SiC表面的氢钝化

SiC表面的氢钝化

王海波

(滨州职业学院 山东滨州 256603)

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 退火中图分类号:TQ153文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)08(b)-0076-02

氢钝化是利用原子氢来终结表面悬挂个结构平整、化学稳定的表面。通过氢钝化键的一种技术。半导体经氢钝化后可以获工艺可以在SiC表面形成的一层氢化层,可得非常干净和平整的表面,有利于降低表以起到防污染和抗氧化的作用,有利于以面的粗糙度和外延层的生长[1]。试验表明后器件的加工。

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2 氢钝化的方法

非常低,有利于制造高迁移率的MOSFET在过去的20年中,国内外学者在氢钝器件。

化方面做了大量的研究[2],其中对Si的研究表面氢钝化技术在Si器件领域已经非比较成熟,利用缓冲HF溶液等就可以获得常成熟,它通过湿法化学处理(如沸水、氢比较理想的H终结表面。但由于SiC结构与氟酸等)可以很容易的实现。SiC作为新一代Si结构上存在不同,必须寻找更好的的氢半导体,应用前景宽广,其表面氢钝化工艺钝化工艺,以获得结构平整、化学稳定表意义重大,近年来以引起国内外学者的普面。下面将介绍国内外学者在这方面所做遍关注。但是SiC与Si有着不同的表面结构,的工作。传统的湿法化学处理方法对SiC并不适合,2.1沸水处理

必须寻找新的表面钝化工艺,如氢气高温沸水处理碳化硅表面是比较经济和方退火、等离子氢处理等,以满足表面钝化的便的方法,英文简称BW(Boil Water)[3]。

需要。

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。1 氢钝化的原理

尽管Si2F因激活能较高而很稳定,但Si2F的1.1SiC表面的结构

电负性差异使极性键C--Si+产生更强的极SiC存在不同的晶格结构,如3C、4H、性,C--Si+键长增加,其键力减小,此时C--6H等。3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC其硅面结Si+不再稳定,H+、F-极易插入C--Si+,C-悬挂构与Si(111)面结构类此,唯一不同的是由键被H+饱和,Si+终形成SiF4溶于水,表面由于其C原子的排列使得3C-SiC、4H-SiC、氟化转变为氢化。6H-SiC(0001)表面动态反6H-SiC存在极性键。这使得SiC很难产生一

应式如图1所示[4]。

图1 6H-SiC(0001)表面动态反应式

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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。2.2HF/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∶HF(15∶1)代替传统的RCA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:①SiC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( 1120)和( 1100)面上的氢钝化。传统的器件一般作在(0001)或者 (0001)面上,其缺点是(0001)或者 (0001)面存在着极性,而且沿着C轴存在着空心核螺旋位错。用面( 1100)和( 1120)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( 1100)面和( 1120)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( 1120)面上才用化学沉淀法生长晶

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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( 1120)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( 1100)面和( 1120)面制造MOSFETs成为未来一种趋势,而( 1100)面和( 1120)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( 1100)面和( 1120)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。

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.com.cn. All Rights Reserved.的中性原子、分子;离子化的原子、分子;解

(上接75页)管即可。

第二台工作主泵。这里应探讨的主要问题是第二台泵何时投入,怎样投入,投入过早超压依然存在,投入过晚则影响救火。目前一般做法是在第二台泵的出水管上加设一个电接点压力表,其启动泵设定值比第一台泵高0.03MPa～0.05MPa左右。若第一台泵启动后经设定的延迟时间系统工作压力仍未达到设定值,说明第一台泵已无法向火灾现场提供所需的水流量,此时第二台泵应迅速投入运行,确保消防水流量的供应,火情基本解除后,第二台泵可先行退出(停泵),待火灾完全被控制确无复燃可能时,第一台泵再退出(停泵),在泵的出水管上设置超压泄压阀及旁通回流管以及选择性能曲线比较平缓的消防主泵等均是防止初期火灾泵超压的具体措施。

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设计手册[M].中国建筑工业出版社,2002.

5 防止初期火灾的泵超压

自喷水灭火系统在火灾初期时往往只有1～2个喷头动作喷水,此时若自动喷水主泵迅速启动,由于初期火灾消防用水量很小,根据泵性能特性曲线可以看出,此时泵扬程会大大高于泵正常工作时的扬程,因而超压现象造成个别喷头破裂(质量不佳)喷水,形成室内渍水。防止火灾初期超压现象有多种措施,采用多台泵先后启动的方式为首选方案。喷水灭火系统的工作主泵在高层或超高层建筑中宜选用2台以上,主泵启动要求应做到:任何启泵信号都只能先启动一台,随着火情的发展再投入

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