碳化硅薄膜制備影響因素分析

王 彭

(澳洲國立大學工程學院，澳大利亞堪培拉 ACT0200)

碳化硅薄膜制備影響因素分析

王 彭

(澳洲國立大學工程學院，澳大利亞堪培拉 ACT0200)

碳化硅薄膜因其具有一系列優(yōu)異的特性，被視為制作電子元件的重要材料，性能好、用途廣。高質(zhì)量SiC薄膜的生長，不僅有利于解決自補償問題，而且有利于解決薄膜中存在應力和雜質(zhì)等問題，對SiC薄膜的應用，特別是在微電子器件上的應用尤為關(guān)鍵。因此如何制作高質(zhì)量的碳化硅薄膜是亟待解決的問題。為此，文中從大量試驗中，找出了其主要影響因素;從襯底負偏壓、工作溫度和襯底溫度、工作介質(zhì)、射頻功率、工作氣壓、沉積時間、Gr幾個方面進行分析，得出了制備碳化硅薄膜的影響規(guī)律。

碳化硅薄膜;制備;影響因素

碳化硅薄膜具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強、良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)異的特性，被廣泛應用于光電器件及高頻大功率、高溫電子器件。然而由于其制備條件過于復雜，制約了應用進程。文中經(jīng)過大量的試驗研究，從眾多影響因素中，找出射頻功率、工作氣壓、沉積時間幾個主要因素，分析其對碳化硅薄膜制備的影響，這對提高碳化硅薄膜制備質(zhì)量、加快碳化硅材料的應用進程具有一定意義。

1 SiC晶體與薄膜制備方法

SiC是一種強共價健化合物材料，具有高化學和物理穩(wěn)定性，使其高溫單晶生長和化學及機械處理困難，早期是在高溫條件下制備，結(jié)晶質(zhì)量難以控制，應用程度受到限制，隨著薄膜制備技術(shù)的不斷提高，低溫制備SiC薄膜技術(shù)有了新突破，發(fā)展了多種外延SiC的方法;目前應用于制造器件的SiC材料都是由薄膜制備技術(shù)生長的外延薄膜材料，SiC薄膜制備的方法有:物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)、電子回旋共振(ECR)、脈沖激光沉積(PLD)、反應磁控濺射(RMS)、激光燒結(jié)法、液相外延法(LPE)、分子束外延法(MBE)和各種外延沉積技術(shù)等。

2 制備碳化硅薄膜的影響因素

2.1 襯底負偏壓的影響

在其他條件一定情況下，適當增大襯底負偏壓可降低β－SiC形成的活化能，有利于β－SiC的形成，抑制SiO2和無定形碳形成，且隨著襯底負偏壓的增大，Si2C鍵的數(shù)量增多，而Si－O－Si鍵的數(shù)量減少。這是由于負偏壓增強了到達襯底表面正離子的能量，高能量的粒子沉積到襯底表面，把能量傳遞給表面，導致吸附離子的表面活性增強以及等離子體鞘區(qū)域高能量粒子的碰撞，增強了表面的成核反應，加快了在襯底表面的沉積速率，抑制了氧化物的形成。但在襯底負偏壓過高條件下生成的薄膜會引起SiC薄膜中殘余應力的增大和SiC薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，如Si—C鍵長和鍵角的畸變，會影響SiC薄膜的各種性能，而且過高的襯底偏壓也會降低SiC薄膜的凈生長速率;襯底負偏壓過低不利于薄膜的取向生長，也不能有效地抑制非晶碳以及氧化物等其他雜質(zhì)的生長［16］。

表1 制備SiC薄膜的方法和條件

2.2 工作溫度和襯底溫度的影響

SiC結(jié)合的晶體需要較大的能量才能完成，因此，SiC晶體的制備通常需要較高的溫度，主要是因為其在常壓下不存在液態(tài)相，且Si－C成鍵勢壘較高;在高溫2 500℃以上條件下，結(jié)晶形狀難以控制，易夾雜雜質(zhì)，增加基體溫度有利于強化薄膜表面，靠近大氣的SiC薄膜表面上主要形成SiO2和無定形C，薄膜內(nèi)部則為SiC結(jié)構(gòu)［17］;同理，襯底溫度過高，不僅工藝復雜，且成本高。而過高的溫度易引入雜質(zhì)，產(chǎn)生高的應力和晶格缺陷，也易引起襯底和薄膜組織的變化，降低襯底材料的機械性能，導致襯底材料與膜層材料在較高溫下的互擴散，且在界面處容易形成某些脆性相，削弱薄膜與襯底之間的結(jié)合力。

