大連理工大學 碩士學位論文 SiC半導體表面處理技術研究 姓名 王海波 申請學位級別 碩士 專業 物理電子學 指導教師 王德君 20071220 大連理工大學碩士學位論文 摘要 氫鈍化技術是利用氫原子終結表面懸掛鍵的一種技術 半導體經氫鈍化處理后可以 獲得干凈 平整 抗氧化能力強的表面 有利于制備高性能的M O S 結構和歐姆接觸 由于S i C 表面存在極性鍵 傳統的濕法氫鈍化技術并不適合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 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 表面化學結構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 實驗結果表明 低溫2 0 0 處理1 2 分鐘 后 S i C 表面出現最佳處理效果 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 分鐘后出現最佳處理效果 在4 0 0 處理4 分鐘后出現最佳處理效果 在 5 0 0 處理2 分鐘后出現最佳處理效果 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 發現 經低溫氫等離子體處理1 2 分鐘后 S i C 表面變為了 1 x 1 非重構相 X P S 分析 發現 傳統濕法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 經等離子體處 理的S i C 表面O S i 的含量明顯低于傳統濕法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 分析發現 經氫等離子體預處理的M O S 電容器件界面態密度明顯低于傳統濕法處理后S i CM O S 電 容器件 達到了6 x 1 0 c m e x r 1 數量級 經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 關鍵詞 S i C E C R R H E E D X P S I R 大連理工大學碩士學位論文 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 獨創性說明 作者鄭重聲明 本碩士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經發表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學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 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 大連理工大學碩士 博士學位 論文版權使用規定 同意大連理工大學保留并向國家有關部門或機構送 交學位論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連理 工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 也 可采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文 作者簽名 量終遮 導師簽名 乙 玄及 血年止月皇日 大連理工大學碩士學位論文 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碳化物 由于其特有的大禁帶 寬度 高臨界擊穿場強 高電子遷移率 高熱導率等特點 成為制作高溫 高頻 大功 率 抗輻射 短波長發光及光電集成器件的理想材料 在微電子 光電子等領域起到了 獨特的作用 成為國際上新材料 微電子和光電子領域的熱點 S i C 更重要的一個優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 但是目前通過標準熱氧化工藝制作的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 2 1 大量實驗結果表明 遷移率過低的主要原因在于 S i 0 2 S i C 界面態密度較高 一般認為界面上S i C 的懸掛鍵 界面上的結構缺陷和界面 上存在的雜質原子都會引起高的界面態 S i C 在氧化過程中 表面的碳無法完全參與反 應 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 器件的關鍵 制備良好的歐姆接觸是制備高性能半導體器件的工藝之一 尤其對需要制成大功率 的碳化硅器件更是如此 高密度界面態影響半導體器件的電學性能 假定在一個N 型半 導體表面存在表面態 半導體費米能級E F 將高于q 由 如果q 由 以上存在有受主的表面 態 則在q 巾 到E F 問的能級將基本上為電子充滿 表面帶負電 這樣 半導體表面附近 必定出現正電荷 成為正的空間電荷區 結果形成電子的勢壘 勢壘高度q V 恰好使表 面態上的負電荷與勢壘區正電荷數量相等 如果表面密度很大 只要E F 比q 巾 高一點 在表面態上就會積累很多負電荷 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 半導體接觸勢壘高度和金屬的功函數幾乎無關 僅僅由半導體 的表面性質所決定 接觸電勢差全部降落在兩個表面之間 當高密度表面態使費米能級 釘扎時 通常形成削寺基接觸 勢壘高度近似為常數 E g q 巾 降低界面態密度 就會 使得金屬 半導體比接觸電阻強烈依賴于巾m 金屬功函數 因此可通過降低界面態密 度D 并選用適當的金屬來制備較好的金屬 半導體接觸 l u J 氫鈍化技術是利用原子氫來終結表面懸掛鍵的一種技術 氫鈍化處理不僅可以飽和 半導體表面的懸掛鍵 1 1 1 2 1 還可以使半導體獲得干凈 平整 抗氧化能力強的表面 1 5 S i C 經氫鈍化處理后可有效除去表面的C 簇污染物 降低M O S 結構的界面態密度和金 S i C 半導體表面處理技術研究 屬 半導體界面態密度 消除費米能級釘扎效應 有利于提高M O S F E T s 性能和制備良好 的歐姆接觸 表面氫鈍化技術在s i 器件領域已經非常成熟 它通過濕法化學處理 如沸水 氫氟 酸等 可以很容易的實現 S i C 作為新一代半導體 應用前景寬廣 其表面氫鈍化工藝 意義重大 近年來以引起國內外學者的普遍關注 1 2 國內外發展現狀及趨勢 在過去的2 0 年中 國內外學者在S i C 氫鈍化方面做了大量的研究工作 引 本文經總結 將鈍化技術分為三類 第一類 傳統濕法氫鈍化技術 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濟 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 面因機械拋光可造成一定程度的損傷 從而表面凹凸不平 