半导体薄膜材料分析

半導體薄膜材料分析

李文鴻

化學工程系

黎明技術學院

摘要

使用電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法(electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以CH4/SiH4/Ar混合氣體於低溫下成長碳化矽薄膜為例，藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光繞射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)、X射線光電子能譜儀(XPS; ESCA)、歐傑電子能譜儀(AES)、拉塞福背向散射儀(RBS)、低能量電子繞射（LEED）、反射式高能量電子繞射(RHEED)、拉曼光譜儀（Raman）來研究碳化矽薄膜的微結構、表面型態及化學組成與沉積參數之間的關係，藉由二次離子質譜儀(SIMS)來研究沉積膜的雜質濃度分佈，利用光子激發光(PL)來量測發光波長範圍。

關鍵字：材料分析、電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法、碳化矽薄膜

一、前言光電半導體產業的發展非常迅速，其中

積體電路製程技術的發展朝向尺寸微小化，目前已邁入0.13μm以下製程及邁向奈米的範疇，並朝多層薄膜的趨勢。然而新材料和製程的開發及其分析更是必須掌握的。本文將以跨世紀的接班材料-碳化矽(silicon carbide)為例，介紹材料之薄膜成長及其分析。

碳化矽為具有許多優異特性的電子材料，如寬能隙、高電子遷移率、高飽和飄移速度、高崩潰電壓、高操作溫度、高熱傳導度、化學惰性、高融點及高硬度【1】，並具耐熱震(thermal shock resistance)、抗高溫氧化、比矽低的介電常數等優點。由Johnson 之優值指標(評估元件在高功率及高頻下運作的指標)碳化矽(β-SiC)為矽之1137.8倍，及Keyes 之優值指標(評估元件在高速下運作的指標) 碳化矽(β-SiC)為矽之5.8倍【2】，故碳化矽元件能在高功率、高頻及高速下操作的特性，在光電元件的製造上，具極大之應用價值，且可用於微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)元件之薄膜【3】、封裝材料及濾材之分離膜等【4】。在商業應用發展方面，Cree Research、日本三洋公司及信越半導體等的碳化矽藍光LED已商品化，Motorola將碳化矽應用於RF 及微波的高頻高功率元件，General Electric 應用於高功率及高溫元件之感測器，Westinghouse 應用於高頻MESFET元件等。可見碳化矽具多用途且具發展潛力，因此被諭為跨世紀的接班材料。

由於材料之製程會影響材料結構及性質進而影響其應用，因此本文將介紹碳化矽材

料之結構及性質並簡述使用電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法(electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以CH4/SiH4/Ar混合氣體於低溫下長出高品質的碳化矽薄膜，及藉由穿透式電子顯微鏡、傅立葉轉換紅外線光譜儀、X射線光電子能譜儀、拉塞福背向散射儀原子力顯微鏡來研究SiC薄膜的微結構及化學組成與沉積參數之間的關係，藉由二次離子質譜儀來研究沉積膜的雜質濃度分佈，利用光子激發光(PL)來量測發光波長範圍。文中並簡述分析儀器用途和方法。

二、碳化矽薄膜的結構與製程

(一)碳化矽的結構

碳化矽具多形態結構，一般分為α-SiC 及β-SiC兩大類。α-SiC為六方(hexagonal)晶系、菱面(rhombohedral) 晶系及其衍生態(2nH、3nR)結構的總稱，已鑑定出之α衍生態達200種以上，其中較常觀察到的結構為2H、4H、6H、及15R等。這些多形態結構主要形成是因SiC沿著C軸方向的疊差能(stacking fault energy)很低(1.9 ergs/cm2) 【5】，因而在C軸方向容易形成多種不同的堆疊次序所致。而β-SiC (3C-SiC)由Si和C 交替以SP3混成軌域共價鍵結而成，屬於閃鋅礦(sphalerite) 結構。其中3C-SiC及6H-SiC 結構如圖一所示。關於因不同薄膜製程所得之為何種結構，可藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光繞射儀(XRD)來鑑定。

(二) 碳化矽薄膜於矽基板上之成長方式

主要以化學氣相沈積法(chemical vapor deposition；CVD)為主，亦有採用物理氣相沈

積法(physical vapor deposition；PVD)，如直接以碳化矽為靶材利用Ar來濺鍍【6】或利用矽為靶材以CH4及Ar的反應性濺鍍【7】等來成長薄膜，但由於PVD所成長之碳化矽薄層其均勻及階梯覆蓋率(step coverage)比CVD差，因此已為CVD所取代。如Chiu et al. 【8】採用低壓化學氣相沈積法(LPCVD)，Nakamatsu et al. 【9】採用雷射化學氣相沈積法(laser chemical vapor deposition, LCVD)，Veintemillas-Verdaguer et al. 【10】採用有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD) 等方法。Wuu et al.【11】以CH4/SiH4/H2為反應氣體，採用電漿輔助化學氣相沈積法(PECVD)可以在1300℃長出多晶型之碳化矽薄膜。從元件製作的觀點而言，低溫晶體成長技術愈形重要。因此需藉由高密度電漿(HDP)來成長高品質薄膜。

在高密度電漿方面，Shimkunas et al. 【12】以C2H4及Ar混合氣體與Si(100)基板反應採用電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法(ECRCVD)在約930 ℃的溫度長出a-SiC + poly-SiC的膜；Y amada et al. 【13】在約770 ℃下以C2H4/SiH4/H2混合氣體長出多晶β-SiC。

(三) 電子迴旋共振化學氣相沉積法原理

電子迴旋共振化學氣相沉積產生高密度電漿的原理是由於電子在磁場中產生迴旋運

動，迴旋頻率

ce

ω為【14】

m

ω

e

ce

eB

=

(1)

其中B為磁場強度，而e及m e分別為電子電荷及質量。當外加磁場B= 875 高斯時，電子迴旋頻率ωce= 2.45 GHz，若此時外