TWI500806B - 碳化矽薄膜的製造方法 - Google Patents

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Description

碳化矽薄膜的製造方法
本發明係關於一種碳化矽薄膜的製造方法，特別有關一種利用微波電漿輔助化學氣相沉積法(microwave plasma enhanced chemical vapor deposition,MPECVD)製造碳化矽薄膜的方法。
碳化矽(SiC)因其優越的物理性質如高熔點、高硬度、高電子傳輸率(electron mobility)、高崩潰電壓(breakdown voltage)等，一直是相當重要的工業材料，在機械工業、航太工業、電子元件方面都有相關應用，尤其是高電子傳輸率、高崩潰電壓以及可以在高溫環境工作的特性，使得碳化矽在高頻率(high frequency)、高功率(high power)電子元件方面成為一個相當重要的角色。
碳化矽擁有超過250種異構物(polytype)，由矽層和碳層排列交疊而成，主要可以分為立方晶系(cubic phase)、六角晶系(hexagonal phase)和斜方晶系(rhombohedral phase)，立方晶系的碳化矽為β-SiC，而其他晶系都為α-SiC，其中立方晶系碳化矽(又稱3C-SiC)因擁有最高的電子傳輸率及等向性(anisotropic)的電性而引起廣泛的興趣。和矽基元件相比，碳化矽擁有更寬的能隙(band gap)，可以有效阻擋因熱激發而躍遷到導帶的電子，矽基材料在250℃以上即開始漏電，但碳化矽元件可以操作在650℃，並且碳化矽的崩潰電壓高達3V/μm，使其可以作為高功率元件方面的應用。在 矽和砷化鎵(gallium asenide)之後，碳化矽被稱做第三代寬能隙的半導體材料。
碳化矽有許多不同種類的製備方法，現有主要的製備方式是以化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)在基板上沉積碳化矽薄膜，製程方式例如有爐管(furnace)、熱鎢絲(hot-filament)、射頻電漿(rf-plasma)和微波電漿(microwave plasma)化學氣相沉積等。目前電子級應用常會選用熱爐管的方式沉積大面積均勻的單晶磊晶層(single crystal epi-layer)，分成均質磊晶(homo-epitaxy)成膜在碳化矽基板上和異質磊晶(hetero-epitaxy)成膜在矽基板或其他結晶性基材上。
雖然以熱爐管方式可得到較高品質的碳化矽薄膜，然而因其製程溫度達1300~1500℃，其高於許多金屬基材甚至接近矽基板熔點而造成許多現象，如內擴散(interdiffusion)，或因熱膨脹率不同造成基板彎曲(bow)而使其應用性大幅受限。另外，以電漿或熱鎢絲沉積之薄膜則多為多晶(polycrystalline)和非晶(amorphous)薄膜，高缺陷(defect)和高晶界(grain boundary)密度的特性使其較不適合做電子用途而多作為中介層或超硬保護層。
因此，如何解決上述問題，在低製程溫度下得到高品質的碳化矽薄膜為目前產業界的重要課題。
本發明之目的在於提供一種碳化矽薄膜的製造方法，以微波電漿輔助化學氣相沉積法(microwave plasma enhanced chemical vapor deposition,MPECVD)低溫沉積得到碳化矽薄膜。
為達成上述目的，本發明提供一種碳化矽薄膜的製造方法，包含步驟：(a)利用機械幫浦將腔體內壓力抽至底壓；(b)利用一微波產生器以1200瓦至1400瓦的功率產生微波，使該腔體內形成微波電漿；以及(c)在不對置於該腔體內的一基板額外加熱的情況下，待該微波電漿使該基板升溫，而該基板之溫度持穩於400℃至500℃時，將作為前驅物之含氯矽基化合物及/或含氯分子導入該腔體中，以在該基板上沉積形成立方晶系之碳化矽薄膜。
另一方面，本發明提供一種碳化矽薄膜的製造方法，包含步驟：(a)利用機械幫浦將腔體內壓力抽至底壓；(b)利用一微波產生器以1200瓦至1400瓦的功率產生微波，使該腔體內形成微波電漿；(c)在不對置於該腔體內的一基板額外加熱的情況下，帶該微波電漿使該基板升溫，而該基板之溫度持穩於至400℃至500℃時，將作為前驅物之矽基化合物及/或含碳及矽之分子導入該腔體中，以在該基板上沉積形成立方晶系之碳化矽薄膜。
