碳化硅薄膜制備影響因素分析

王 彭

(澳洲國(guó)立大學(xué)工程學(xué)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(guó)立大學(xué)工程學(xué)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(zhǎng)，不僅有利于解決自補(bǔ)償問(wèn)題，而且有利于解決薄膜中存在應(yīng)力和雜質(zhì)等問(wèn)題，對(duì)SiC薄膜的應(yīng)用，特別是在微電子器件上的應(yīng)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(wèn)題。為此，文中從大量試驗(yàn)中，找出了其主要影響因素;從襯底負(fù)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(shí)間、Gr幾個(gè)方面進(jìn)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(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異的特性，被廣泛應(yīng)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(guò)于復(fù)雜，制約了應(yīng)用進(jìn)程。文中經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，從眾多影響因素中，找出射頻功率、工作氣壓、沉積時(shí)間幾個(gè)主要因素，分析其對(duì)碳化硅薄膜制備的影響，這對(duì)提高碳化硅薄膜制備質(zhì)量、加快碳化硅材料的應(yīng)用進(jìn)程具有一定意義。

1 SiC晶體與薄膜制備方法

SiC是一種強(qiáng)共價(jià)健化合物材料，具有高化學(xué)和物理穩(wěn)定性，使其高溫單晶生長(zhǎng)和化學(xué)及機(jī)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(yīng)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(yīng)用于制造器件的SiC材料都是由薄膜制備技術(shù)生長(zhǎng)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(xué)氣相沉積(CVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、電子回旋共振(ECR)、脈沖激光沉積(PLD)、反應(yīng)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(fù)偏壓的影響

在其他條件一定情況下，適當(dāng)增大襯底負(fù)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(wú)定形碳形成，且隨著襯底負(fù)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(fù)偏壓增強(qiáng)了到達(dá)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(dǎo)致吸附離子的表面活性增強(qiáng)以及等離子體鞘區(qū)域高能量粒子的碰撞，增強(qiáng)了表面的成核反應(yīng)，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(fù)偏壓過(guò)高條件下生成的薄膜會(huì)引起SiC薄膜中殘余應(yīng)力的增大和SiC薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，如Si—C鍵長(zhǎng)和鍵角的畸變，會(huì)影響SiC薄膜的各種性能，而且過(guò)高的襯底偏壓也會(huì)降低SiC薄膜的凈生長(zhǎng)速率;襯底負(fù)偏壓過(guò)低不利于薄膜的取向生長(zhǎng)，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(zhǎng)［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?yàn)槠湓诔合虏淮嬖谝簯B(tài)相，且Si－C成鍵勢(shì)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(qiáng)化薄膜表面，靠近大氣的SiC薄膜表面上主要形成SiO2和無(wú)定形C，薄膜內(nèi)部則為SiC結(jié)構(gòu)［17］;同理，襯底溫度過(guò)高，不僅工藝復(fù)雜，且成本高。而過(guò)高的溫度易引入雜質(zhì)，產(chǎn)生高的應(yīng)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(jī)械性能，導(dǎo)致襯底材料與膜層材料在較高溫下的互擴(kuò)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(qiáng)化薄膜表面，過(guò)量的SiH4與CH4的中間分解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，抑制了Si－C鍵的結(jié)合。隨CH4∶SiH4比例的改變，特征吸收峰強(qiáng)度出現(xiàn)較為明顯的變化。當(dāng)CH4∶SiH4∶H2=5∶1∶50時(shí)，由于遠(yuǎn)離化學(xué)平衡，而不利于Si－C鍵的形成，特征吸收峰強(qiáng)度減弱。當(dāng)氣體比例為CH4∶SiH4∶H2=3∶3∶50時(shí)，薄膜中β－SiC的含量最大，特征吸收峰最強(qiáng)。而氣體比例遠(yuǎn)離SiH4/CH4=1時(shí)，特征吸收峰的強(qiáng)度減弱，相應(yīng)于薄膜沉積速率的減慢，Si－C鍵減少。同時(shí)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(qiáng)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(shí)，仍有大量的氧化物和無(wú)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(qiáng)化薄膜表面，靠近大氣的SiC薄膜表面上主要形成SiO2和無(wú)定形C，薄膜內(nèi)部則為SiC結(jié)構(gòu)。