能產生大量的懸掛鍵 導致 表面態的增加 為減少這種因機械損傷而引入的表面態 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 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 大連理工大學碩士學位論文 B W 法處理過程中 H F 刻蝕S i C 表面C 4 S i Q 后 電負性最強的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定 但S i 2 F 的電負性差異使極性 鍵C S i 產生更強的極性 C S i 鍵長增加 其鍵力減小 此時C S i 不再穩定 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 表面由氟化轉變為氫化 6 H S i C 0 0 0 1 表面動態反應式如下I l 卅 如圖1 1r e 0 式所示 S i F 通過反應 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 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 應發生在 0 0 0 1 平整晶面 反應 2 主要在晶面間 臺階 缺陷處發 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 經過退火處理發現 B W 法制備的歐姆接觸 其界面態在低于4 0 0 時基本不變 經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 其作用原理結果類似與沸水處理 2 2 1 雖然濕法氫鈍化技術工藝簡單 但由于S i C 晶格結構存在著極性 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 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 晶片經傳統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 數據表明 經氫鈍化的S i C 表面呈現出 1 x 1 非重構像 其結構示意圖1 2 1 3 所示 通過X P S 數據分析發現 C l s 和s i 2 p 能譜有化學遷移 n s e y l l e r 將其歸根于S i 3 C H 和C 3 S i H 結構 K a t s u n o f iU e n o 等人 3 0 通過實驗發現 高溫氫氣退火處理可以有效地提 高M O S 結構溝道遷移率 他們分析發現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粒子 氫鈍化效果好 處理后的表面抗氧化能力強等 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 實現起來較為困難 S i C 半導體表面處理技術研究 圖1 24 H s i c 1T o o 非重構示意圖 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 以射頻氫等離子體鈍化技術為代表 在等離子體中存在下列物質 被加速而處于高速運動狀態的電子 處于激發狀態的 中性原子 分子 離子化的原子 分子 解離反應過程生成的紫外線 未反應的原子和 分子等 由于存在高活性的反應粒子 與濕法清洗相比 等離子清洗的優勢表現在以下個方 面 1 在經過等離子清洗以后 被清洗物體已經很干燥 不必再經干燥處理即可送往 下道工序 2 不使用三氯乙甲O D S 有害溶劑 清洗后也不會產生有害污染物 屬于有利于環 保的綠色清洗方法 3 用無線電波范圍的高頻產生的等離子體與激光等直射光線不同 它的方向性不 強 因此它可以深入物體的微細孔眼和凹陷的內部并完成清洗任務 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 大連理工大學碩士學位論文 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中很容 易實現 這種裝置的設備成本不高 加上清洗過程不需要使用價格昂貴的有機溶劑 因 此它的運行成本要低于傳統的清洗工藝 6 由于不需要對清洗液進行運輸 貯存 排放等處理措施 所以生產場地很容易 保持清潔衛生 7 等離子清洗的最大技術特點是 它不分處理對象 可處理不同的基材 無論是 金屬 半導體 氧化物還是高分子材料 如聚丙烯 聚氯乙烯 據四氟乙烯 聚酰亞胺 聚酯 環氧樹脂等高聚物 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 局部或復雜結構進行部分清洗 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 通過對比發現 在S i 2 p 3 2 能帶譜中 沒有經過處理的樣品存在高能尾巴 它預 示著S i O 的存在 而經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 續展現出高能段的尾巴 經過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 而且實驗發現 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 由于等離子體增強金屬有機物化學氣相沉積 E C R P E M O C V D 系統可以在低溫 下產生低能離子 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 的氣體中進行直流或射頻 放電產生的 直流輝光放電首先被研究和應用 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 這就限制了其應用的廣泛性 隨后 射頻放電技術逐步地發展 起來 這是一種無極放電 且等離子體參數比輝光放電有所提高 因而獲得了較廣泛的 應用 但是其密度和電離度低 運行氣壓高 應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 技術首先是在核聚變研究中發展起來的 最初 它被用于磁鏡實驗裝置產生和加熱等離 子體 后來 又被發展成為托卡馬克 串級磁鏡等聚變裝置實驗中進行等離子體加熱的 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 這一高技術被 移植到各種低溫等離子體應用上來 顯示了蓬勃的生命力 2 2 耦合多極E C R 等離子體產生的原理及特點 2 2 1 E C R 等離子體產生的原理 所謂E C R t 3 4 l 是指 當輸入的微波頻率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量 B 是磁場的強度 通過調節磁場強度來使得 