在本發明的實施例中，含氯前驅物可採用二甲基二氯烷(DDS)，而不含氯前驅物可採用四甲基矽烷(TMS)。在本發明提出的較佳實施例中，DDS製程得到的薄膜具有較好之結晶性與較大的晶粒，且具有明顯優選方向和薄膜側壁之柱狀結構，而雖然TMS製程得到的薄膜相較於DDS製程結果，其晶粒較小、晶界密度較高，然而TMS製程為較為環保的製程，亦為可選的選擇。
10‧‧‧鍍膜系統
11‧‧‧氣體供應部
12‧‧‧前驅物
13‧‧‧氫氣
14‧‧‧冷劑
15‧‧‧腔體
16‧‧‧幫浦管路
17‧‧‧微波產生器
18‧‧‧電源供應器
19‧‧‧基板
S10~S16‧‧‧步驟
第1圖顯示根據本發明之實施例實現的鍍膜系統的示意圖。
第2圖顯示根據本發明之實施例實現的碳化矽薄膜製造流程圖。
第3A圖顯示本發明之實施例中以二甲基二氯烷(DDS)為前驅物所製得之薄膜以歐傑電子能譜儀(AES)進行分析的結果。
第3B圖顯示本發明之實施例中以DDS製程製得之薄膜以X光光電子能譜儀(XPS)進行分析的結果。
第3C圖顯示本發明之實施例中以DDS製程製得之薄膜以XPS進行分析的結果。
第4A圖顯示本發明之實施例中以四甲基矽烷(TMS)為前驅物所製得之薄膜以AES進行分析的結果。
第4B圖顯示本發明之實施例中以TMS製程製得之薄膜以XPS進行分析的結果。
第4C圖顯示本發明之實施例中以TMS製程製得之薄膜以XPS進行分析的結果。
在本發明的實施例中，係以微波電漿輔助化學氣相沉積法(microwave plasma enhanced chemical vapor deposition,MPECVD)在低壓及以大量氫氣稀釋前驅物(precursor)的氣體氛圍下低溫成長碳化矽薄膜。在不對基板額外加熱的情況下，基板溫度不高於400℃(較佳為500℃)時可得到良好結晶性的碳化矽薄膜。低溫製程可以大幅增加碳化矽薄膜的應用性，可以將其鍍覆在工具鋼、金屬、甚至玻璃基板表面。本發明的應用範圍從電子元件、離子佈值阻 擋層、光電裝置、工具鋼和鑽石薄膜之中介層到超硬薄膜都可得到很好的應用。
第1圖顯示根據本發明之實施例實現的鍍膜系統的示意圖。在該鍍膜系統10中，氣體供應部11至少包含前驅物12及氫氣13，氣體供應部11具有一條氫氣管路以氫氣13作為載流氣體(carrier gas flow)流經前驅物瓶以帶出以蒸氣形式存在於前驅物瓶中的前驅物12。該氣體供應部11亦可包含冷劑14，設置於前驅物12周圍，藉由控制溫度以控制前驅物12之蒸氣壓大小。該氣體供應部11中亦可包含甲烷(methane)、氮氣(nitrogen)、氫氣(hydrogen)和氬氣(argon)等製程氣體，以流量控制器(mass flow controller)控制其流量，會合後流入腔體15。幫浦管路16連通機械幫浦(rotary pump)，機械幫浦通過幫浦管路16抽真空，底壓(bass pressure)約可抽至4×10-2 托耳(Torr)，腔體15內之壓力可採用一組自動壓力回饋控制器做控制，包含一組真空計和可變閥門。微波產生器17用以產生微波，其產生的微波可藉由波導管(applicator)導入腔體周圍，可再對微波進行調整使其於環狀共振腔中耦合，並透過石英玻璃在腔體中心形成電漿體(plasma body)，另外可在微波產生器周圍佈建一套水冷系統，以冷卻微波產生時伴隨的熱。電源供應器18可提供電子元件所需的電力，例如提供電力給熱電偶溫度計(thermocouple thermometer)，利用熱電偶溫度計來量測基板19或基板19附近的溫度。此外，亦可視製程需要加入一尾氣(residual gas)回收部，以捕捉以副產物形式產生的鹽酸，避免其侵蝕機械幫浦。
本發明使用微波電漿輔助化學氣相沉積系統來製備碳化矽薄膜。在本發明的實施例中，微波源頻率為2.45GHz。微波經過循環器(circulator)之後，透過調整器(如 E-H tuner)改變方向。磁控管會產生TE100模態，由藕合器從腔體四周進入腔體。這個能量把腔體中的氣體游離，轉化成電漿態。
請參閱第2圖，以下將詳述本發明之實施例中碳化矽薄膜的製備過程。
步驟S10：對試片進行清洗。將試片放置在丙酮中以超音波震盪45分鐘，以去除表面油脂和有機物，再將試片以10%氫氟酸水溶液浸泡30秒以去除表面氧化層，之後放入腔體抽真空後，在開始製程前以氫氣電漿轟擊30分鐘以活化表面。
步驟S11：清洗腔體。在此步驟中，通入氬氣和氮氣破真空(venting)。將腔體打開後以異丙醇(IPA)擦拭腔體，清除殘留的粉體，之後以氫氣電漿功率1000W壓力1Torr電磁閥全開的狀況下清洗腔體30分鐘，冷卻後打開腔體再將清洗之後的基板(即試片)放置於載台中間。
