2021-05-28 10:34:03 Park帕克原子力显微镜
Si(111)衬底上异质外延生长3C-SiC的动力学表面粗糙化
和晶圆弯曲控制
随着半导体集成电路的不断发展,集成电路的特征尺寸也越来越小。更低的表面粗糙度,更好的结晶度和更小的弯曲度是晶圆制造工艺的必须条件。
研究表明GaN和Si之间的化学惰性3C-SiC薄层不仅有助于避免“回熔”效应,而且还可以抑制生长的GaN层中产生裂纹。GaN层的质量在很大程度上取决于可用3C-SiC / Si模板的独特性能。Li Wang, Glenn Walker, Jessica Chai, Alan lacopi, Alanna Fernandes & Sima Dimitrijev在Nature发表的文章中设计了影响粗糙度,晶体质量和晶圆弯曲度的参数,以获得适用于后续GaN生长和器件加工的高质量,低粗糙度的3C-SiC / Si模板。该文章于2015年10月21日发表在Nature I Scientific reports(Wang, L. et al. Kinetic surface roughening and wafer bow control in heteroepitaxial growth of 3C-SiC on Si(111) substrates. Sci. Rep. 5, 15423; doi: 10.1038/srep15423 (2015)).
本文研究了生长温度和基片切角对3C-SiC粗糙度,晶体质量和晶圆弯曲的影响。 对于在轴向Si上生长的SiC,发现SiC表面粗糙度随厚度增加。 相反,沉积在离轴Si上的SiC具有恒定的表面粗糙度,与膜厚无关,这与逐步生长模式所期望的一致。 根据表面形貌和粗糙度演变特征,提出了3C-SiC的生长粗糙机制。 此外,通过调节沉积在Si晶片的两侧上的SiC厚度,可以获得凹凸的晶片弓。
在本文针对粗糙度的研究中,实验设备使用了Park NX20 原子力显微镜(AFM),在非接触模式的条件下,对5μm×5μm的区域中测量生长的3C-SiC的均方根(RMS)粗糙度。SiC RMS粗糙度对厚度的依赖性如下图1(a,b)所示 ,以对数-对数比例显示,并且通过线性回归计算比例指数。 在1000°C下生长的SiC的粗糙度随SiC厚度的急剧增加,与轴上晶圆(β= 0.94)相比,离轴晶圆(β= 0.71)的结垢指数较小。
如下图1(a)所示,离轴Si上较密的台阶有助于平滑过程,因为在相邻衬底上台阶流的生长得到了增强,这导致β值小于轴上晶圆的β值。 当生长温度升高到1200°C时,发现在4°离轴Si衬底上生长的SiC的定标指数β大约达到零(如下图1(b)所示 ),饱和RMS粗糙度为3.99± 0.2纳米 重要的是要注意,这种粗糙度的大部分是从在1000°C下沉积的〜100 nm SiC继承的(在β= 0的特定情况下,粗糙度可能受初始成核条件的支配)。 当温度从1000°C升高到1200°C时,对于轴上和离轴晶片,该〜100 nm SiC的RMS粗糙度分别从小于2 nm增大到〜3.61 nm和3.81 nm。 将来,将探索诸如调整生长温度和使用更薄的SiC膜的技术,以减小该SiC阻挡层的粗糙度。
图1. RMS粗糙度对SiC厚度的依赖性的对数与对数标度图
下图2 (离轴)和下图3 (轴上)显示了在1200°C下生长的SiC的AFM顶视表面形态。对于离轴晶片,它们表明SiC的生长以稳定的步进流动模式进行,这意味着吸附的原子具有足够的扩散能以到达台阶边缘,从而获得了良好的控制横向生长。作为比较,当生长温度从1000℃升高到1200°C时,轴上晶圆的缩放指数β从0.94降低到0.49,但随着膜厚的增加,粗糙度仍然显着增加(RMS粗糙度从6.31增加在约362 nm的厚度下为±0.2 nm;在约550 nm的厚度下为9.60±0.3 nm;在约1000 nm的厚度下为10.61±0.3 nm)。 畴的尺寸( 图3所示的AFM俯视图 )随着厚度的增加而增加,表明畴的横向合并,但是3D增长仍然占主导地位,这是由于相对于其较大的平台宽度而言,表面扩散能量不足所致。 轴上550 nm的SiC(〜9.60 nm的RMS粗糙度)比另一组在1220°C的相似温度下生长的SiC光滑(〜500 nm的3C-SiC的RMS粗糙度大于18 nm) 11 ,但比在1350°C的较高温度下生长的SiC更为粗糙(〜500 nm的RMS粗糙度为2.9 nm) 17 ,表明升高的温度有助于SiC沉积过程中的平滑过程。
图2. 在1200°C下于4°离轴Si(111)上生长的SiC(111)的AFM顶视形态不同厚度:
( a )365±5 nm,( b )556±10 nm,( c )1000±15 nm,
扫描面积为5μm×5μm,RMS粗糙度值恒定为3.99±0.2 nm。
图3. 在1200°C的Si(111)轴上生长的SiC(111)的AFM顶视形态不同厚度:
( a )365±5 nm(RMS粗糙度为6.31±0.3 nm),( b )556±10 nm(RMS粗糙度为9.60±0.3 nm),( c )1000±15 nm(RMS粗糙度为10.61±0.3 nm)
扫描面积为5μm×5μm
该研究使用了Park NX20原子力显微镜设备完成。Park NX20是用于故障分析和大型样品研究的纳米计量工具
- 对样品和基片进行表面粗糙度测量
- 缺陷检查成像与分析
- 高分辨率电子扫描模式
- 业内领先的三维结构测量的解耦XY扫描系统
- 低噪声Z探测器可精确测量原子力显微镜表面形貌
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