当前位置:首页 >> 调查/报告 >>

半导体薄膜材料分析


半导体薄膜材料分析
李文鸿
化学工程系 黎明技术学院

摘要

使用电子回旋共振电浆化学气相沉积法(electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以 CH4/SiH4/Ar 混合气体於低温下成长碳化矽薄膜为例,藉由 穿透式电子显微镜(TEM),X 光绕射仪(XRD),扫描式电子显微镜(SEM),原子力显微镜 (AFM),傅立叶转换红外线光谱仪(FTIR),X 射线光电子能谱仪(XPS; ESCA),欧杰电子 能谱仪(AES),拉塞福背向散射仪(RBS),低能量电子绕射(LEED) ,反射式高能量电子 绕射(RHEED),拉曼光谱仪(Raman)来研究碳化矽薄膜的微结构,表面型态及化学组成 与沉积参数之间的关系,藉由二次离子质谱仪(SIMS)来研究沉积膜的杂质浓度分布,利 用光子激发光(PL)来量测发光波长范围. 关键字:材料分析,电子回旋共振电浆化学气相沉积法,碳化矽薄膜

一,前言
1

光电半导体产业的发展非常迅速,其中

积体电路制程技术的发展朝向尺寸微小化, 目前已迈入 0.13μ m 以下制程及迈向奈米的 范畴,并朝多层薄膜的趋势.然而新材料和 制程的开发及其分析更是必须掌握的.本文 将 以 跨 世 纪 的 接 班 材 料 - 碳 化 矽 (silicon carbide)为例,介绍材料之薄膜成长及其分 析. 碳化矽为具有许多优异特性的电子材 料,如宽能隙,高电子迁移率,高饱和飘移 速度,高崩溃电压,高操作温度,高热传导 度,化学惰性,高融点及高硬度【1】,并具 耐热震(thermal shock resistance),抗高温氧 化,比矽低的介电常数等优点.由 Johnson 之优值指标(评估元件在高功率及高频下运作 的指标)碳化矽(β-SiC)为矽之 1137.8 倍,及 Keyes 之优值指标(评估元件在高速下运作的

指标) 碳化矽(β-SiC)为矽之 5.8 倍【2】,故 碳化矽元件能在高功率,高频及高速下操作 的特性,在光电元件的制造上,具极大之应 用 价 值 , 且 可 用 於 微 机 电 系 统 (microelectromechanical system;MEMS)元件 之薄膜【3】,封装材料及滤材之分离膜等 【4】 .在商业应用发展方面,Cree Research, 日本三洋公司及信越半导体等的碳化矽蓝光 LED 已商品化,Motorola 将碳化矽应用於 RF 及微波的高频高功率元件,General Electric 应用於高功率及高温元件之感测器, Westinghouse 应用於高频 MESFET 元件等. 可见碳化矽具多用途且具发展潜力,因此被 谕为跨世纪的接班材料. 由於材料之制程会影响材料结构及性质 进而影响其应用,因此本文将介绍碳化矽材

2

料之结构及性质并简述使用电子回旋共振电 浆 化 学 气 相 沉 积 法 (electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以 CH4/SiH4/Ar 混合气体於低温下

系 , 菱 面 (rhombohedral) 晶 系 及 其 衍 生 态 (2nH,3nR)结构的总称,已鉴定出之α衍生态 达 200 种以上,其中较常观察到的结构为 2H,4H,6H,及 15R 等.这些多形态结构主

长出高品质的碳化矽薄膜,及藉由穿透式电 要形成是因 SiC 沿著 C 轴方向的叠差能 子显微镜,傅立叶转换红外线光谱仪,X 射 (stacking fault energy) 很 低 (1.9 ergs/cm2) 线光电子能谱仪,拉塞福背向散射仪原子力 【5】 ,因而在 C 轴方向容易形成多种不同的 显微镜来研究 SiC 薄膜的微结构及化学组成 堆叠次序所致.而β-SiC (3C-SiC)由 Si 和 C 与沉积参数之间的关系,藉由二次离子质谱 交替以 SP3 混成轨域共价键结而成 属於闪锌 , 仪来研究沉积膜的杂质浓度分布,利用光子 矿(sphalerite) 结构.其中 3C-SiC 及 6H-SiC 激发光(PL)来量测发光波长范围 文中并简述 . 结构如图一所示.关於因不同薄膜制程所得 分析仪器用途和方法. 之为何种结构,可藉由穿透式电子显微镜

二,碳化矽薄膜的结构与 二,碳化矽薄膜的结构与制程 碳化矽薄膜的结构
(一) 碳化矽的结构

(TEM),X 光绕射仪(XRD)来鉴定.