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 半導體表面處理技術研究 能 分子離解能或著某一狀態的激發能 那么將產生碰撞電離 分子離解和粒子激活等 從而實現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示意圖 圖2 2 腔耦合E C R 等離子體源的結構示意圖 一臺具有連續波輸出 頻率為2 4 5 G H Z 功率為1 0 0 W 1 5 K W 連續可調的高穩定度微 波功率源 通過一個由環形隔離器 水負載 用來吸收反射波的能量 保護磁控管 調配器 用做阻抗調整 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 波導系統 與波耦合系統連接 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 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 表面磁場強度約為 0 4 1 5 T 他們產生的會切磁場在放電室內壁附近提供了0 0 8 7 5 T 的E C R 共振磁場和 很強的約束磁場 適當的調節短路線和天線 可以很寬的運行參數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 微波源環形器定向耦合器調諧器 同軸轉換波導 圖2 1 腔耦合 磁多極E C R 源及微波輸入系統 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 大連理工大學碩士學位論文 石英 a 剖視圖 b 石英放電體源的結構示意圖 圖2 2 腔耦合E C R 等離子體源的結構示意圖 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 E S P D 是三束實驗室成功研制的第一臺先進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射光譜研究獲得了高活 性氮源 創造性地提出了 E C R P A M O C V D 可控活性低溫外延技術 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 E S P D 的結構示意圖 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 真空系統及等離子體診斷系統 1 諧振腔2 石英放電室3 反應室4 裝樣室5 分子泵6 機械泵7 樣品架8 樣品9 氮氣瓶1 0 氫氣發生器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 2 0 A D2 1 質量流量控制器2 2 混氣室2 3 送氣環2 4 聯動氣動閥2 5 機械泵 圖2 3E C R 半導體加工裝置 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 半導體表面處理技術研究 但E S P D 裝置還有很多不足之處 本底真空度只能達到1 0 a 不能滿足半導體工 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備 但由于缺乏象R H E E D 這樣的薄膜生長質量的原位檢測設備 所以實驗研究周期長 這同樣也是常規M O C V D 的一大遺憾 E S P D 為臥式裝置 而抽氣系統為立式 所以氣流不是很均勻 樣品臺不 能轉動 安裝樣品也很困難 需要有金屬壓片壓住樣品 在大量總結了E S P D 實驗經驗的基礎上 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 設備的優點 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 與E S P D 相比 E S P D U 有下面的優點 1 E S P D U 的真空度可達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 設備的優點 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 包括差分抽氣系統及C C D 圖像處理系統 可以提供生長表面微結構信 息及實現原子尺寸的控制生長 3 E S P D U 設備設備了特制的加熱裝置和樣品轉動結構 生長中樣品可以轉動 因此樣品生長溫度是均勻分布的 4 E S P D U 采用立式的反應室結構和抽氣系統 氣流均勻 樣品容易安裝 而且 生長中樣品加熱均勻并可轉動 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 還配備了計算機控制系統 可精確控制生長參數與工藝流程 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 特點的先進薄膜生長設備 圖2 4 和 圖2 5 給出了E S P D U 的俯視全貌圖和側視圖 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 檢測與分析系統 樣 品臺轉動系統 配氣系統 計算機數據采集與控制系統等六部分組成 1 腔耦合型E C R 微波等離子體源 與E S P D 一樣 采用可調諧振腔與波導同軸耦合系統 可實現微波與等離子體的高 效 9 5 耦合 產生高電離度 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 本底真空度可達3 x 1 0 7 P a 以上 主要包括 大連理工大學碩士學位論文 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8 四極 質譜儀9 光學窗口1 0 微波天線l I H M O D E 彎曲波導1 2 E M D O E 彎曲波導1 3 微波源1 4 M O 進氣口 1 5 真空規管1 6 觀察窗1 7 機械手i 8 差分抽氣系統J 9 裝樣室2 0 真空規管2 l 接線柱2 2 磁力送樣桿 2 3 放氣閥2 4 預處理室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 半導體表面處理技術研究 1 石英放電室2 可調諧振腔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8 四極質樸儀9 光學測量窗口1 0 加熱器1 l 溫控儀1 2 溫控電源1 3 微波傳輸系統1 4 氨氣及氫氣進 氣口1 5 樣品臺轉動機構1 6 樣品臺升降器1 7 差分抽氣系統 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 大連理工大學碩士學位論文 主真空室 即反應室 主要進行薄膜生長和生長過程中的原位檢測 裝樣室和手套箱 