2.3 工作介質(zhì)的影響

在 CH4、SiH4、H2混合氣體中，降低 CH4濃度有利于減少石墨相，增加甲烷氣體濃度有利于強化薄膜表面，過量的SiH4與CH4的中間分解產(chǎn)物發(fā)生反應，抑制了Si－C鍵的結(jié)合。隨CH4∶SiH4比例的改變，特征吸收峰強度出現(xiàn)較為明顯的變化。當CH4∶SiH4∶H2=5∶1∶50時，由于遠離化學平衡，而不利于Si－C鍵的形成，特征吸收峰強度減弱。當氣體比例為CH4∶SiH4∶H2=3∶3∶50時，薄膜中β－SiC的含量最大，特征吸收峰最強。而氣體比例遠離SiH4/CH4=1時，特征吸收峰的強度減弱，相應于薄膜沉積速率的減慢，Si－C鍵減少。同時在SiH4/CH4=1且相同的工作氣壓下，增大SiH4和CH4的流量，特征吸收峰的強度增大，表明沉積β－SiC薄膜的速率加快［18］。

另一方面，在制備溫度僅為100℃時，仍有大量的氧化物和無定形C存在于薄膜表面;增加基體溫度和增加CH4濃度有利于強化薄膜表面，靠近大氣的SiC薄膜表面上主要形成SiO2和無定形C，薄膜內(nèi)部則為SiC結(jié)構(gòu)。

H可以降低表面擴散的激活能、刻蝕掉弱鍵基團，降低生成膜表面無序網(wǎng)絡成份，提高薄膜的質(zhì)量，由于Si－Si+C－H鍵能高于Si－C+Si－H，高比例的氫氣增加到CH4+SiH4的混合氣體中，阻止了C－C鍵的結(jié)合，使反應粒子中CHn、SiH2濃度下降，而Si－C鍵的濃度增加，微空隙和碳團簇的含量減小，薄膜的網(wǎng)絡行提高，出現(xiàn)有序性;大量H原子存在，可以飽和薄膜表面的懸掛鍵，形成sp3雜化鍵，避免sp2構(gòu)形的形成;大量H原子吸附在懸掛鍵上，在一定的溫度下，從反應基團上脫附，形成不飽合鍵;襯底表面的H起到了表面劑的作用，降低了表面能，在β－SiC薄膜的低溫生長過程中起了決定性的作用。

2.4 射頻功率對制備3C－SiC薄膜的影響

射頻功率在射頻濺射法中是一個重要的工藝參數(shù)，它決定了能否產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。射頻功率的大小直接影響了轟擊靶材離子的能量，從而影響靶材的濺射率。一般來說，射頻功率增大，則轟擊靶材離子的能量增大，增加射頻功率有利于減少石墨相。如果射頻功率過小，入射離子的能量達不到靶材的濺射閾值，就不能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。對一般材料而言，射頻功率密度達到1～2 W/cm2就能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。增大射頻功率會增大氣體的離化率，可以增加等離子體的密度。薄膜的生長速率與射頻功率存在著相關(guān)關(guān)系。射頻功率增大，薄膜的生長速率也隨之增大，直到達到飽和值;射頻功率達到一定值時，如果繼續(xù)增大射頻功率，則沉積原子的反濺射率增強，薄膜的生長速率反而會下降。

增大濺射功率，可以增大Ar離子的能量，高能Ar離子對SiC靶的轟擊導致靶材料中各種化學鍵的斷裂，在SiC靶中的Si－C鍵和Si－O－Si鍵存在于靶表面，通過共價鍵結(jié)合，由于Si、C和O之間電負性存在差異，因而在它們中間也存在離子性成份;O和C的電負性比Si的大，它們與Si結(jié)合時O和C表現(xiàn)為一定的負離子性，而Si則表現(xiàn)為正離子性，因此在O和C周圍形成局域負電場，在Si周圍形成局域正電場。轟擊靶的Ar離子為正離子，因而C和O對Ar離子具有吸引作用，Si對Ar離子具有排斥作用，但O相對Si比C具有更大的負離子性，這樣Ar離子轟擊O的幾率就比轟擊C和Si的幾率大，容易產(chǎn)生選擇性濺射。