碳化矽薄膜於矽基板上之成长方式 (二) 碳化矽薄膜於矽基板上之成长方式 主要以化学气相沈积法(chemical vapor deposition;CVD)为主,亦有采用物理气相沈
3

碳化矽具多形态结构,一般分为α-SiC 及β-SiC 两大类.α-SiC 为六方(hexagonal)晶

积法(physical vapor deposition;PVD),如直 接以碳化矽为靶材利用 Ar 来溅镀【6】或 利 用矽为靶材以 CH4 及 Ar 的反应性溅镀【7】 等来成长薄膜,但由於 PVD 所成长之碳化矽 薄层其均匀及阶梯覆盖率(step coverage)比 CVD 差 因此已为 CVD 所取代 如 Chiu et al. , . 【8】采用低压化学气相沈积法(LPCVD), Nakamatsu et al. 【9】采用雷射化学气相沈积 法(laser chemical vapor deposition, LCVD), Veintemillas-Verdaguer et al. 【10】采用有机 金属化学气相沈积法(MOCVD) 等方法 Wuu . et al.【11】以 CH4/SiH4/H2 为反应气体,采 用电浆辅助化学气相沈积法(PECVD)可以在 1300℃长出多晶型之碳化矽薄膜.从元件制 作的观点而言,低温晶体成长技术愈形重 要.因此需藉由高密度电浆(HDP)来成长高品

质薄膜. 在高密度电浆方面,Shimkunas et al. 【12】 C2H4 及 Ar 混合气体与 Si(100)基板 以 反应采用电子回旋共振电浆化学气相沉积法 (ECRCVD)在约 930 ℃的温度长出 a-SiC + poly-SiC 的膜;Yamada et al. 【13】在约 770 ℃下以 C2H4/SiH4/H2 混合气体长出多晶β -SiC. (三) 电子回旋共振化学气相沉积法原理 三 电子回旋共振化学气相沉积法 电子回旋共振化学气相沉积产生高密度 电浆的原理是由於电子在磁场中产生回旋运 动,回旋频率 ω ce 为【14】

ω

ce

=

eB

m

(1)

e

其中 B 为磁场强度,而 e 及

me 分别为

电子电荷及质量.当外加磁场 B= 875 高斯 时,电子回旋频率 ω ce= 2.45 GHz,若此时外

4

加频率为 ω = 2.45GHz 之微波 则电子获得此 , 微波的能量而形成共振,使微波能量与磁场 的能量相耦合,会在放电区中形成一层电子 回旋共振薄层.电子在通过此薄层时能被同 步加速而获取较大能量,此时电子动能极大 再藉著碰撞气体传递能量,因此激化并离子 化气体,所以可产生高密度电浆.ECR 比传 统 RF 电浆具有较高电浆密度与解离度 且可 , 在较低压力及温度下操作,并具较低的离子 能量对基板的损伤等优点.因此对於薄膜沉 积颇具吸引力.

影响实验结果重要实验参数为气体的总压, CH4/SiH4 流量比,微波能量大小及携载气体 种类.而基板温度及有无成长缓冲层对碳化 矽薄膜成长结果影响较小.下面将举例讨论 程序参数对於沉积膜化学组成,微结构及表 面型态的影响及其薄膜分析.并简述各分析 仪器的用途及分析方法. ( 一 ) 穿 透 式 电 子 显 微 镜 (transmission electron microscopy, TEM): 用於沉积膜的微结构分析及厚度量测. 依电子显微镜对沉积膜观测方式的不同,可 分为横截面 (cross-section)及平面(plan-view) 两种. (1).试片制作 a. cross sectional TEM (X-TEM)试片制作 1. 将 玻 璃 片放 置在 加 热盘 上 涂 上热 熔
5

,以电子回旋共振化学气相沉积法 三 以电子回旋共振化学气相沉积法沉 , 积之薄膜材料分析
因不同薄膜制程所得之薄膜组成及表面 型态通常有很大的区别.以电子回旋共振电 浆辅助化学气相沉积仪来成长碳化矽薄膜,

胶,将晶片放在上面且 Film 面朝下(注 意晶片的相对位置),并轻轻压平. 2. 将玻璃片以双面胶黏於食指,置於砂 纸上研磨,先以小号数的粗砂纸研磨 再慢慢换成大号数的细砂纸至 2000 号,越薄越好. 3. 置 於 加 热盘 上在 热 熔胶 熔 融 成液 状 后,取出晶片后按编号放置於丙酮中 静置 30 分钟以去除热熔胶.

7. 将黏有叠片的玻璃片置於砂纸上研磨 至表面光滑(先以小号数的砂纸研磨再 慢慢换成大号数砂纸至 4000 号,再将 玻璃片微微加热使热熔胶熔掉并翻面 黏上,且在四周黏上不要的小垫片(利 用 小 垫 片磨 耗程 度 判断 试 片 是否 水 平),重复研磨步骤至透红光为止. 8. 上铜环.以 Ion Miller 形成薄区后上机 做 X-TEM. b. plan view 试片制作 1. 将玻璃片放置在加热盘上涂上热熔胶,将 晶片放在上面且 Film 面朝下,且在四周 黏上不要的小垫片(利用小垫片磨耗程度 判断试片是否水平);并轻轻压平. 2. 将玻璃片以双面胶黏於食指 ,置於砂纸上 研磨,先以小号数 180 号的粗砂纸研磨再

4. 依序地将试片叠片於夹子上(注意试片
相叠的位置,且每片都须压紧) 5. 完成后连同夹子用止泄带绑紧,外围 以海绵皮筋絪绑,置於加热盘上加热 2 小时以上. 6. 取下试片放置於涂上热熔胶的小块玻 片上,以海绵轻轻压平.

