王昆侖 徐濤 王聰

摘 ?要：SiC具有較大的帶隙寬度和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可在高功率、高溫（高達(dá)600℃）和高頻（高達(dá)20GHz）條件下工作，在半導(dǎo)體器件中有著廣泛的應(yīng)用。Si是常用的制作SiC薄膜的基底材料，然而，由于基底Si和SiC靶材的晶格常數(shù)存在差異，使得它們之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，影響了成膜質(zhì)量，在一定程度上限制了SiC在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)在Si與SiC之間添加AlN緩沖層可以有效地解決這一問(wèn)題。文章通過(guò)磁控濺射制備了不同AlN緩沖層厚度的SiC薄膜，研究了AlN緩沖層厚度對(duì)SiC薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌、硬度和附著力的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)AlN緩沖層厚度為60nm和90nm時(shí)，薄膜與基底附著效果最好，薄膜硬度超過(guò)20GPa。

關(guān)鍵詞：SiC薄膜;AlN緩沖層;硬度;附著力

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：SiC possesses wide band gap and excellent thermal stability，which can be used in high power，high temperature（up to 600℃）and high frequency（up to 20GHz）conditions.SiC film can be widely used in the field of semiconductor devices，where Si is commonly used as the substrate material.However，due to the difference of lattice constants between the substrate Si and SiC，there are large lattice mismatch and thermal expansion coefficient mismatch between Si and SiC，which affects the films quality and limits its application.Inserting AlN buffer layer between Si substrate and SiC film can effectively solve this problem.In this work，SiC films with various AlN buffer layer thickness were prepared through magnetron sputtering.The influence of the AlN buffer layer thickness on the structure，surface morphology，hardness and adhesion of SiC films was investigated.The results show that，as the buffer layer thickness is 60nm and 90nm，SiC films present optimal adhesion to the substrate，and their hardness exceeds 20GPa.

Key words：SiC film;AlN buffer layer;Hardness;Adhesion

一、引言

早在1824年，碳化硅就被科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室制作金剛石的過(guò)程中意外發(fā)現(xiàn)，但由于其在自然界含量極少，并未引起人們的足夠注意。1885年，美國(guó)科學(xué)家艾奇遜在電熔金剛石實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)出了SiC晶體，這是人類(lèi)歷史上首次制備純碳化硅。由于SiC穩(wěn)定的化學(xué)特性和優(yōu)異的半導(dǎo)體材料性質(zhì)，它在電子信息存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)通信等相關(guān)行業(yè)內(nèi)發(fā)揮了巨大的作用，在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域獲得了極大的發(fā)展空間[1]。SiC是第三代半導(dǎo)體材料的代表，它具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、大禁帶寬度、較低的介電常數(shù)、較高的電子漂移飽和速度[2-3]，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件[4-5]，在人造衛(wèi)星、雷達(dá)通信、火箭等航空航天以及汽車(chē)電子、海洋勘探重要領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[6]。

然而，由于Si襯底和SiC外延層的晶格常數(shù)存在差異，導(dǎo)致SiC和SiC之間存在較大的晶格失配（20%）和熱膨脹系數(shù)失配（8%），使薄膜產(chǎn)生高密度的失配位錯(cuò)與堆垛失配，并伴有反相邊界、堆垛層錯(cuò)、位錯(cuò)、微孿晶等多種結(jié)構(gòu)缺陷[7]，這在一定程度上影響了薄膜的質(zhì)量和光學(xué)特性，嚴(yán)重影響了SiC材料晶體管、IC的電學(xué)特性，也影響了SiC材料在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。此外，較大的晶格失配和熱失配還會(huì)引起薄膜交界面處的內(nèi)應(yīng)力比較大，這樣外延生長(zhǎng)出來(lái)的薄膜的結(jié)晶狀況會(huì)較差，使得Si襯底上SiC生長(zhǎng)難度很大。但如果繼續(xù)生長(zhǎng)，之后沉積的SiC薄膜質(zhì)量又會(huì)逐漸變好，這是因?yàn)橹巴庋映鰜?lái)的SiC會(huì)不斷充當(dāng)Si襯底與SiC膜層的緩沖層，這樣晶格失配就因?yàn)榫彌_層的緩沖作用而減小。

為了得到力學(xué)性能更加優(yōu)良的SiC薄膜，可以預(yù)沉積一層與SiC晶格失配較小的材料，然后再外延生長(zhǎng)SiC薄膜，從而提高SiC外延層的結(jié)晶質(zhì)量[8]，AlN就是不錯(cuò)的選擇：AlN具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，而且它的熱導(dǎo)率較高，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，這些特性與SiC非常相似;AlN晶體與SiC之間的晶格失配很小，而且熱膨脹系數(shù)也極為接近。此外，AlN與SiC的附著力大，沉積出的SiC薄膜與基底結(jié)合更加牢固，選用AlN作為Si襯底上生長(zhǎng)SiC的緩沖層比較合適;此外，由于AlN材料的帶寬很大，達(dá)到了6.2eV，它對(duì)紫外光是透明的，因此作為緩沖層不會(huì)妨礙SiC在短波光電器件方面的應(yīng)用[9]。

二、實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所采用TSU-650多功能磁控離子復(fù)合鍍膜設(shè)備（圖1）在單晶硅襯底上鍍制AlN過(guò)渡層與SiC薄膜。首先，對(duì)腔體抽真空，直至背底真空度達(dá)到 6×10-4 Pa～4×10-4 Pa。隨后，向腔體中通入60sccm氬氣，調(diào)節(jié)限流閥，使得濺射氣壓為0.8 Pa。通過(guò)射頻磁控濺射沉積AlN緩沖層，電源功率維持在1200W，緩沖層厚度分別為0nm、30nm、60nm、90nm、120nm，分別記為樣品A、B、C、D、E。最后，通過(guò)直流磁控濺射在AlN緩沖層上鍍制厚度為1000 nm的SiC薄膜，電源功率為400 W。