步驟S12：抽真空並點燃電漿。關閉腔體後，利用機械幫浦把壓力抽至底壓約為5×10-2 Torr，之後以氫氣和氮氣抽灌(purge)三到五次後再通入氫氣，點燃電漿。
步驟S13：導入微波。當通入的氫氣使腔體氣壓上升至1Torr時，便打開微波源和水冷系統。調整微波源瓦數至1200W，再用反射調整器E-H Tuner把反射率降到最低。
步驟S14：設定製程壓力及溫度。待電漿穩定後，開始提升腔體內壓力最後定在製程設定之壓力。等待載台因電漿受熱而升溫至約400℃(或約500℃)，此時因腔內壓力穩定，載台溫度亦持穩。
步驟S15：導入前驅物。在此步驟中，待步驟S14中氫氣電漿轟擊基板30分鐘，製程溫度穩定後，載台溫度持穩於400℃(或約500℃)時(不另外對基板或載台加熱)， 開啟前驅物瓶的閥門，等待三分鐘後慢慢增加載流氫氣之流量到反應條件後，開始計時待反應持續兩個小時。
步驟S16：薄膜沉積後，取出試片。製程結束後關閉前驅物瓶閥門，待氫氣電漿清洗試片表面15分鐘後，停止氫氣主流(diluting gas flow)，慢慢降低腔體壓力和微波源功率，之後關閉微波源並將腔體充滿氬氣和氮氣。將試片在常溫下冷卻1個小時後取出。
在本發明的實施例中，前驅物的選用可為含氯前驅物和不含氯前驅物。含氯前驅物例如三甲基氯烷、二甲基二氯烷、甲基三氯烷、氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷或其他含Si-Cl鍵之化合物。而不含氯前驅物例如二甲基矽烷、三甲基矽烷、四甲基矽烷或其他含Si-C鍵、Si-CH3 鍵之化合物。
以二甲基二氯烷(dichlorodimethylsilane,DDS)作為前驅物為例，以下表一列出幾組採用的製程參數。
從DDS-a、DDS-b和DDS-c這幾組製程參數來看，僅改變腔內壓力，從光譜分析儀(optical emission spectroscopy,OES)的分析結果可以推測：壓力升高會使得在電漿主體(plasma body)解離產生的自由基與物種，因為碰撞頻率增加而難以到達基板表面形成薄膜，使得成膜速率(deposition rate)下降。而僅改變微波源之功率(見DDS-d、DDS-a和DDS-e)，藉由拉曼光譜的分析比較，可以發現在功率為1400W和1600W時薄膜中碳的相對含量開始上升，因此推測：改變功率主要是改變電漿的解離率，造成自由基與物種濃度的變化，使得與碳相關的自由基相對濃度上升，可能是薄膜中析碳的原因。透過上述實驗，分別對功率和壓力作調變，可以找出最適合成長結晶性碳化矽薄膜的功率和壓力區間。
接著，改變載流氣體流量(見DDS-f、DDS-g和DDS-d)微調電漿中的成長環境觀察成膜品質。由實驗結果可以推知載流氣體流量對於薄膜品質與結構的影響不顯著。但1SCCM時鍍率過慢，僅為約200奈米/小時，而10SCCM時，薄膜表面的粗糙度上升，達20奈米以上，而5SCCM載流氣體流量可作為最佳參數。另外，改變矽基板與電漿中心的距離(見DDS-g、DDS-h和DDS-j)以觀察薄膜的變化，從SEM照片中可以知道隨著基板越來越靠近電漿中心作成長，其平均晶粒直徑以及成長速率都有明顯增加，隨著試片距離電漿接近到30mm，薄膜的結構有序性又比40mm再提升一些，因此推測：隨著距離電漿中心越近，電漿的解離率也越高，也因氣體溫度較接近電子溫度，連帶使得基板附近的溫度較高，造成薄膜的晶粒成長與鍍率(即成膜速率)增加的現象。
下表二顯示出以較佳參數組DDS-j製得的碳化矽薄膜的薄膜特性。
在第3A圖中的歐傑電子能譜儀(auger electron spectroscopy,AES)元素縱深分析僅以強度對縱深作圖，定性描述所製備薄膜為一均勻薄膜，其成分隨深度並沒有顯著改變，薄膜中主要成分為碳、矽和氧。在第3B圖中，X光光電子能譜儀(XPS)測出之矽峰可以知道薄膜中的矽大部分與碳鍵結，且含有少部分矽-矽鍵與矽-氧鍵生成，其可能來自於薄膜中矽的偏析與腔體中的殘氧造成氧進入碳化矽薄膜的結構中。而從第3C圖中XPS電子能譜之碳峰可以知道薄膜中的碳除了與矽鍵結之外還有一部分是碳-碳雙鍵以非晶型碳的形式存在。
以下並列出以四甲基矽烷(tetramethylsilane,TMS)作為前驅物採用的製程參數，見如下表三。
表三
上述的參數組中，TMS-g可製得較佳的碳化矽薄膜，其薄膜特性顯示如下表四。