6

慢慢换成大号数至 4000 号的细砂纸研磨 至整个试片透红光为止,上铜环.亦可利 用蚀刻法即将铜环及周边非分析区域以 黑胶覆盖及将试片置於已配置好之适当 蚀刻液蚀刻出小洞 3. 以Ion Miller造成薄区后上机做TEM. (2).横截面 横截面(cross-sectional) TEM 薄膜分析 横截面 藉由 TEM 可分析沉积膜的结晶结构,其 方法如下於试样中薄区所得之选区绕射,沿 著菊池线(Kikuchi line)之缩收束及图二【15】 之方向可找到 Zone axis= <110>的选区绕射 图.由图三 知碳化矽材料从<110> zone 观测 较强的绕射晶面为{111},{220}及{311};即 较强的绕射方向为〈111〉,〈220〉及〈311〉 方向.图四 为不同总压所得沉积膜於 Zone axis= <110> 之 XTEM 暗视野成像(dark field
7

image, DFI),明视野成像(bright field image, BFI)及圈选沉积膜与矽基板界面所得绕射图 形(diffraction pattern, DP)的照片.由图四(a) 总压为 40 mTorr 绕射图形中矽基板 Si〈111〉 方 向 的 绕 射 点 为 参 考 点 , 可 以 发 现 在 Si 〈111〉,Si〈220〉及 Si〈311〉方向之环上 有许多绕射点此为沉积膜中多晶矽的结晶所 引起的绕射点而其环外有很微弱的同心圆状 的绕射环,由电子绕射理论可知【16】,倒 置晶格中原点至倒置点之距离∣ R*hkl∣ 为实 空间晶面间距离的倒数,而矽的晶格参数大 於碳化矽晶格参数,所以倒置晶格中碳化矽 之绕射环在矽之绕射环的外围,故可推断此 微弱绕且晕开射环应为非晶碳化矽的贡献. (下几节将利用 FTIR,XPS 及 RBS 在此相同 条件下制得的薄膜确认材料的组成及结构).

故此条件下的沉积膜为含非晶碳化矽及多晶 矽(a-SiC+Poly-Si)的薄膜.於 Si 之〈111〉绕 射环上取一绕射点,可以转得该沉积膜的暗 视野成像的照片,如图四(a)之左侧的照片, 影像中的亮点为非晶碳化矽沉积膜中 Si 的结

电子绕射理论可知,

R

( hkl )

d

( hkl )

= λL

(2)

对於图四(b)中的绕射图形,由(2)式可列出下 面的关系式,即

R
晶,呈柱状结构.而由穿透点可得该沉积膜 的明视野成像的照片,如图四(a)之中间的照 片,影像中的较暗区为沉积膜中 Si 的结晶. 当总压降至 30 mTorr 时薄膜结构如四(b)总压 Pt=30 mTorr 之结果.以绕射图形中矽基板 Si 〈111〉,Si〈220〉及 Si〈311〉方向的绕射 点为参考点,可以发现在参考点外有环状的 绕射环,测量这三个微弱绕射环的半径,可 以计算三者之比值 R〈111〉:R〈220〉:R 〈311〉 3 : 8 : 11 ,此结果与闪锌矿 (zinc blended)结构的电子绕射结果相符,又由

SiC (111)

d

SiC (111)

=R

Si (111)

d

Si (111)

(3)

而在立方晶格中,晶格常数与晶面距离之间 有如下关系

d

( hkl )

=

a

h +k +l

2

2

2

(4)

将方程式(4) 代入方程式(3) 中可得(5)式

a

SiC

=

R R

Si ( hkl )

a Si

SiC ( hkl )

(5)

由绕射图形(DP)照片可量得绕射中心点至 Si 〈111〉之绕射点的半径 R
Si (111)

及至 SiC〈111〉

之绕射环的半径,而由文献【17】可查得矽 之晶格常数 aSi 为 0.5436 nm,可由式(4)计算 出 aSiC 约为 0.435 nm 此值与β-SiC 文献 , 【18】 值 0.4358 nm 非常接近.故可判定微弱的绕射
8

环为碳化矽的贡献.若於 SiC 之〈111〉绕射 环上取一绕射点,可以转得该沉积膜的暗视 野成像的照片,如图四(b)之左侧的照片,影 像中的亮点为微晶碳化矽沉积膜中 SiC 的结 晶.而由穿透点可得该沉积膜的明视野成像 的照片,如图四(b)之中间的照片,影像中的 较暗区为沉积膜中 SiC 的微结晶.故沉积膜 为微晶碳化矽 (c-SiC)的薄膜. 若总压再降至10~20 mTorr时薄膜结构可 得如图四(c)总压Pt=20 mTorr之结果,以绕射 图形中矽基板Si〈111〉方向的绕射点为参考 点 可以发现在参考点外有三个较4-3b明显的 , 绕射环,依上述方法可以计算此沉积膜为闪 锌 矿 (zinc blended) 结 构 , 且其 晶 格常 数 为 0.436 nm,此值与β-SiC文献值非常接近.相 同方法可於 SiC 之〈111 〉绕射环上取一绕射

