高溫處理對Si圖形襯底上SiO2掩膜層的影響

侯凱文 朱永琴

黃河交通學院，河南 焦作 454950

SiC具有禁帶寬度大、熱導率高、電子遷移率大、臨界擊穿電場高等特點，在高溫、高壓、大功率器件領域有廣泛的應用。但Si襯底上異質外延3C-SiC薄膜的質量較低，阻礙了其在各應用領域的發(fā)展。在SiC和Si襯底界面處或外延薄膜內會產生大量的由應力釋放引起的缺陷，如位錯、層錯、孿晶等[1-2]。圖形化襯底上側向外延生長技術可以有效地解決這一問題，這一技術在選擇性生長的基礎上發(fā)展而來。圖形化襯底可以采用干法刻蝕或濕法刻蝕工藝獲得，有微米級波浪形、“V”形，納米柱狀等[3-7]。圖形化襯底分為有掩膜圖形和無掩膜圖形兩類，掩膜材料有SiO2、Si3N4或金屬等[8-11]。目前在圖形化藍寶石襯底上側向生長的GaN材料的位錯密度由108/cm2以上降低至107/cm2[12]。Oshita等人在Si（100）襯底上用SiO2作掩膜圖形，在1000 ℃得到了質量良好的3C-SiC薄膜。通過側向外延技術的選擇性生長可以最大程度地減少3C-SiC薄膜中的缺陷[13-14]。然而掩膜材料和最優(yōu)選擇性生長工藝之間的矛盾關系是側向外延生長中必須要考慮的因素，較高的生長溫度可以獲得質量更好的3C-SiC薄膜，但是低的生長溫度可以減少對SiO2掩膜材料的傷害，SiO2掩膜圖形層的完整性決定著外延薄膜的生長質量[3]。在本論文工作中，通過3組實驗來對比研究高溫以及高溫下通入H2和C2H2氣體對Si（100）襯底上SiO2掩膜圖形的影響。

1 實驗過程

本論文使用P型Si（100）襯底，電阻率2～10 Ω · cm，干氧氧化在Si襯底生長SiO2層，厚度分別是300 nm和500 nm。所有的襯底都經RCA標準清洗，后進行光刻，形成圖形，再利用HF和NH4F組成的緩沖液對SiO2層進行濕法刻蝕，得到有SiO2掩膜層的圖形化襯底?？涛g的圖形為條形，其尺寸為15 μm或20 μm。襯底圖形制作過程如圖1所示，圖形窗口邊沿（110）方向。

圖1 硅基圖形化襯底制備流程

將襯底放入低壓化學氣相淀積（LPCVD）設備的腔體中，分別在1200 ℃下的真空氣氛、 H2氣氛和H2與C2H2的 混合氣氛中進行處理。H2和C2H2是LPCVD法外延生長3C-SiC薄膜使用的氣體。具體參數如表1所示，其中第Ⅲ組實驗參數中通入H2保持10 min后，再通C2H2并保持6 min。

表1 襯底處理的具體參數

通過光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM-6700 F）觀察圖形襯底上SiO2的表面形貌變化。

2 實驗結果與分析

2.1 真空氣氛下高溫處理對SiO2掩膜層的影響

外延薄膜在圖形襯底上選擇性生長的過程中，最重要的步驟是要保持SiO2掩膜層的完整度。實驗前將襯底清洗干凈并干燥，通過光學顯微鏡檢查襯底表面有無污染物顆粒，且SiO2掩膜圖形層是否完整。將氧化層300 nm厚度的樣品命名為樣品A，氧化層500 nm厚度的襯底命名為樣品B。圖2是真空氣氛下高溫處理前后各樣品的光學顯微鏡圖片。

圖2 第Ⅰ組實驗處理前后兩種襯底的光學顯微鏡圖

圖2a和圖2c分別是樣品A和樣品B真空氣氛條件下高溫處理前襯底的共聚焦顯微鏡俯視圖，圖2b和圖2d分別是處理后的圖片。圖2a至圖2d的上半部分為俯視圖，下半部分為橫截面圖。圖2e是圖2b SiO2區(qū)域的EDS能譜。