第4A圖的AES元素縱深分析顯示薄膜成分主要為碳、矽和氧，成分不隨深度變化，為一均勻分佈。從第4B圖的XPS量測可知薄膜中的鍵結狀況與相對含量，結果顯示大部分的矽是與碳做鍵結，鍵結能量在100.2eV，此外還有少量的矽-矽與矽-氧鍵結生成。而從第4C圖的XPS量測可知碳主要與矽鍵結，但有部分是以碳-碳雙鍵的形式存在。
從DDS(如DDS-j)和TMS(如TMS-g)製程製得的碳化矽薄膜可以看出，DDS製程得出的平均晶粒大小為TMS製程的三到五倍，晶粒較大的結果同時意味著晶界比例下降，且DDS-j製得的薄膜有明顯的柱狀結構(columnar-like structure)，而TMS-g製得的薄膜無此結構，且拉曼光譜顯示DDS-j製得的薄膜比TMS-g在碳化矽結晶相方面較為有序，且可發現DDS-j之碳偏析量較TMS-g少。另從X光結晶繞射(XRD)分析圖譜中，可以發現DDS-j製得的3C-SiC在<111>上有優選方向。
從上述結果可推測將含氯前驅物或分子導入製程中有幾個好處，其一是可以使氯強烈與矽鍵結形成較為穩定的中間物(intermediate)，使矽-矽鍵結較不易生成，其二是可以增加製程中的蝕刻作用，抑制二次成核與增強選擇性 成長，使薄膜的結晶性增加，而這些作用也可以進一步使晶粒平均直徑變大，晶界密度下降，而減少在晶界中碳或矽的偏析，故氯的導入在低溫製程中扮演相當重要的角色。
而以不含氯的矽基化合物(如四甲基矽烷)作為前驅物，雖然其製得的薄膜品質不如使用含氯矽基化合物或含氯分子，但四甲基矽烷有容易取得、無毒性、無腐蝕性及對環境友善等優點，為一相當環保的製程，在今日環保意識抬頭的時代潮流下，採用不含氯的矽基化合物作為前驅物可減少對環境產生污染，亦為一可選的選擇。
在本發明的較佳實施例中，以二甲基二氯烷(DDS)作為前驅物，利用微波電漿輔助化學氣相沉積法在不對基板額外加熱的情況下，基板溫度為400℃(較佳為500。℃)時，在矽基板上可得到立方晶系碳化矽薄膜，其平均晶粒大小約為100~150nm，XRD圖譜中<111>方向的峰值半高寬為2θ=0.35度且有優選方向，顯示薄膜具有很好的結晶性。而以四甲基矽烷(TMS)作為前驅物，在不對基板額外加熱的情況下，基板溫度為430℃(較佳為500℃)時，在矽基板上可得到立方晶系碳化矽薄膜，其平均晶粒大小約為50nm(亦可達到50~100nm)，其結晶較為無序，結晶特性及薄膜品質相較於採用DDS製程略差。
綜上，DDS製程得到的薄膜具有較好之結晶性與較大的晶粒，且具有明顯優選方向和薄膜側壁之柱狀結構，而雖然TMS製程得到的薄膜相較於DDS製程結果，其晶粒較小、晶界密度較高，然而TMS製程為較為環保的製程，亦為可選的選擇。
雖然本發明已就較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之變更和潤 飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S10~S16‧‧‧步驟

Claims (12)

  1. 一種碳化矽薄膜的製造方法，包含步驟：(a)利用機械幫浦將腔體內壓力抽至底壓；(b)利用一微波產生器以1200瓦至1400瓦的功率產生微波，使該腔體內形成微波電漿；以及(c)在不對置於該腔體內的一基板額外加熱的情況下，待該微波電漿使該基板升溫，而該基板之溫度持穩於400℃至500℃時，將作為前驅物之含氯矽基化合物及/或含氯分子導入該腔體中，以在該基板上沉積形成立方晶系之碳化矽薄膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中在步驟(c)中，該腔體內的壓力介於5至10托耳。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中步驟(c)包含：以一載流氣體攜載該前驅物，其中該載流氣體之流速介於1至10SCCM。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中在步驟(c)中，該基板與電漿中心的距離介於20至30釐米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中該含氯矽基化合物包含二甲基二氯烷。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中該碳化矽薄膜之平均晶粒大小介於100至150奈米。