点,转得该沉积膜的暗视野成像的照片,如 图四(c)之左侧的照片,影像中的亮区较明显 且较大为多晶碳化矽沉积膜中SiC的结晶,故 可判定沉积膜为多晶碳化矽 (poly-SiC) 的薄 膜. (3).平面(plan-view) TEM 沉积膜的表面型态及晶粒大小则可运 用平面TEM (P-TEM)加以测量,如图五以Ar 为携载气体,在总压20 mTorr,CH4/SiH4流 量比为 2,微波能量1200 W的沉积条件下, 由图上的暗野成像照片,可以清楚地观察到β -SiC 晶粒分布的情形,并量得晶粒大小约为 0.2 m,在1500 W时晶粒形状接近但晶粒较 大. (4).高解析(HRTEM)

9

沉积膜与基材界面及膜内是否有缺陷如 刃 差 排 (edge dislocation) , 螺 旋 差 排 (screw ( dislocation),双晶(twin),叠差 stacking fault) 相界(phase boundary)--等以及晶格大小量 测,则可运用 HRTEM 加以分析,图六以 Ar 为 携 载 气 体 , 在 总 压 20mTorr , 微 波 能 量 1200W,CH4/SiH4流量比为2,的沉积条件下 由图上可看出薄膜界面平整. ( 二 ) 原 子 力 显 微 镜 (atomic forace microscopy, AFM): 用於观测沉积膜的晶粒大小,粗糙度, 表面型态及初始成核阶段之研究,尤其对於 奈米材料的研究十分广用. AFM和扫瞄式穿隧显微镜 (STM) ,磁力 显 微 镜 (MFM)-- 等 属 於 扫 瞄 式 探 针 显 微 镜 (SPM).AFM操作模式可分为接触式(contact

mode),非接触式(non-contact mode) 以及间 歇接触式(tapping mode).对於坚硬之陶瓷材 料等可采用非接触式或间歇接触式以免刮伤 尖针,对於易吸水之膜等并注意校准以免产 生假像. 由AFM观测1200 W所沉积之膜的表面型 态结果可知其晶粒大小也约为0.2 m 如图七 , 所示,和图五之平面TEM结果相符. ( 三 ) X 射 线 光 电 子 能 谱 仪 (X-ray photoelectron spectrometer, XPS; ESCA): X 光光电子能谱仪是藉著量测 X 光光电 子能谱来分析材料表面各种元素的化学状 态.X光光电子能谱仪又称为电子能谱化学分 析 仪 (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA).用於沉积膜的成份分析.

10

当X光由材料表面入射进入材料内部时, X光会将原子内的核心电子 (core electron)或 键结电子(valence electron)激发至高能态,靠 近材料表面的高能态电子,有机会逃逸出材 料表面进入真空,这些逃逸出材料表面的电 子称为X光光电子. 如图八是使用 X 射线源使用镁靶 (Mg K α X-rays 1253.6eV) . 能 量 分 析 器 为 型 号 CLAM-2 的 半 球 形 电 子 能 量 分 析 器 (hemispherical electron energy analyzer)以收集 光电子讯号在总压在20 mTorr Ar CH4 SiH4 , , , 气体流量分别为100,5,2.5 sccm,微波能量 1200 W,所成长之沉积膜的XPS全范围扫瞄 (wide sacn)图谱.由图可知,仅有Si,C及O 存在於沉积膜表面而无其它杂质讯号,其中C 1s波峰强度与Si 2s及Si 2p的波峰强度相当,

但O 1s的波峰强度则很低 表示沉积膜因曝露 , 在空气中有些微氧化.由图九(与图八相同试 样)之Si 2p与C 1s的高解析XPS图谱,可以估 算沉积膜中SiCX的组成X 其方法乃是将Si 2p , 波峰依 Si 波峰位置 (99 eV 处 ) 与 SiC 波峰位置 (100.2eV)【19】以Gaussian-Lorentzian波峰形 式而分峰;C1s波峰则依SiC波峰位置(282.3 283.1eV)与CH波峰位置(285eV)分峰.分峰后 相关於SiC波峰之C 1s与Si 2p波峰面积值,分 别 除 以 的 校 正 因 子 (SFSi 2p=0.27 与 SFC 1s=0.25) 【20】可得沉积膜SiC化学组成,发 现此条件下生成的 SiC 沉积膜符合化学计量 系数比.另外可利用电浆子(plasmon)峰辅助 判断薄膜组成. ( 四 ) 傅 立 叶 转 换 红 外 线 光 谱 仪 (Fourier transform FTIR):
11

infrared

spectrometer,

用於沉积膜的化学键结分析.图十为不 同总压所得沉积膜的FTIR图谱,其中SiC的伸 展 振 动 (stretching mode) 吸 收 波 峰 约 在 800 cm-1处【21】,Si与SiO2的吸收波峰则分别位 於 610cm-1 及 1100cm-1 处 . 在 总 压 为 10~40 mTorr的图谱除了含有矽基板的Si与SiO2之吸 收波峰外皆可观察到800cm-1的吸收峰显示出 SiC键结的形成.但当总压高於30 mTorr时, FTIR 图 谱 中 800cm-1 的 吸 收 峰 之 半 波 宽 (full-width at half-maximum, FWHM)明显变 宽,表示薄膜结晶性变差. 绕射仪 (五) X光绕射仪(XRD): 由Bragg's绕射原理【22-24】 2dsinΘ=λ : 及结构因子 (structure factor) 或 JCPDS (Joint Committee of Powder Diffraction Standard)卡 等资讯了解沉积膜的结构,并可藉由波峰半