H可以降低表面擴(kuò)散的激活能、刻蝕掉弱鍵基團(tuán)，降低生成膜表面無(wú)序網(wǎng)絡(luò)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(yīng)粒子中CHn、SiH2濃度下降，而Si－C鍵的濃度增加，微空隙和碳團(tuán)簇的含量減小，薄膜的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)基團(tuán)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(zhǎng)過(guò)程中起了決定性的作用。

2.4 射頻功率對(duì)制備3C－SiC薄膜的影響

射頻功率在射頻濺射法中是一個(gè)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(lái)說(shuō)，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(guò)小，入射離子的能量達(dá)不到靶材的濺射閾值，就不能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。對(duì)一般材料而言，射頻功率密度達(dá)到1～2 W/cm2就能產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。增大射頻功率會(huì)增大氣體的離化率，可以增加等離子體的密度。薄膜的生長(zhǎng)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(zhǎng)速率也隨之增大，直到達(dá)到飽和值;射頻功率達(dá)到一定值時(shí)，如果繼續(xù)增大射頻功率，則沉積原子的反濺射率增強(qiáng)，薄膜的生長(zhǎng)速率反而會(huì)下降。

增大濺射功率，可以增大Ar離子的能量，高能Ar離子對(duì)SiC靶的轟擊導(dǎo)致靶材料中各種化學(xué)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(guò)共價(jià)鍵結(jié)合，由于Si、C和O之間電負(fù)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(fù)性比Si的大，它們與Si結(jié)合時(shí)O和C表現(xiàn)為一定的負(fù)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(fù)電場(chǎng)，在Si周圍形成局域正電場(chǎng)。轟擊靶的Ar離子為正離子，因而C和O對(duì)Ar離子具有吸引作用，Si對(duì)Ar離子具有排斥作用，但O相對(duì)Si比C具有更大的負(fù)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(zhǎng)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(duì)制備3C－SiC薄膜的影響

在射頻功率、沉積時(shí)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(shí)，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(jī)率減少;當(dāng)工作氣壓達(dá)到0.6 Pa時(shí)，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(kuò)散動(dòng)能，增強(qiáng)了對(duì)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(yīng)增大，致使800 cm－1附近的吸收峰增強(qiáng)。

2.6 沉積時(shí)間對(duì)制備3C－SiC薄膜的影響

選擇在適當(dāng)沉積溫度下適當(dāng)延長(zhǎng)濺射時(shí)間，對(duì)制備薄膜的質(zhì)量至關(guān)重要。適當(dāng)延長(zhǎng)沉積時(shí)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(kuò)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(zhǎng);但在高溫條件下，由于生長(zhǎng)速率過(guò)快會(huì)使薄膜表面粗糙，影響薄膜的質(zhì)量。當(dāng)沉積時(shí)間到60 min時(shí)，由于真空室內(nèi)壁吸附氣體的脫附能力增強(qiáng)，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(guò)程中，Cr有一定的影響，由于Cr導(dǎo)致Si和C團(tuán)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(huì)改變SiC薄膜的缺陷結(jié)構(gòu)、缺陷密度和缺陷分布，但會(huì)明顯地改變其強(qiáng)度。主要是由于與6 H2SiC有關(guān)的缺陷、Si團(tuán)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(yǔ)

綜上所述，制備碳化硅薄膜，襯底負(fù)偏壓適當(dāng)增大，有利于β－SiC的形成;工作介質(zhì)氫可以適當(dāng)通過(guò)薄膜質(zhì)量，適當(dāng)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(huì)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(shí)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(shí)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。