  7. 一種碳化矽薄膜的製造方法，包含步驟：(a)利用機械幫浦將腔體內壓力抽至底壓； (b)利用一微波產生器以1200瓦至1400瓦的功率產生微波，使該腔體內形成微波電漿；以及(c)在不對置於該腔體內的一基板額外加熱的情況下，待該微波電漿使該基板升溫，而該基板之溫度持穩於400℃至500℃時，將作為前驅物之矽基化合物及/或含碳及矽之分子導入該腔體中，以在該基板上沉積形成立方晶系之碳化矽薄膜。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中在步驟(c)中，該腔體內的壓力介於5至10托耳。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中步驟(c)包含：以一載流氣體攜載該前驅物，其中該載流氣體之流速為5SCCM。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中在步驟(c)中，該基板與電漿中心的距離介於20至30釐米。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中該含氯矽基化合物包含四甲基矽烷。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之碳化矽薄膜的製造方法，其中該碳化矽薄膜之平均晶粒大小介於50至100奈米。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6944197B2 (ja) 2015-06-04 2021-10-06 カティーバ， インコーポレイテッド 金属表面上のエッチレジストパターンの製造方法
US10907273B2 (en) * 2015-07-23 2021-02-02 The University Of Warwick Growing epitaxial 3C-SiC on single-crystal silicon
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TW202401560A (zh) * 2016-12-12 2024-01-01 美商凱特伊夫公司 蝕刻導電特徵之方法
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EP3514259A1 (en) * 2018-01-18 2019-07-24 Heraeus GMSI LLC Process for manufacturing a silicon carbide coated body
EP3514130A1 (en) 2018-01-18 2019-07-24 Heraeus GMSI LLC Process for manufacturing a silicon carbide coated body
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EP3514127A1 (en) 2018-01-18 2019-07-24 Heraeus GMSI LLC Process for manufacturing a silicon carbide coated body

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW490497B (en) * 1997-12-15 2002-06-11 Canon Kk Method of processing substrate
TW201214524A (en) * 2010-03-31 2012-04-01 Tokyo Electron Ltd Atomic layer deposition of silicon and silicon-containing films

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW490497B (en) * 1997-12-15 2002-06-11 Canon Kk Method of processing substrate
TW201214524A (en) * 2010-03-31 2012-04-01 Tokyo Electron Ltd Atomic layer deposition of silicon and silicon-containing films

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