高宽等资讯带入谢乐公式 (Scherrer Formula) 求得晶粒大小,对磊晶薄膜中的结晶缺陷如 差排者其附近晶面略有扭曲,因稍偏离绕射 条件而影响绕射峰之强度与宽度,可用 Double Crystal Rocking Curve (DCRC)法加以 侦测,通常缺陷数量愈多会使得特定结晶面 之DCRC绕射峰半高宽明显增大.以及藉由绕 射缴度位移了解薄膜受应力之变化.图十一 为典型的多晶β-SiC XRD图. ( 六 ) 拉 塞 福 背 向 散 射 仪 (Rutherford backscattering spectrometer, RBS): 用於沉积膜的薄膜厚度量测,组成成份 分析,材料中杂质或布植之掺杂质的浓度和 纵深分布及各层材料或离子布植之掺质因退 火处理而发生的扩散现象等.拉塞福背向散 射分析仪具有非破坏性,分析速度快以及定
12

量时不需标准品等特点.RBS 系利用入射方 向为 160.左右的氦离子源撞击试片,其 α 粒 子与试片中之原子发生弹性碰撞而反弹离开 试片表面,因每一物种之运动因子(kinematic factor),散射截面(Scattering cross section)及能 量损失率(stopping power)不同,【24,25】再 由侦测器收集分析讯号.图十二为一典型之 拉塞福背向散射芬析能谱示意图.

杰纵深分析求出每个元素在不同材料深度的 浓度 X.实验的原始数据为:欧杰讯号强度 对溅镀时间(sputtering time)图,纵深分析 在资料处理方面常要将此原始数据改为:原 子浓度对深度(depth)图.图十三为一典型 之 SiC 之 AES 示意图.而图十四为 SiC 膜之 AES depth profile 示意图可知膜之组成均匀. (八) 二次离子质谱仪(SIMS): SIMS 具有高灵敏度的掺,杂质侦测能 力,侦测极限可达百万分之一(ppm)原子密 度,对於部份元素的侦测极限甚至可达十亿 分之一(ppb)原子密度的分析能力.SIMS 以能 量 0.5-20kV 的离子束如 O2+,Cs+,Ar+,Ga+ 等撞击试片表面,产生离子化的二次粒子, 再用质量分析仪加以侦测.利用二次离子质 谱仪技术可以得到三种型式的资料:质谱图

(七) 欧杰电子能谱(AES): 欧杰(Auger)电子的产生是先用电子将材 料的电子激发进入真空,此时原来的电子位 置会留下电洞,比此电洞的能量位置更高的 电子会跳到电洞位置,此时有两种方式释放 出所多出来的能量差激发另一个电子,逃逸 到真空,此电子称为欧杰电子. 可利用 Ar 溅镀枪(sputtering gun)作欧
13

(mass spectra),纵深分布图 (depth profiles) 及离子影像(ion images).质量分析器有扇型 磁场式(magnetic sector) 四极柱式(quadrupole) , 及飞行时间式 (Time-of-Flight, TOF)三种,其 中 Quadrupole SIMS 的优点是设备最简单 侦 , 测速率快,适合纵深分析;但侦测的质量低, 质量的侦测解析度低,是其缺点.而 magnetic sector SIMS 的优点是具有很高的质量侦测解 析度,能分别元素以及其同位素在质量的差 别,但因需较大的 extraction voltage 以便提升 侦测讯号强度,因此不适合分析粗糙不平的 表面.Time of Flight SIMS 的优点是侦测讯号 强,可侦测非常高的质量解析度佳,但其缺 点是侦测速率较慢,不适合纵深分析.图十 五为为总压 20 mTorr,微波能量 1200 W 下,

的杂质浓度分布曲线.在碳化矽膜中矽与碳 的浓度相当且均匀,而氧,氢等其它杂质浓 度均比沉积膜中主要成份碳与矽的浓度小两 个阶数以上. (九) 光子激发光(photoluminescence, PL): PL利用 He-Cd 为雷射源,Hg灯校正,可 用於沉积膜的发光分析.此膜利用PL光谱在 低温(10 K)观测发光情形,於肉眼即可观察到 蓝绿光,其光谱如图十六所示 .有文献报告 【 26 】 指 出 矽 基 板 会 造 成 发 光 红 移 (red-shifted)且发光强度与膜厚成正比.因此 图中 525~625 nm 之间的波峰应为基板所造 成,而450 nm左右有一小峰即为SiC膜所放射 蓝光的结果. (十) 低能量电子绕射( 十 低能量电子绕射(LEED) 反射式高能 ,反射式高能 ) ,

