺射離子泵6 R H E E D 電子槍7 C C D 成像系統(tǒng)8 四極 質(zhì)譜儀9 光學(xué)窗口1 0 微波天線l I H M O D E 彎曲波導(dǎo)1 2 E M D O E 彎曲波導(dǎo)1 3 微波源1 4 M O 進(jìn)氣口 1 5 真空規(guī)管1 6 觀察窗1 7 機(jī)械手i 8 差分抽氣系統(tǒng)J 9 裝樣室2 0 真空規(guī)管2 l 接線柱2 2 磁力送樣桿 2 3 放氣閥2 4 預(yù)處理室2 5 石英燈接線柱2 6 氣壓表2 7 手套箱 圖2 4E S P D U 俯視圖 F i g 2 4T o pv i e wo f E S P D S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 1 石英放電室2 可調(diào)諧振腔3 步 延室4 渦輪分子泵5 濺射離子泵6 R H E E D 電子槍 7 C C D 成像系 統(tǒng)8 四極質(zhì)樸儀9 光學(xué)測量窗口1 0 加熱器1 l 溫控儀1 2 溫控電源1 3 微波傳輸系統(tǒng)1 4 氨氣及氫氣進(jìn) 氣口1 5 樣品臺轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)1 6 樣品臺升降器1 7 差分抽氣系統(tǒng) 圖2 5E S P D U 剖視圖 F i g 2 5 S e c t i o n a le l e v a t i o no f E S P D U 1 2 一 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 主真空室 即反應(yīng)室 主要進(jìn)行薄膜生長和生長過程中的原位檢測 裝樣室和手套箱 經(jīng)過常規(guī)化學(xué)處理的襯底在充滿高純氮氣的手套箱內(nèi)進(jìn)行解 離和裝片 保證襯底免受大氣污染 裝樣室與主真空室之間通過磁力傳送帶和機(jī)械手在 真空下進(jìn)行樣品和襯底的交換 實時監(jiān)控系統(tǒng) 帶差分抽氣系統(tǒng)的R H E E D 及C C D 圖像處理系統(tǒng) 用于原位測量樣品表面微結(jié)構(gòu) 及生長速率 四極質(zhì)譜議 用于檢測反應(yīng)離子成分及本底真空殘余氣體成分 R H E E D 和四極 質(zhì)譜儀共用一個差分抽氣泵組 主真空室還配有真空 電磁 光學(xué)等各種測試窗口 方便地接入各種測試儀器 3 樣品臺轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)及高精度溫控系統(tǒng) 1 0 0 0 士1 樣品臺由電機(jī)控制可以旋轉(zhuǎn) 0 2 0 0 轉(zhuǎn) 分鐘 保證了氣流和溫度的均勻分布 4 配氣系統(tǒng) 配氣系統(tǒng)主要由M O 源配氣系統(tǒng) 高純氮氣 氫氣配氣系統(tǒng)及尾氣處理系統(tǒng)組成 自 己組成 見圖2 7 其設(shè)計方案為 配氣管道均選用進(jìn)口的內(nèi)拋光不銹鋼管 并且拐彎處一般用彎管道彎成圓角 所以M O 氣體在管壁的吸附少 流動通暢 反應(yīng)及配氣系統(tǒng)等 除石英杯和反應(yīng)室的大法蘭之間是氟膠密封之外 其余均 為金屬密封 大大提高了反應(yīng)室的本底真空度和配氣管道的密封性 各個反應(yīng)氣體在進(jìn) 入反應(yīng)室之前均經(jīng)過混氣室 使得各路氣體混合均勻 所有的M O 源管道在進(jìn)入反應(yīng)室之前均采用V E N T R U N 配氣方式 并且氣動閥 至混氣室 以及混氣室至反應(yīng)室的管道設(shè)計的特別短 以保證所需要的M O 氣體能盡量 地切換到反應(yīng)室 并且切換前的流量已經(jīng)穩(wěn)定在設(shè)定值 M O 源選用的高純氫氣發(fā)生器所產(chǎn)生的純度在6 N 即9 9 9 9 9 9 以上的氫氣做載 氣 在各M O 源出氣口至反應(yīng)室之間的所有管路及閥門等元件上均纏有烘烤帶 使 得管路溫度保持在M O 源的溫度之上 以防止M O 氣體凝結(jié)在管路內(nèi)而無法送入反應(yīng)室 E C R P E M O C V D 低溫生長技術(shù)具有下面的特點 1 外延生長時 