對比圖2a和圖2c，可以發(fā)現在實驗處理前樣品A的表面掩膜層圖形完整，表面平整，沒有污染物顆粒，厚度均勻。而在第Ⅰ組實驗處理后（實驗參數如表1 中Ⅰ組所示），樣品A表面掩膜層所在的區(qū)域由實驗前高出Si襯底表面變成低于Si襯底表面，發(fā)生“凹陷”現象，且襯底表面粗糙度增加。出現此現象的原因是：SiO2氧化層與Si襯底界面處或氧化層內部的缺陷（缺陷可能在氧化層生長過程中產生）經過高溫真空處理后形成孔洞，襯底表層的Si原子在高溫促使下擴散至氧化層孔洞處，并在孔洞處發(fā)生化學反應，如式（1）所示，生成揮發(fā)性氣體SiO，生成的氣體不斷積累，并隨缺陷逐漸穿透整個氧化層，Si襯底表面和氧化層表面的連通加快了反應生成物SiO氣體的擴散，整個過程所需時間與氧化層的厚度相關。襯底表面的氧化層厚度越薄（<300 nm），氧化層退化所需的時間就越短。

此外，有研究發(fā)現，當環(huán)境溫度高于800℃時，SiO氣體有較大的平衡壓力（1200℃時其值為10-4pa），對SiO2層產生熱應力，加劇氧化層的分解[14]，所以出現圖2b所示的襯底氧化層圖形區(qū)域“凹陷”的現象。另外，在反應停止后的冷卻過程中，實驗設備腔體中 Si原子逐漸形成硅晶核吸附在整個襯底表面，增加了樣品表面的粗糙度。對比圖2c和圖2d可以看出，樣品B的表面形貌在實驗處理前后變化較小，僅部分SiO2掩膜圖形退化，未發(fā)生氧化層圖形區(qū)域 “凹陷”的現象。因此，在選擇SiO2做掩膜材料的Si圖形化襯底上選擇性生長3C-SiC薄膜時，若環(huán)境溫度超過1200 ℃，需使用厚度在500 nm以上的氧化層做掩膜，才可減弱掩膜層的退化。

2.2 高溫環(huán)境下H2和C2H2對圖形化襯底上SiO2氧化層的影響

通過第Ⅱ組實驗，觀察高溫下通入H2對Si襯底上圖形氧化層的影響（實驗參數如表1 中Ⅱ組所示）。3組實驗所用襯底和實驗設備均相同。從圖2b和圖3a可以看出，在通入H2的高溫環(huán)境下，僅部分氧化層退化，氧化層退化現象減弱，未出現第Ⅰ組實驗后樣品A表面發(fā)生化學反應氧化層圖形“凹陷”的情況。產生上述現象的原因是：1200 ℃下，在實驗設備腔體內通入H2，H2與SiO2發(fā)生如式（2）所示的化學反應，生成氣態(tài)SiO和H2O，圖形氧化層損耗，膜厚降低。另外，由于式（2）與式（1）所示的化學反應同時發(fā)生，加快了SiO2掩膜圖形層的退化，使Si襯底與SiO2氧化層的界面處未出現過度反應現象。由于此反應不均勻性較明顯，所以氧化層出現部分退化情況。H2是活性氣體，會在高溫環(huán)境下同時與襯底窗口區(qū)域的Si原子和襯底表面自然氧化層發(fā)生反應，兩者反應速率不同，在Si襯底表面形成了復雜的反應，導致樣品窗口區(qū)域的粗糙度增加，最終出現樣品表面高低不明顯的現象[15]。從圖3b中可以看出氧化層厚度達500 nm時，在高溫環(huán)境下通入H2對樣品表面的影響較小，樣品表面的部分氧化層依然平整，僅氧化層圖形邊緣部分被退化，襯底圖形保存較完整。圖中氧化層顏色差異由光學顯微鏡的圖像色差引起，不是實驗造成的。

圖3 第Ⅱ、Ⅲ組實驗處理后樣品A和樣品B表面形貌的光學顯微鏡圖

對比圖3c和圖3d發(fā)現，樣品A和樣品B表面的氧化層變化不大，說明在1200 ℃下的H2氣氛中通入C2H2，不會影響掩膜層為SiO2的圖形化Si襯底的質量。

3 總 結

圖形化襯底上SiO2掩膜層厚度為300 nm時，在1200 ℃真空氣氛下，由于Si和SiO2的化學反應，使圖形化襯底上的氧化層出現較嚴重的退化現象，并且造成氧化層處Si襯底形成“凹陷”；在通入H2后，由于H2同時對Si和SiO2的刻蝕，縮短了襯底與氧化層之間的反應時間，使圖形化襯底未出現SiO2與Si襯底過度反應導致的襯底“凹陷”現象；在通入C2H2后，圖形化襯底上未出現氧化層繼續(xù)退化的現象。當SiO2掩膜層厚度為500 nm時，圖形化襯底上只有部分氧化層發(fā)生退化，基本保持了圖形化襯底上掩膜圖形的完整性。