SIMS 所测得在矽基板上沉积多晶碳化矽膜 量电子绕射(RHEED): : 量电子绕射
14

若将 Si(100)试片经适当清洁处理,在真 空中加热至 900℃几分钟可得非常乾净的 Si(100)2x1 表面【27】,当把表面放在低能量 电子绕射仪格子网的聚焦点时,从电子枪射 来的低能量约 50eV 至 500eV 电子束垂直入射 Si(100)表面,此时利用 depressor 技术,将非 弹性碰撞电子以及二次电子滤掉,只让弹性 碰撞的电子通过格子网,此时在萤幕会看到 明亮的 LEED pattern. RHEED 的工作方式 是将 5-50KeV 的电 , 子沿著几乎平行表面的角度入射,此时电子 因入射角约只有 3-5 度 电子的穿透深度非常 ,

射图.虽然绕射图样和低能量电子绕射不一 样,但此两种技术都可由绕射原理也就是 k' k = Ghkl 来解释其绕射图.图十七为典型的多 晶β-SiC RHEED 及 LEED 图. (十一) 拉曼光谱仪(Raman) 十 拉曼光谱仪( ) : 於沉积膜的键结分析.图十八为总压 20 mTorr,微波能量 1200 W 下所得沉积膜的 Raman 图谱,其中在 794 cm-1 处为 3C-SiC 之 transverse optical(TO) mode,967 cm-1 处为 3C-SiC 之 longitudinal optical (LO) mode【21】 由图可知所成长膜为 3C-SiC. (十二) 扫描式电子显微镜(scanning electron

浅,约 2-3 层原子深度,因此反射的电子虽具 microscopy, SEM): 有高能量,但因穿透深度非常浅,反射电子 半导体薄膜分析中,使用率最高的分析 的讯号只携带表面的绕射讯号,若试片表面 技术应该算是 SEM 在 SEM 的表面微结构分 , 是单晶,反射电子会在萤幕上形成条状的绕 析中,需利用低加速电压来观察,当加速电
15

压增高时,电子束的穿透力及扩散力增大, 试片中易产生一些多余的讯号如背向散射电 子的数量增加,而降低影像的对比,并掩盖

Spectrometer, EDS) 或 波 长 散 布 分 析 仪 (Wavelength Dispersive Spectrometer, WDS) 两种,两者的侦测原理,量测极限皆有不同 各有其优缺点.

表面的微结构,需用低加速电压才能取得较 佳的影像.如图十九为 20 mTorr,微波能量 1200 W 的沉积条件下所得 SEM 图,由图上

四,电浆成长薄膜材料之分析 电浆成长薄膜材料之分析
对於薄膜成长期间之分析可藉由光学发 射 光 谱 仪 (optical emission spectrometer,

可清楚地观察到β-SiC 晶粒分布的情形,并量 OES) , 表 面 残 余 气 体 分 析 仪 (residual gas 得晶粒大小约为 0.2 m. analyzer, RGA).OES 用於沉积反应时电浆中 我们可利用附加於 SEM 之 EDX 分析薄 临场(in-situ)的发光物种分析.而电浆中的气 膜表面之粒子缺陷,利用图面分布(Mapping) 体 临 场 (in-situ) 的 活 性 基 及 中 间 物 可 藉 由 方式分析可观察选定之成份元素在二维空间 RGA 协助分析,利於电浆成膜或蚀刻之电浆 上之相对含量.针对电子束所激发的特性 X 诊断.电浆电浆诊断的方法尚有【28】光学 光分析,一般亦称为电子束微分析法 吸 收 光 谱 (optical absorption spectroscopy, (Electron Probe for Microanalysis, EPMA),根 OAS) , 雷 射 激 起 萤 光 光 谱 (laser-induced 据侦测 X 光的分析方法不同,主要可分为能 fluorescence, 量 散 布 分 析 仪 (Energy Dispersive anti-Stokes Raman spectroscopy)和 FTIR 之光
16

LIFS)

,

CARS(coherent

谱法,以及 Langmuir probe,双探针,放射探 针 (emission probe) 之 探 针 分 析 法 和 GC , ESR(electron-spin resonance)等其它分析法. 其中 OES 具有非破坏性,可测光放射之中性 及离子等物种且不干扰电浆状态和有效快速 等优点,因此广用於电浆中的化学组态分析. 另外尚有许多分析仪器如展阻量测分析 仪(SRP)将试片倾斜研磨经由探针在试片所 量得的观察载子在不同深度的分布情形,即 可量测载子浓度及接面深度,聚焦式离子束 显微镜 (Focused Ion beam, FIB)可做元件修 补及微区分析,全反射式 X-光萤光分析仪 (Total Reflection X-ray Fluorescence, TXRF)用 於晶圆(wafer)等表面污染之量测,霍尔量测 (Hall measurement)用於 n 或 P 型半导体之判 别及掺值浓度和移动率(mobility)量测,四点

探针(four point probe)之片阻值量测,椭圆仪 (Ellipsometry)可知薄膜的厚度和折射率,α -step 可知薄膜的厚度,热差分析仪(DTA), 热 重 分 析 仪 (TGA) , 示 差 扫 描 热 量 分 析 仪 (DSC),热机械分析仪(TMA)---等热分析仪器 及核磁共振光谱仪(NMR)---等可了解先驱物 热分解反应辅以了解成膜机制 及 I-V C-V--, , 等皆可用来协助故障分析 (failure analysis) 和品保分析,制程监控 (process monitoring), 技术开发 (technology development),和进行 产品功能异常侦错 (debug)等用途.使薄膜成 长之条件因充分分析而能确实掌握其品质.