對化學(xué)活性相對較大的反應(yīng)粒子分別活化 2 裝置上采用具有可調(diào)諧振腔和磁多極場位形的耦合型E C R 微波源等離子體 其 關(guān)鍵是提供一個具有高活化功能無離子損傷的等離子體 活性粒子 原子及原子態(tài)離子 的產(chǎn)生源于能量大于其分子鍵的電子與碰撞而產(chǎn)生的激發(fā) 電離和離解過程 這種腔耦 S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 合型E C R 微波等離子體源的產(chǎn)生的非磁化等離子體其電子能量分布有一個高能電子 尾 巴 有利于反應(yīng)粒子的活化 其離子溫度低 1 0 2 運行氣壓低 1 1 0 4 P a 3 可行成大面積 均勻等離子體 4 無電極 高活性 易形成多電荷離子和負(fù)離子 5 可穩(wěn)態(tài)運行 設(shè)備簡單 效率高 參數(shù)易于控制 正是由于以上的特點 使得E C R 放電等離子體有著直流和射頻放電無法比擬的特 點 1 5 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 高速率獲得純凈 高化學(xué)活性的物質(zhì) 2 低能離子降低了基片的表面的損傷 3 通過控制轟擊基片的離子能量 獲得其它方法難以得到的高能亞穩(wěn)態(tài)相結(jié)構(gòu) 4 反應(yīng)粒子活性高 在低溫甚至室溫下即可沉積薄膜 并可是實現(xiàn)晶體的取向生 長 5 低壓下的反應(yīng)放電方向性好 是亞微米刻蝕工藝的優(yōu)良源種 應(yīng)用于離子源技 術(shù) 延長了源的運行壽命 能穩(wěn)定供應(yīng)各類活性離子 以實現(xiàn)寬束強(qiáng)流輸出 并且可以 獲得多電荷態(tài)和負(fù)離子 1 超高氫氣發(fā)生器2 高純氮氣瓶3 氣壓表4 高真空手動截止閥5 單向閥6 M O 源氣瓶 鼓泡 器 7 恒溫箱8 減壓器9 顧量流量控制器l O 聯(lián)動氣動閥l1 蝶閥1 2 混氣室1 3 機(jī)械泵1 4 諧 振腔1 5 石英放電室1 6 M O 源噴嘴1 7 可轉(zhuǎn)動樣品臺 圖2 7E S P D U 配氣系統(tǒng) F i g 2 7 G a si n p u ts y s 眥o f E S P D U S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 2 3R H E E D 原位檢測系統(tǒng) 本實驗采用的檢測方法是原位高能電子衍射 R H E E D 和x 射線電子衍射 X P S 通過利用R H E E D 原位檢測可以實時監(jiān)控處理的效果 從而確定處理最佳對間和溫度 發(fā)射高能電子衍射 R e f l e c tH i g hE l e c t r o nD i f f T a c t i o n R H E E D 是近年隨著M B E 的 發(fā)展而發(fā)展起來的 它是研究樣品表面結(jié)構(gòu)的有力工具 電子束不能穿透大塊的晶體 對較厚的樣品的表面研究 可以采用發(fā)射電子衍射的 方法 其特點是 1 一束直徑較細(xì)的高能電子束照射到被分析樣品表面 通過表面反射而形成電子 衍射圖像 可以進(jìn)行傳統(tǒng)的x 射線衍射分析所不能完成的樣品表面結(jié)構(gòu)觀測和測定 2 R H E E D 所用的加速電壓為t O 1 0 6 e v 所對應(yīng)的波長對分析薄膜的結(jié)晶性非常有 利 可以獲得較多樣品的表面微結(jié)構(gòu)信息 如表面重構(gòu) 生長模式 晶向和晶質(zhì)等 由于高能電子束以幾乎平行于被分析樣品表面的極小角度入射 入射電子對表面的損傷 特別小 2 3 1 電子衍射的原理 如果將電子當(dāng)作德布羅意物質(zhì)波來考慮 則可將在x 射線中運用很成功的衍射原理 用于R H E E D 中 州 對于波長為九的電子波 滿足于布拉格條件 2 d s i n O n Z 2 1 上式中d 為原子面間距 九為波長 0 為高能電子束與樣品之間的夾角 若只考慮一級衍射 n l 則 2 d s i n 0 X 2 2 當(dāng)0 很小時 近似于s i n 0 0 則 2 d O X 2 3 t a n 2 0 2 0 S L 2 4 上式中L 為樣品到膠片或者熒光屏的距離 