氢钝化是利用原子氢来终结表面悬挂键的一种技术。半导体经氢钝化后可以获得非常干净和平整的表面, 有利于降低表面的粗糙度和外延层的生长[1]。试验表明经过氢钝化的表面抗氧化能力比较强, 在形成器件后其界面处的界面电荷浓度也非常低, 有利于制造高迁移率的M O S F E T器件。
表面氢钝化技术在Si器件领域已经非常成熟, 它通过湿法化学处理 (如沸水、氢氟酸等) 可以很容易的实现。SiC作为新一代半导体, 应用前景宽广, 其表面氢钝化工艺意义重大, 近年来以引起国内外学者的普遍关注。但是SiC与Si有着不同的表面结构, 传统的湿法化学处理方法对SiC并不适合, 必须寻找新的表面钝化工艺, 如氢气高温退火、等离子氢处理等, 以满足表面钝化的需要。
1 氢钝化的原理
1.1 SiC表面的结构
SiC存在不同的晶格结构, 如3C、4H、6H等。3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC其硅面结构与Si (111) 面结构类此, 唯一不同的是由于其C原子的排列使得3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC存在极性键。这使得SiC很难产生一个结构平整、化学稳定的表面。通过氢钝化工艺可以在SiC表面形成的一层氢化层, 可以起到防污染和抗氧化的作用, 有利于以后器件的加工。
2 氢钝化的方法
在过去的20年中, 国内外学者在氢钝化方面做了大量的研究[2], 其中对Si的研究比较成熟, 利用缓冲HF溶液等就可以获得比较理想的H终结表面。但由于SiC结构与Si结构上存在不同, 必须寻找更好的的氢钝化工艺, 以获得结构平整、化学稳定表面。下面将介绍国内外学者在这方面所做的工作。
2.1 沸水处理
沸水处理碳化硅表面是比较经济和方便的方法, 英文简称BW (Boil Water) [3]。
HF刻蚀SiC表面C4-xSiOx后, 电负性最强的F首先饱和表面悬挂键, 表面被氟化。尽管Si2F因激活能较高而很稳定, 但Si2F的电负性差异使极性键C--Si+产生更强的极性, C--Si+键长增加, 其键力减小, 此时C--Si+不再稳定, H+、F-极易插入C--Si+, C-悬挂键被H+饱和, Si+终形成SiF4溶于水, 表面由氟化转变为氢化。6H-SiC (0001) 表面动态反应式如图1所示[4]。
经过退火处理发现:BW法制备的欧姆接触其界面态在低于400℃时基本不变, 经400℃退火后, 接触电阻开始上升, 并在退火温度为600℃时达到最大值。C面和Si面的欧姆接触在400℃以上的退火温度时具有相似的退火特性[5]。
用此方法制备的SiC欧姆接触比接触电阻值为5~8×10-3Ω·cm2, 肖特基结理想因子为n=1.25~1.3。
2.2 HF/HCL处理
由上可知由于SiC晶格结构存在着极性, 使得SiC表面在溶液中很容易吸附溶液中的OH-或F, 已达到稳定晶格结构的目的。如果溶液中含有大量得F-, F-就会和Si结合, 形成F-Si键, 从而加大氢钝化的难度[6]。所以有人采用改进的方法来减少F离子的吸附, 其具体的做法是利用 (pH<1) HCL∶H F (1 5∶1) 代替传统的R C A和HF∶H2O (1∶10) 。HCL提供了高浓度的H3O+离子, 它有效的减少了平衡式中由HF分解的氟离子的浓度。
2.3 氢气退火处理
(1) SiC (0001) 面上的钝化。利用高温氢退火钝化SiC (0001) 最早是被Tsuchida等人提出来的[7]。其处理步骤是: (1) SiC晶片经传统的湿法处理; (2) 将SiC晶片在1000℃的高温下氢气处理20分钟。其原理类此于氢气刻蚀。 (2) SiC () 和 () 面上的氢钝化。传统的器件一般作在 (0001) 或者 () 面上, 其缺点是 (0001) 或者 () 面存在着极性, 而且沿着C轴存在着空心核螺旋位错。用面 () 和 () 面的好处是沿着C轴的空心核螺旋位错可以完全避免的, 而且这些晶面可以揭示晶格的堆垛情况。但是在a面上生长的的晶体上却比传统方法生长的晶体具有有更高的堆垛层错浓度, 在 () 面和 () 面其数量级分别为:103~104, 102~103, 这主要是动力学导致的原子堆垛错乱造成的。