五,结论
以电子回旋共振化学气相沈积法成长碳 化矽薄膜可藉由材料分析了解不同制程参数 对薄膜结构及组成的影响如下:
17

1,在 20 mTorr, CH4/SiH4 流量比为 2,微 波能量 1200W,能沈积多晶β-SiC 膜,在 此条件晶粒大小约 0.2 m. 2,在微波能量 1200W, 10~20 mTorr 沉积膜 为多晶碳化矽(poly-SiC),30 mTorr 沉积膜 为微晶碳化矽(c-SiC),相对高压(40 mTorr) 沉积膜为非晶碳化矽中含多晶矽 (a-SiC+poly-Si). 3,在总压 20 mTorr,微波能量 1200 W 的沉 积条件下所得之沉积膜於低温下用 PL 观 测,肉眼即可观察到蓝绿光. 参考文献 1. H. J. Kim and R. F. Davis, J. Appl. Phys., 60, 2897 (1986). 2. M. Bhatnagar and B. J. Baliga, IEEE Trans. Electron Devices, 40, 645 (1993). 3. D. K. Basa, and F. W. Smith, Thin Solid Films, 192, 121 (1990). 4. A. Chayahara, A. Masuda, T. Imura, and Y. Osaka, Jpn. J. Appl. Phys., 25, L564
18

(1986). 5. R. Stevens, J. Mater. Sci., 7, 517 (1972). 6. I. Berman, R. C. Marshall, and C. E. Ryan, Silicon Carbide-1973, ed. R. C. Marshall, J. W. Faust, Jr. and C. E. Ryan, University of South (1974). 7. Y. M. Lei, Y. H. Yu, C. X. Ren, S. C. Zou, D. H. Chen, S. P. Wong, and I. H. Wilson, Thin Solid Films, 365, 197 (2000). 8. H. T. Chiu and J. S. Hsu, Thin Solid Films, 252, 13 (1994). 9. H. Nakamatsu, K. Hirata, and S. Kawai, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 101, 397 (1988). 10. S. Veintemillas-Verdaguer, A. Figueras, and R. Rodriguez-Clemente., J. Crystal Growth, 128, 349 (1993). 11. D. S. Wuu, R. H. Horng, C. C. Chan, and Y. S. Lee, Appl. Surf. Sci., 144-145, 708 (1999). 12. A. R. Shimkunas, P. E. Mauger, L. P. Burget, R. S. Post, L. Smith, R. F. Davis, G. M. Wells, F. Cerrina, and R. B. Mclntosh, J. Vac. Sci. Technol., B9, 3258 (1991). 13. H. Yamad, J. Appl. Phys., 65, 2084 (1989). 14. J. Asmussen, J. Vac. Sci. Technol., A7, 883 (1989). 15. Y. M. Lu and M. H. Hon, J. Mater. Sci., 26, 6091 (1991). 16. 陈力俊,张立,林文台,杨哲人,郑晃 忠等著, 材料电子显微镜学 ,国科会精 Carolina Press, Columbia, 42

密仪器中心 (1990). 17. S. Nishino, Y. Hazuuki, H. Matsunami, and T. Tanaka, J. Electrochem. Soc., 127, 2674 (1980). 18. G. L. Harris, Properties of Silicon Carbide, ed. by G. L. Harris, EMIS Datareview Ser. 13, INSPEC, 3 (1995). 19. I. Kusunoki and Y. Igari, Appl. Surf. Sci., 59, 95 (1992). 20. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy , John Wiley & Sons, New York, 512 (1983). 21. J. A. Borders, S. T. Picrauxi, and W. Beezhld, Appl. Phys. Lett., 18, 509 (1971). 22. 吴泰伯等编, X 光绕射原理与材料结构分

料科学学会 (2000) 28 H. Toyoda, H. Kojima, and H. Sugai, Appl. Phys. Lett., 54, 1507 (1989).

图一 碳化矽之(a)3C-SiC (b)6H-SiC 结构 【25】

析, 国科会精仪中心 (1992)
23. B. D. Cullity, Elements of X-Ray Diffraction, Addison-Wesley, Massachusetts (1978). 24. 汪建民主编, 材料分析, 中国材料科学学 会 (1988) 25. 黄文雄等编, 仪器总览, 国科会精仪中心 (1998) 26. J. A. Freitas, Jr., J. Crystal Growth, 106, 38 (1990). 27 汪建民主编, 微电子材料与制程, 中国材
19

图二 β-SiC 低指标轴之三角标准图谱【58】

沉积膜之 XTEM 之暗视野成像 明视野 , 成像及绕射图形照片

图三 <110> zone 观察碳化矽绕射点 图五 总压 20mTorr,微波能量 1200W,β-SiC 的 P-TEM 照片.

