AlN緩沖層厚度對SiC薄膜性能的影響

王昆侖 徐濤 王聰

摘 ?要：SiC具有較大的帶隙寬度和優異的熱穩定性，可在高功率、高溫（高達600℃）和高頻（高達20GHz）條件下工作，在半導體器件中有著廣泛的應用。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失配，影響了成膜質量，在一定程度上限制了SiC在微電子領域的應用。通過在Si與SiC之間添加AlN緩沖層可以有效地解決這一問題。文章通過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SiC薄膜的結構、表面形貌、硬度和附著力的影響。研究結果表明，當AlN緩沖層厚度為60nm和90nm時，薄膜與基底附著效果最好，薄膜硬度超過20GPa。

關鍵詞：SiC薄膜;AlN緩沖層;硬度;附著力

中圖分類號：TB383 ? ? 文獻標識碼：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，碳化硅就被科學家在實驗室制作金剛石的過程中意外發現，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，美國科學家艾奇遜在電熔金剛石實驗中生產出了SiC晶體，這是人類歷史上首次制備純碳化硅。由于SiC穩定的化學特性和優異的半導體材料性質，它在電子信息存儲、傳輸和數據通信等相關行業內發揮了巨大的作用，在半導體材料領域獲得了極大的發展空間[1]。SiC是第三代半導體材料的代表，它具有良好的機械強度、大禁帶寬度、較低的介電常數、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]，在人造衛星、雷達通信、火箭等航空航天以及汽車電子、海洋勘探重要領域被廣泛應用[6]。

然而，由于Si襯底和SiC外延層的晶格常數存在差異，導致SiC和SiC之間存在較大的晶格失配（20%）和熱膨脹系數失配（8%），使薄膜產生高密度的失配位錯與堆垛失配，并伴有反相邊界、堆垛層錯、位錯、微孿晶等多種結構缺陷[7]，這在一定程度上影響了薄膜的質量和光學特性，嚴重影響了SiC材料晶體管、IC的電學特性，也影響了SiC材料在半導體器件中的應用。此外，較大的晶格失配和熱失配還會引起薄膜交界面處的內應力比較大，這樣外延生長出來的薄膜的結晶狀況會較差，使得Si襯底上SiC生長難度很大。但如果繼續生長，之后沉積的SiC薄膜質量又會逐漸變好，這是因為之前外延出來的SiC會不斷充當Si襯底與SiC膜層的緩沖層，這樣晶格失配就因為緩沖層的緩沖作用而減小。

為了得到力學性能更加優良的SiC薄膜，可以預沉積一層與SiC晶格失配較小的材料，然后再外延生長SiC薄膜，從而提高SiC外延層的結晶質量[8]，AlN就是不錯的選擇：AlN具有纖鋅礦結構，而且它的熱導率較高，熱穩定性和化學穩定性好，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薄膜與基底結合更加牢固，選用AlN作為Si襯底上生長SiC的緩沖層比較合適;此外，由于AlN材料的帶寬很大，達到了6.2eV，它對紫外光是透明的，因此作為緩沖層不會妨礙SiC在短波光電器件方面的應用[9]。

二、實驗

本實驗所采用TSU-650多功能磁控離子復合鍍膜設備（圖1）在單晶硅襯底上鍍制AlN過渡層與SiC薄膜。首先，對腔體抽真空，直至背底真空度達到 6×10-4 Pa～4×10-4 Pa。隨后，向腔體中通入60sccm氬氣，調節限流閥，使得濺射氣壓為0.8 Pa。通過射頻磁控濺射沉積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射線衍射儀對薄膜的結構和結晶性進行分析，采用Nova Nano SEM 450場發射掃描電子顯微鏡觀察薄膜的表面形貌，采用劃痕儀測試膜層與襯底間的結合強度;采用TTX-NHT2納米壓痕儀，壓痕儀壓頭為Berkovich三棱錐，對不同薄膜進行壓痕測試，并分析薄膜硬度，測試過程中，位移分辨率0.04nm，動態加載范圍0.1—500mN，載荷分辨率為40nN。對制備的5組不同緩沖層厚度的樣品進行壓痕測量，為了減少Si襯底和AlN緩沖層對測量結果產生影響，應操控壓頭壓入SiC膜厚度的10%左右，每個樣品取6～8個點位進行測量，為進一步減小實驗誤差，對測量結果求平均值。

三、結果與討論

采用XRD技術對制得的SiC膜層進行晶體結構分析，結果如圖2所示。由圖可見，SiC圖譜并未隨著緩沖層厚度的改變發生明顯的變化：各條衍射峰的形狀以及不同峰相同衍射角的衍射強度沒有太大的變化。所有的譜線圖都沒有出現特征衍射峰，只存在非晶衍射包，這表明無論緩沖層厚度如何，用磁控濺射方法生成的SiC薄膜均為非晶態，內部結構不存在長程有序，但在若干原子間距內的較小范圍存在結構上的有序排列。

具有不同AlN緩沖層厚度的SiC薄膜樣品的表面形貌對比于圖3，不同AlN緩沖層厚度沉積的SiC薄膜沒有明顯的晶粒，均為非晶態，這與XRD圖譜得到的結論相吻合，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：沒有緩沖層時，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，在緩沖層厚度達到90nm時，顆粒尺寸達到最小值，繼續加大緩沖層的厚度，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（硬度和附著力均經過多次測量，取平均值）。可以看出，AlN緩沖層厚度在0～60nm時，隨著緩沖層厚度的不斷增大，SiC薄膜硬度也隨之增大，這是因為AlN緩沖層的存在減少了Si基底與SiC交界處的應力，使得薄膜的硬度增大。當AlN緩沖層厚度超過60nm時，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相類似的變化趨勢：當AlN緩沖層厚度在0～60nm時，SiC薄膜附著力隨著緩沖層厚度增加不斷增大，當AlN緩沖層厚度超過90nm時，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于表2。

四、結論

SiC材料具有良好的電性能和力學性能，是一種非常理想的半導體材料，可以用于耐高溫高壓、耐腐蝕的器件制作，未來市場和應用前景廣闊。但由于SiC材料與Si沉底材料的熱膨脹系數和晶格常數存在差異，影響了薄膜附著強度，限制了其應用范圍。本實驗采用磁控濺射法，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XRD、SEM、劃痕儀測試等技術，對薄膜的表面結構、膜層形貌和力學性能等進行了表征。結果表明無論是否存在AlN緩沖層，SiC薄膜都是非晶態，薄膜表明平整度和致密度較好，沒有明顯缺陷。當緩沖層厚度為90nm時，膜層表面顆粒尺寸達到最小值，薄膜最致密光滑。當緩沖層厚度為60nm時，薄膜的硬度達到最大（21.8Gpa），這與沒有緩沖層的SiC薄膜硬度（19.2Gpa）相比，有了較為明顯的提高。當緩沖層厚度達到60nm和90nm時，薄膜與基底附著最為緊密，附著力達到了38.3N，而沒有緩沖層的情況下，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沉底上的附著強度，對于拓展SiC在半導體領域的應用具有重要的參考價值。

參考文獻：

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