總之，加大濺射功率可以減少薄膜中晶態(tài)SiC生長的作用，薄膜的晶化程度，隨著濺射功率的增加而提高。

2.5 工作氣壓對制備3C－SiC薄膜的影響

在射頻功率、沉積時間等條件不變，隨著氣壓增高，入射到襯底上的粒子受到的碰撞更頻繁，粒子撞擊襯底表面的能量減少，同時，粒子在表面的遷移速率降低，在襯底上結(jié)合形成Si－C鍵的機率減少;當工作氣壓達到0.6 Pa時，SiC薄膜主要由β－SiC構(gòu)成。隨著工作氣壓的降低，轟擊襯底表面的荷能粒子的平均自由程增大，從而減少了荷能粒子與其它氣體分子、離子的碰撞幾率，增大了沉積粒子的表面擴散動能，增強了對襯底表面的轟擊效果，使Si－C的結(jié)合和β－SiC成核的幾率相應增大，致使800 cm－1附近的吸收峰增強。

2.6 沉積時間對制備3C－SiC薄膜的影響

選擇在適當沉積溫度下適當延長濺射時間，對制備薄膜的質(zhì)量至關(guān)重要。適當延長沉積時間，由于高能離子能更多地轟擊襯底，可以增加SiC薄膜的厚度，增大沉積原子在襯底表面的擴散范圍，從而增加薄膜中的晶體的形成，有利于SiC的形成和薄膜生長;但在高溫條件下，由于生長速率過快會使薄膜表面粗糙，影響薄膜的質(zhì)量。當沉積時間到60 min時，由于真空室內(nèi)壁吸附氣體的脫附能力增強，氧離子的活性增大，雜質(zhì)氣體中的氧離化后與Si形成SiOΧ，抑制了Si－C鍵形成的量。

2.7 Cr的影響

在制備SiC薄膜過程中，Cr有一定的影響，由于Cr導致Si和C團簇的形成，Cr阻礙了Si—C鍵的結(jié)合;不同的Cr摻雜濃度不會改變SiC薄膜的缺陷結(jié)構(gòu)、缺陷密度和缺陷分布，但會明顯地改變其強度。主要是由于與6 H2SiC有關(guān)的缺陷、Si團簇深埋在SiC陣列中和SiC與石英的界面附近的晶體結(jié)構(gòu)缺陷造成的。

3 結(jié)束語

綜上所述，制備碳化硅薄膜，襯底負偏壓適當增大，有利于β－SiC的形成;工作介質(zhì)氫可以適當通過薄膜質(zhì)量，適當增大SiH4和CH4的流量，可以加快β－SiC薄膜的生成速率;提高工作溫度和襯底溫度，可以提高β－SiC的生成速率，但會影響薄膜結(jié)晶的質(zhì)量;β－SiC結(jié)構(gòu)的含量隨著射頻功率與沉積時間的增大而增加，隨著工作氣壓的減小而增加，表明增加射頻功率、沉積時間和減小工作氣壓，在低溫下有助于β－SiC薄膜的形成。

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Analysis of Factors Influencing Si-C Film Making

WANG Peng
(College of Engineering，Australian National University，Canberra ACT0200，Australia)

Silicon carbide(SiC)is viewed as one of the most promising and the most commercioganic semiconductors and widely utilized in optoelectronic devices.Growth of high quality silicon carbide(SiC)film，which have advantages in effectively solving perplexed problems existing in the film such as the self-compensation，intrinsic stress and impurity，plays a critical role in the application of SiC film，especially the application of microelectronic devices.Hence，the growth of high quality silicon carbide(SiC)film becomes the problem which needs to be solved immediately.For this reason，a lot of experiments have been done to find the contributing factor.This paper analyzes the factors influencing Si-C Film Making from the follow aspects:negative substrate bias，working and substrate temperature，working substance，RF power，operation gas pressure，Gr and the time of deposition.Then the growth rules of making SiC film is found.

SiC film;preparation;interfering factor

TN304.2+5

A

1007－7820(2012)08－082－04

2012-03-16

王彭(1986—)，男，碩士。研究方向:通訊工程。