經過常規化學處理的襯底在充滿高純氮氣的手套箱內進行解 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械手在 真空下進行樣品和襯底的交換 實時監控系統 帶差分抽氣系統的R H E E D 及C C D 圖像處理系統 用于原位測量樣品表面微結構 及生長速率 四極質譜議 用于檢測反應離子成分及本底真空殘余氣體成分 R H E E D 和四極 質譜儀共用一個差分抽氣泵組 主真空室還配有真空 電磁 光學等各種測試窗口 方便地接入各種測試儀器 3 樣品臺轉動機構及高精度溫控系統 1 0 0 0 士1 樣品臺由電機控制可以旋轉 0 2 0 0 轉 分鐘 保證了氣流和溫度的均勻分布 4 配氣系統 配氣系統主要由M O 源配氣系統 高純氮氣 氫氣配氣系統及尾氣處理系統組成 自 己組成 見圖2 7 其設計方案為 配氣管道均選用進口的內拋光不銹鋼管 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 反應及配氣系統等 除石英杯和反應室的大法蘭之間是氟膠密封之外 其余均 為金屬密封 大大提高了反應室的本底真空度和配氣管道的密封性 各個反應氣體在進 入反應室之前均經過混氣室 使得各路氣體混合均勻 所有的M O 源管道在進入反應室之前均采用V E N T R U N 配氣方式 并且氣動閥 至混氣室 以及混氣室至反應室的管道設計的特別短 以保證所需要的M O 氣體能盡量 地切換到反應室 并且切換前的流量已經穩定在設定值 M O 源選用的高純氫氣發生器所產生的純度在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 氣體凝結在管路內而無法送入反應室 E C R P E M O C V D 低溫生長技術具有下面的特點 1 外延生長時 對化學活性相對較大的反應粒子分別活化 2 裝置上采用具有可調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 原子及原子態離子 的產生源于能量大于其分子鍵的電子與碰撞而產生的激發 電離和離解過程 這種腔耦 S i C 半導體表面處理技術研究 合型E C R 微波等離子體源的產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離子 5 可穩態運行 設備簡單 效率高 參數易于控制 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 大連理工大學碩士學位論文 1 高速率獲得純凈 高化學活性的物質 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態相結構 4 反應粒子活性高 在低溫甚至室溫下即可沉積薄膜 并可是實現晶體的取向生 長 5 低壓下的反應放電方向性好 是亞微米刻蝕工藝的優良源種 應用于離子源技 術 延長了源的運行壽命 能穩定供應各類活性離子 以實現寬束強流輸出 并且可以 獲得多電荷態和負離子 1 超高氫氣發生器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 聯動氣動閥l1 蝶閥1 2 混氣室1 3 機械泵1 4 諧 振腔1 5 石英放電室1 6 M O 源噴嘴1 7 可轉動樣品臺 圖2 7E S P D U 配氣系統 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 半導體表面處理技術研究 2 3R H E E D 原位檢測系統 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控處理的效果 從而確定處理最佳對間和溫度 發射高能電子衍射 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 發展而發展起來的 它是研究樣品表面結構的有力工具 電子束不能穿透大塊的晶體 對較厚的樣品的表面研究 可以采用發射電子衍射的 方法 其特點是 1 一束直徑較細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 可以進行傳統的x 射線衍射分析所不能完成的樣品表面結構觀測和測定 2 R H E E D 所用的加速電壓為t O 1 0 6 e v 所對應的波長對分析薄膜的結晶性非常有 利 可以獲得較多樣品的表面微結構信息 如表面重構 生長模式 晶向和晶質等 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 如果將電子當作德布羅意物質波來考慮 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 大連理工大學碩士學位論文 在R H E E D 裝置的參數L 九已給定的時候 根據屏冪上側得的條紋間距可以得出 晶面間距d 的大小 根據德布羅意波長九與電子的動能P 之間的關系式 3 6 1 A h 伊 2 6 式中h 為普朗克常數 根據狹義相對論的能量公式 E E I c W 產 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 發射的電子流經柵壓 A 2 聚焦 由高壓陽極 A 2 引出 再經偏轉電極d 1 d 2 調節 由狹縫s l 除射 然后經過 校準電極 A 3 由偏轉電極D 3 D 4 調節之后入射到樣品 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 相機傳遞到監視器上 由電腦對圖像進行采集處理 G 電子槍F 燈絲A l 柵壓A 2 陽極A 3 校準d 1 d 4 偏轉電極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 半導體表面處理技術研究 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 可以做表面動態觀測 進行晶體生長動力學過程研究 還可以進行原子 結構的分析 晶格常數測定 并可通過衍射圖像分析晶體缺陷 1 原子結構分析 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構分析 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 電子束已經被多次發射 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 如果是環狀的 樣品為多晶 確定樣品表面是否重構 通過比較計算不同樣品表面的晶格常數可以推斷表面 是否重構 由于不同材料的表面結構不同 所以對不同的材料 要加以區別對待 表2 1 給出了不同圖像代表的表面形貌 2 晶格常數測定 E C R P E M O C V D 系統配置的軟件處理系統可以分析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