s 為一級衍射斑點到中心的距離 該近 似使得S L 計算是偏小0 1 4 將2 0 S L 帶入上式可得 d L X S 2 5 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 在R H E E D 裝置的參數(shù)L 九已給定的時候 根據(jù)屏冪上側(cè)得的條紋間距可以得出 晶面間距d 的大小 根據(jù)德布羅意波長九與電子的動能P 之間的關(guān)系式 3 6 1 A h 伊 2 6 式中h 為普朗克常數(shù) 根據(jù)狹義相對論的能量公式 E E I c W 產(chǎn) 動地 2 7 其中E o m o c 2 o 5 1 M c v 為電子的靜止能量 E k 為電子的動能 它與電子的加速 度電壓U 單位為伏特v 之間的關(guān)系為 E f U e V 2 8 由 2 5 2 7 式可得波長為九與加速度U 有如下的關(guān)系 捂1 2 2 6 U I x l 0 6 U 2 I 2 2 9 其中u 2 是與相對論有關(guān)的修正項 電壓越高它的影響就越大 使用的電子束的加 速度電壓為1 9 K V 故電子束的波長為O 0 8 8 1 2 3 2R H E E D 的應(yīng)用 本實驗所用的R H E E D 裝置如圖2 9 所示 R H E E D 裝置主要由電子槍 G 高壓 電源 熒光屏 S S 和C C D 等部分組成 電子槍燈絲 F 發(fā)射的電子流經(jīng)柵壓 A 2 聚焦 由高壓陽極 A 2 引出 再經(jīng)偏轉(zhuǎn)電極d 1 d 2 調(diào)節(jié) 由狹縫s l 除射 然后經(jīng)過 校準(zhǔn)電極 A 3 由偏轉(zhuǎn)電極D 3 D 4 調(diào)節(jié)之后入射到樣品 S 表面 然后在熒光屏上 形成衍射圖像 該電子槍在長聚焦電子槍 其聚焦點聚在熒光屏上 熒光屏上的R H E E D 圖像由C C D 相機(jī)傳遞到監(jiān)視器上 由電腦對圖像進(jìn)行采集處理 G 電子槍F 燈絲A l 柵壓A 2 陽極A 3 校準(zhǔn)d 1 d 4 偏轉(zhuǎn)電極S l O l m m 狹縫S 2 d 2 m m 狹 縫S 樣品S S 熒光屏 圖2 9R H E E D 裝置示意圖 F i g 2 9 S k e t c hm a po f R H E E Dd e v i c e S i C 半導(dǎo)體表面處理技術(shù)研究 l m E E D 實驗的條件如下所示 真空度高于l x l 0 一P a 樣品中心到熒光屏的距離為L 3 1 5 r a m 熒光屏的尺寸為 m 7 5 0 m m 陽極加速電壓 1 9 K V 對應(yīng)電子束的波長 九 o 0 8 8i 電子束流 4 0 5 0 n A 用R H E E D 可以做表面動態(tài)觀測 進(jìn)行晶體生長動力學(xué)過程研究 還可以進(jìn)行原子 結(jié)構(gòu)的分析 晶格常數(shù)測定 并可通過衍射圖像分析晶體缺陷 1 原子結(jié)構(gòu)分析 通過R H E E D 圖像 可以得出下面有用的信息 T a b 2 1R H E E D 圖像分析 T a b 2 1T h ea n a l y s eo f R H E E D 眥功圖像 盈血血盥 表面特征表面臟或多晶單晶表面平整單晶表面有起單晶表面有突 伏起 清潔表面和有序吸附層的結(jié)構(gòu)分析 如果R H E E D 圖像是條文狀的 則說明樣 品表面原子排列是有序的 樣品表面非常平整 如果R H E E D 圖像是點伏狀的 則說明 樣品表面不是非常平整 有局部的突起 如果R H E E D 圖像模糊不清 則說明表面非常 粗糙 電子束已經(jīng)被多次發(fā)射 判別單晶和多晶 一般來說 對于R H E E D 圖像是條紋和點伏的 可以判斷是 單晶 如果是環(huán)狀的 樣品為多晶 確定樣品表面是否重構(gòu) 通過比較計算不同樣品表面的晶格常數(shù)可以推斷表面 是否重構(gòu) 由于不同材料的表面結(jié)構(gòu)不同 所以對不同的材料 要加以區(qū)別對待 表2 1 給出了不同圖像代表的表面形貌 2 晶格常數(shù)測定 E C R P E M O C V D 系統(tǒng)配置的軟件處理系統(tǒng)可以分析R H E E D 條紋的間距變化 若測得熒光屏上R H E E D 的