采用Rigaku D/MAX 2500PC X射線(xiàn)衍射儀對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性進(jìn)行分析，采用Nova Nano SEM 450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察薄膜的表面形貌，采用劃痕儀測(cè)試膜層與襯底間的結(jié)合強(qiáng)度;采用TTX-NHT2納米壓痕儀，壓痕儀壓頭為Berkovich三棱錐，對(duì)不同薄膜進(jìn)行壓痕測(cè)試，并分析薄膜硬度，測(cè)試過(guò)程中，位移分辨率0.04nm，動(dòng)態(tài)加載范圍0.1—500mN，載荷分辨率為40nN。對(duì)制備的5組不同緩沖層厚度的樣品進(jìn)行壓痕測(cè)量，為了減少Si襯底和AlN緩沖層對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，應(yīng)操控壓頭壓入SiC膜厚度的10%左右，每個(gè)樣品取6～8個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，為進(jìn)一步減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)測(cè)量結(jié)果求平均值。

三、結(jié)果與討論

采用XRD技術(shù)對(duì)制得的SiC膜層進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn)，SiC圖譜并未隨著緩沖層厚度的改變發(fā)生明顯的變化：各條衍射峰的形狀以及不同峰相同衍射角的衍射強(qiáng)度沒(méi)有太大的變化。所有的譜線(xiàn)圖都沒(méi)有出現(xiàn)特征衍射峰，只存在非晶衍射包，這表明無(wú)論緩沖層厚度如何，用磁控濺射方法生成的SiC薄膜均為非晶態(tài)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不存在長(zhǎng)程有序，但在若干原子間距內(nèi)的較小范圍存在結(jié)構(gòu)上的有序排列。

具有不同AlN緩沖層厚度的SiC薄膜樣品的表面形貌對(duì)比于圖3，不同AlN緩沖層厚度沉積的SiC薄膜沒(méi)有明顯的晶粒，均為非晶態(tài)，這與XRD圖譜得到的結(jié)論相吻合，而且薄膜表面平整度和致密程度均比較好，幾乎沒(méi)有缺陷。但由于不同厚度AlN緩沖層的存在，SiC膜層的表面顆粒尺寸有所不同：沒(méi)有緩沖層時(shí)，薄膜顆粒尺寸最大，此后，隨著AlN緩沖層厚度的增大，膜層表面顆粒尺寸明顯縮小，膜層更加致密光滑，在緩沖層厚度達(dá)到90nm時(shí)，顆粒尺寸達(dá)到最小值，繼續(xù)加大緩沖層的厚度，膜層顆粒尺寸又變大。

圖4（a）為具有不同AlN緩沖層厚度的SiC薄膜的硬度變化圖（硬度和附著力均經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，取平均值）?？梢钥闯觯珹lN緩沖層厚度在0～60nm時(shí)，隨著緩沖層厚度的不斷增大，SiC薄膜硬度也隨之增大，這是因?yàn)锳lN緩沖層的存在減少了Si基底與SiC交界處的應(yīng)力，使得薄膜的硬度增大。當(dāng)AlN緩沖層厚度超過(guò)60nm時(shí)，隨著緩沖層厚度的增大，薄膜硬度不斷減小。如圖4（b）所示，薄膜的附著力也呈現(xiàn)相類(lèi)似的變化趨勢(shì)：當(dāng)AlN緩沖層厚度在0～60nm時(shí)，SiC薄膜附著力隨著緩沖層厚度增加不斷增大，當(dāng)AlN緩沖層厚度超過(guò)90nm時(shí)，隨著緩沖層厚度的增大，薄膜附著力不斷減小。不同薄膜的硬度與附著力變化總結(jié)于表2。

四、結(jié)論

SiC材料具有良好的電性能和力學(xué)性能，是一種非常理想的半導(dǎo)體材料，可以用于耐高溫高壓、耐腐蝕的器件制作，未來(lái)市場(chǎng)和應(yīng)用前景廣闊。但由于SiC材料與Si沉底材料的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)存在差異，影響了薄膜附著強(qiáng)度，限制了其應(yīng)用范圍。本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法，在單晶硅上制備了5組具有不同厚度AlN緩沖層的SiC薄膜，通過(guò)XRD、SEM、劃痕儀測(cè)試等技術(shù)，對(duì)薄膜的表面結(jié)構(gòu)、膜層形貌和力學(xué)性能等進(jìn)行了表征。結(jié)果表明無(wú)論是否存在AlN緩沖層，SiC薄膜都是非晶態(tài)，薄膜表明平整度和致密度較好，沒(méi)有明顯缺陷。當(dāng)緩沖層厚度為90nm時(shí)，膜層表面顆粒尺寸達(dá)到最小值，薄膜最致密光滑。當(dāng)緩沖層厚度為60nm時(shí)，薄膜的硬度達(dá)到最大（21.8Gpa），這與沒(méi)有緩沖層的SiC薄膜硬度（19.2Gpa）相比，有了較為明顯的提高。當(dāng)緩沖層厚度達(dá)到60nm和90nm時(shí)，薄膜與基底附著最為緊密，附著力達(dá)到了38.3N，而沒(méi)有緩沖層的情況下，附著力僅為30.0N，附著力有了顯著提高。本研究證明，AlN緩沖層能夠有效地提高SiC薄膜在Si沉底上的附著強(qiáng)度，對(duì)于拓展SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

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