但是最近Nakamuren等人, 采用一种名叫RAF生长方法可以生长出几乎没有位错、高质量。同时有人也研究了在4H-SiC () 面上才用化学沉淀法生长晶体的方法, 观测到了零三角位错。而且在 (0001) 制备的MOSFETs器件由于存在高的界面态, 其沟道迁移率很低, 而造成低迁移率的原因一般来讲有两个:一是界面处碳簇的存在, 二是界面的悬挂键。降低界面态的方法很多, 如二次氧化、界面氮化等。有研究表明利用4H-SiC () 也可以获得较低的界面态, 从而获得较高的沟道率。所以利用 () 面和 () 面制造MOSFETs成为未来一种趋势, 而 () 面和 () 面上的氢钝化也就愈加显的重要了。
Th.Seyller等人采用在1000℃下氢退火的方法处理SiC () 面和 () 面, LEED数据表明经氢钝化的表面呈现出 (11) 非重构像。通过XPS数据分析得到C1s能谱有化学迁移, 作者将其归根于Si3C-H结构, 同样在Si2P能谱也发现化学迁移, 作者将其归根于C3Si-H结构。但实际的SiC表面也许是更加复杂的, 同时C1s和Si2P能谱的迁移是否源自同一种结构也不清楚, 还要做大量的工作加以证实或确认。
2.4 等离子体处理
等离子体处理是一种更加先进的方法, 在等离子体中存在下列物质:被加速而处于高速运动状态的电子;处于激发状态的中性原子、分子;离子化的原子、分子;解离反应过程生成的紫外线;未反应的原子和分子。
等离子体处理技术应用于金刚石上效果明显, 但在SiC上却很容易生长出一层氧化层。其原因在于所用的氢气中含有残留的氧。
M.E.Lin等人用H2∶He (1∶1) 等离子体处理在5×10-4torr、650℃下处理SiC表面。同过对比发现在Si2P3/2能带谱中, 没有经过钝化的样品中可以观测到高能尾巴, 它预示着SiOx结合键的存在。其键能在Si2P3/2峰值上面0.8ev~0.4ev处。而经HF钝化的样品, 这个Si2P3/2是对称的, 在xps检测范围内没有预示着SiOx的显著的尾巴出现。但是HF钝化的衬底的C1S1/2能谱继续展现出高能段的尾巴。较高的峰是其解释为过量的F和表面的C结合的产物, 较低的峰为石墨化引起的。经过H2等离子体处理后, 在XPS测量范围内高能段的尾巴消失了, 其表示其成功的去除表面的O和F, 而且可以有效出去表面的石墨层。
总上所述, 各种表面氢钝化工艺既有其优点又有其不足, 我们还需要在氢钝化方面做进一步研究。
摘要：本文在对比SiC和Si结构差别的基础上, 总结了当今现在比较流行的氢钝化工艺, 如沸水、沸氟化氢、氢气退火、等离子体处理等, 并简要介绍了各自工艺的特点和不足。
关键词：SiC,表面处理,氢钝化,氢气,退火
参考文献
[1] C.Hallin, Inst.Phys.Conf.Ser, 142, 6131996.
[2] Y.J.Chabal, J.Vac.Sci.Technol.A 7, 2104～1989.
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[4] 罗小蓉.表面氢化对SiC金属接触的作用机理[J].固体电子学研究与进展, 2004, 24 (2) .
[5] S.Hara, “Control of Schottky andohmic interfaces Level by unpinningFermi”Applied Surface Science 117/118 (1997) 394～399.
[6] MARIALOSURDO, ”Modification of4H-SiC and 6H-SiC (0001) si SurfaceThrough the interaction with atomichydrogen and nitrogen”journal of elec-tronic materials vol 34.No 4 2005.
[7] Tsuchida H, Kamata I and Izumi K1997 Appl.Phys.Lett.70 3072.
[8] M.E.Lin, ”GaN grown on hydrogenplasma cleaned 6H-SIC substrates”, Appl.Phys.Lett, 62 (7) , 15 February1993.