碳化矽的相關文獻回顧

在 Si 基材上成長鑽石薄膜，經由分析結果可得在界面會有一碳化矽層 存在，且為β-SiC 層。此節將單獨對碳化矽的結構及製程方式作簡單介紹，

會著重於β-SiC 的探討。

2.3.1 碳化矽的分類[22-25]

碳化矽為一個高度共價鍵結的材料，其中離子鍵僅占 12%，其結構由 兩個價數皆為4 的矽與碳所組成，如圖 2-9 所示，每一碳原子周圍連接四個 矽，每一個矽原子周圍連接四個碳，形成閃鋅礦結構，可視為兩組F.C.C 之 晶格結構交錯而成。

碳化矽有超過 200 多種的 Polytype，主要依結構與堆疊排列的差異來區 分，其結構可以六方晶系座標來表示，如圖2-10，大致來說它是由許多最 密堆積平面堆疊而成的，有ABCABCABC….的堆疊方式(形成 3C-SiC,

β-SiC)，也有 ABABAB….如 H.C.P 的堆疊方式等等，表 2-2 列出碳化矽幾 種常見的Polytype 及其命名規則。但在眾多的 Polytype 中因其材料性質、

電性及製程元件的難易，僅有幾種在科技應用方面有所發展，例如：β-SiC、

6H-SiC 及 4H-SiC。

表2-2 碳化矽幾種常見的 Polytype 及其命名規則^[23]

圖2-9 碳化矽之立體結構圖

圖2-10 常見的 SiC Polytype 堆疊方式^[22]

2.3.2 碳化矽的製程方法[4][26-33]

碳化矽目前常見的製程方法為昇華法(Sublimation method)及化學氣相 沉積法(Chemical vapor deposition)。

昇華法基本上是以物理氣相傳送來成長碳化矽塊材。在 1955 年由 Lely 所發展的，當時以Lely 方式成長 α-SiC，尺寸小且形狀不規則，很難應用 在半導體元件上^[26]。1978 年之後，Tairov-Tsvetkov 發展出 modified Lely method，藉由含碳及矽原料的氣相傳送，令其蒸氣直接在腔體內的碳化矽

晶種上成長碳化矽單晶^[27][28]。此法主要在製造4H-SiC 及 6H-SiC 晶片，不 過至今由於技術限制的問題，尺寸大小仍為3 吋，另外其所製作出的 α-SiC 亦容易發生大至數個微米的微管(micropipe)缺陷，會影響到元件的效能^[29]。 化學氣相沉積法，所需的操作溫度較昇華法低很多，亦比昇華法更適 合來成長大面積的碳化矽晶片。以CVD 方式分解 CH₃SiCl₃或是混合 SiH4+C2H2+H2可以得到結晶度較高之β-SiC。由於 3C-SiC 的晶格常數為 4.36Å 與 Si 的晶格常數 5.43Å 之間的晶格不匹配(lattice mismatch)約 20%，

因此無法成功在Si 成長 3C-SiC 磊晶層。直到 1980 年 Nishino 等人^[30]提出 矽原子往外擴散(out-diffusion)因而在 Si/SiC 界面產生孔洞，影響到磊晶的 品質及元件效能^[4]。另外一個問題則是 SiH₄和 C₃H₈裂解溫度的差異(SiH₄ 在500~600℃即可裂解，C₃H₈必須要 1,200℃以上)，這使氣相沉積很難得 到當量組成的SiC 薄膜。研究學者後來改以其他碳氫物種作為碳源欲改善 此問題，如C₂H₂^[31]、CH₄^[32]、CH₃Cl^[33]等等。本論文不以一般SiH₄/C₃H₈-CVD 系統成長3C-SiC 緩衝層(buffer layer)，用意在於希望能夠在微波電漿系統作 成長3C-SiC，接續成長鑽石薄膜，以一機製程為目的。

2.3.3 以 CVD 系統沉積的立方晶碳化矽之形成[4][34-36][79]

除了 2.3.2 節提到的 Hot Filament CVD (HFCVD)利用高溫裂解通入