图四 在总压为(a)40, (b)30, (c)20 mTorr 所得

20

图六 总压 20mTorr,微波能量 1200W,β-SiC 的 HR-TEM 照片.

图八 总压 20 mTorr 微波能量 1200 W 之 SiC , 薄膜的全范围扫瞄 XPS 图谱.

Si 2p

C1s

Photoemission Intensity (arb. units)
96

98

100

102

104

106

280

282

284

286

288

图七 总压 20 mTorr,微波能量 1200 W 之 β-SiC 的 AFM 图.

B ingingE nergy(eV )

B ingingEnergy(eV )

图九 20mTorr 之 Si 2p 与 C 1s 的高解析 XPS 图谱.

7000

6000

C-1s Si-2s Si-2p O KVV O-1s

5000

Counts

4000

3000

2000

1000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Binding Energy (eV)

21

carrier gas : Ar

Transmittance (arb. units)
1400

10 mtorr

20 mtorr

30 mtorr 40 mtorr Bare Si

1200

1000

800
-1

600

400

Wavenumbers (cm )

图十二 20mTorr,微波能量 1200 W 时成长之 RBS 图谱

图十 不同总压下所得沈积膜的 FTIR 图谱 .

图十一 典型的多晶β-SiC XRD 图

图十三 典型的 SiC AES 图

22

0.0050

S i C P L ( 1 0 K )

0.0045

( m V ) I n t e n s i t y

0.0040

0.0035

0.0030

0.0025

0.0020

0.0015

0.0010

图十四 SiC 膜之 AES depth profile

0.0005 400 450

W a v e l e n g t h ( n m )

500

550

600

650

700

10

10

图十六 20mTorr,微波能量 1200W 所得多晶
C Si

10

9

10

8

SiC 沈积膜的 PL 光谱.

Secondary Ion Counts

10

7

10

6

O H

10

5

10

4

10

3

10

2

10

1

-0 .2

0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

D e p th ( m )

图十五 20 mTorr,微波能量 1200W,SiC 沈积膜的杂质 SIMS 浓度分布曲线.

23

图十七 典型的β-SiC (a)RHLLE (b)LEED 图

图十八 典型的多晶β-SiC Raman 图

图十九 β-SiC 膜之 SEM 图

24

赞助商链接
相关文章:
薄膜分析 薄膜检测 材料分析
薄膜分析 薄膜检测 材料分析_能源/化工_工程科技_专业资料。薄膜分析 薄膜检测 ...半导体硅片电阻率及硅薄膜薄层电阻测试方法 非接触涡流法 塑料薄膜和薄片 厚度...
半导体薄膜技术与物理复习
半导体薄膜技术与物理复习_材料科学_工程科技_专业资料。第一章 真空技术 1、...CVD 的动力学分析:CVD 过程包含两个主要步骤:气体由空间到沉底表面的质量输送;...
半导体薄膜技术与物理复习
半导体薄膜技术与物理复习_物理_自然科学_专业资料半导体薄膜复习资料 ...CVD 的动力学分析:CVD 过程包含两个主要步骤:气体由空间到沉底 表面的质量输送...
薄膜材料的分析表征方法研究进展_图文
聚合物分析表征 薄膜材料的制备与分析表征方法研究进展摘要: 材料的表面与基体内部...电流为指数性 第页, 共页 的依赖关系成像的,所以要求样品必须是导体或半导体。...
2017年半导体材料产业研究分析
2017年半导体材料产业研究分析 - 2017-2023 年中国半导体材料市场 供需预测及投资战略研究报告 中国市场调研在线 中国市场调研在线 2017-2023 年中国半导体...
实验讲义-半导体材料吸收光谱测试分析2015
实验讲义-半导体材料吸收光谱测试分析2015 - 半导体材料吸收光谱测试分析 一、实验目的 1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。 2....
半导体薄膜技术与物理复习
水冷坩锅中,利用电子束进行直接加热,使蒸发材料汽化 并在衬底上凝结形成薄膜的...CVD 的动力学分析:CVD 过程包含两个主要步骤:气体由空间到沉底表面的质量输送;...
UV-2450半导体材料吸收光谱测试分析2015
半导体材料吸收光谱测试分析一、实验目的 1.掌握半导体材料的能带结构与特点、...? d ?i ? ln(1 / Ti ) d 3 即半导体薄膜对不同波长 ? i 单色光的...
薄膜材料与技术_试题A卷试题_答案
(5) 由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多,由此可以得到纯度高、结晶完全的膜层, 这是有些半导体膜层所必须的 (6) CVD 方法可获得平滑的沉积表面 (7) ...
氧化锌薄膜半导体材料的研制及应用
氧化锌薄膜半导体材料的研制及应用_化学_自然科学_专业资料。郑州大学半导体材料论文...各种新颖的纳米结构的制 备、结构表以及性能分析成为纳米氧化锌研究的一个热点。...
更多相关标签: