一種新的SiC外延材料質(zhì)量評估方法.pdf

1、雖然現(xiàn)在SiC外延層在缺陷密度和尺寸等方面都有較大改進,但生長速率低、缺陷密度高、產(chǎn)量低、成本高以及不能大批量生產(chǎn)等因素依然限制著SiC外延層材料和器件的發(fā)展。提高SiC外延材料生長速率,降低其缺陷密度和生產(chǎn)成本,都需依據(jù)其質(zhì)量特性參數(shù)尋找相應(yīng)的解決方法,從而有目的地對外延工藝進行改進、優(yōu)化。
　　 光學(xué)無損表征是目前表征技術(shù)發(fā)展的新潮流。傅立葉變換紅外反射譜(FTIR)不但費用低廉,而且具有無損和可在線測試的優(yōu)點。由于在中紅外

2、區(qū)的13～10μm波段,SiC中的長波光學(xué)聲子與紅外光諧振產(chǎn)生剩余射線帶,在該波段以外的區(qū)域,長波光學(xué)聲子不與紅外光諧振,因此在碳化硅中可傳播較長的距離,因此根據(jù)紅外響應(yīng)介電函數(shù)和多層膜反射理論對紅外鏡面反射譜進行模擬和解析,可獲得外延層與襯底系統(tǒng)的質(zhì)量特性參數(shù)。
　　 本文重點研究了用近垂直入射的紅外鏡面反射譜對SiC外延材料的無損表征,并將其解析結(jié)果與其它的表征技術(shù)如X射線光電子能譜(XPS)(原位寬掃描和窄掃描模式)、傅立

3、葉變換紅外衰減全反射譜、拉曼散射譜(RSS)(背散射模式)、X射線衍射(XRD)(θ—2θ模式、薄膜反射模式和ω掃描模式)和橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)等的所有解析結(jié)果進行了比較,獲得了以下結(jié)果:
　　 1)解析了SiC外延層表面的紅外衰減全反射譜和XPS寬掃描譜,研究了擬合峰數(shù)目、峰型和背底對XPS窄掃描譜擬合結(jié)果的影響,確定的C1s、Si2p和O1s窄掃描譜的最優(yōu)擬合參數(shù)為:位置、半高寬和峰面積不固定的10個高斯峰和Shi

4、rley背底；確定的SiC外延層表面化學(xué)態(tài)結(jié)構(gòu)及其原子的芯電子束縛能分別為:Si(CH2)4(BEC1s=282.50eV,BESi2p=99.86eV),SiO(CH2)3(BEC1s=283.18eV,BESi2p=1.00.41eV,BEO1s=532.34eV),SiO2(CH2)2/SiO2(CH3)2(BEC1s=284.99eV,BESi2p=101.44eV,BEO1s=532.95eV),SiO3(CH3)(BECls

5、=286.36eV,BESi2p=102.43eV),BEOls=533.55eV),Si—Si(BESi2p=99.23eV),H2O(BE01s=529.76eV),締合 OH(BEOls=530.96eV),Si—OH(BEO1s=531.70eV),填隙O(BEO1s=533.96eV),O2(BEO1s=541.50eV)；
　　 2)根據(jù)紅外響應(yīng)介電函數(shù)、能量損失函數(shù)和紅外光與SiC外延層一襯度系統(tǒng)作用等對SiC外延

6、層-襯底系統(tǒng)的測試紅外鏡面反射譜進行解析,得到的SiC外延層的ωTO和ωLO頻率分別為796.4cm-1和963.5cm-1,組分為SiC和Si—OH鍵,表面法線與光軸(c軸)夾角為90°,晶軸與表面法線垂直,高頻介電常數(shù)為6.56；
　　 3)構(gòu)建了單面拋光SiC襯底的半無限體結(jié)構(gòu)模型和半無限襯底上單層膜結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)菲涅耳公式和多層膜轉(zhuǎn)移矩陣理論計算了模型系統(tǒng)的反射率,研究了其各個參數(shù)對系統(tǒng)紅外鏡面反射譜的影響,并用模型系統(tǒng)

7、對襯底的測試紅外鏡面反射譜譜進行了模擬,結(jié)果表明半無限體結(jié)構(gòu)模型不適合描述該SiC襯底結(jié)構(gòu),半無限襯底上單層膜結(jié)構(gòu)模型非常適合描述其結(jié)構(gòu),襯底表面存在光學(xué)聲子衰減常數(shù)遠大于體材料光學(xué)聲子衰減常數(shù),等離子體頻率大于體材料等離子體頻率,等離子衰減常數(shù)小于體材料衰減常數(shù)的薄的非晶層。
　　 4)除了構(gòu)建外延層一襯底系統(tǒng)的半無限襯底上單層膜結(jié)構(gòu)模型外,本文還構(gòu)建了外延層一襯底系統(tǒng)的半無限襯底上雙層膜和半無限襯底上三層膜結(jié)構(gòu)模型,用紅外響

8、應(yīng)介電函數(shù)和多層膜轉(zhuǎn)移矩陣理論分別計算了其反射率,研究了其各參數(shù)對模型系統(tǒng)紅外鏡面反射譜的影響,并用模型系統(tǒng)分別對三個測試的譜形差異較大的外延層一襯底系統(tǒng)的紅外鏡面反射譜進行模擬,結(jié)果表明SiC外延層-襯底系統(tǒng)應(yīng)用半無限襯底上三層膜結(jié)構(gòu)模型來描述,外延層表層存在與前面襯底表層類似的薄非晶層,外延層與襯底間存在等離子體非零的界面層。
　　 5)對比了SiC外延層樣品紅外鏡面反射譜的解析結(jié)果與RSS譜、XRD、XPS和橫截面SEM圖