蓝宝石氮化铝衬底上SiC外延薄膜的X射线衍射分析

蓝宝石/氮化铝衬底上SiC外延薄膜的X射线衍射分析

彭军朱作云贾护军杨银堂郑有炓郭振琪

摘要：介绍了在蓝宝石/氮化铝复合衬底上外延生长碳化硅薄膜材料的工艺技术．通过在蓝宝石衬底上预淀积一层薄的氮化铝缓冲层使碳化硅薄膜的成核和黏附性得到很大的改善．用多种X光衍射方法对生长在蓝宝石/氮化铝复合衬底上的碳化硅薄膜的结构进行了分析，结果表明，可在这种衬底上成功地生长出6H-SiC 单晶薄膜．

关键词：蓝宝石/氮化铝复合衬底；X射线衍射；晶格失配

中图分类号：TN304.24文献标识码：A

文章编号：1001-2400(2000)02-0186-04

Analysis of the SiC thin film epitaxy on the sapphire/AlN compound

substrate by X-ray diffraction

PENG Jun ZHU Zuo-yun JIA Hu-jun Y ANG Yin-tang

(Research Inst. of Microelectronics, Xidian Univ., Xi′an710071，China）

ZHENG Y ou-dou

（Nanjing Univ., Nanjing210093，China）

GUO Zhen-qi

（Northwest Univ., Xi′an710069，China)

Abstract:The AlN coated sapphire has been developed as a compound substrate for SiC thin film epitaxy. By predepositing a thin AlN buffer layer, the nucleation and adherence of the SiC film are greatly improved. Structures of the thin films grown on the sapphire/AlN compound substrates are analyzed by varied methods of X-ray diffraction. Measurement results show that single crystal 6H-SiC thin films can be successfully grown on these compound substrates.

Key W ords:sapphire/AlN compound substrate；X-ray diffraction；lattice mismatch 碳化硅(SiC)是一种适于高温、高频、大功率电子学的新一代宽带隙半导体材料．SiC单晶薄膜可以通过同质外延或异质外延的方法获得．异质外延生长可分为两种结构形式：一种是在硅衬底上生长SiC薄膜，目前已经能够在硅衬底上生长出单结晶的SiC薄膜［1］，但是由于硅与SiC的晶格失配以及热膨胀系数失配很大(分别为20％和8％)，生长薄膜中存在热应力及反相边界、堆垛层错、位错、微孪晶等多种结构缺陷，严重影响了SiC晶体管、集成电路

的电学特性．另一种形式是采用蓝宝石(α-Al

2O

3

)作为衬底材料，在其上生长SiC薄膜，但是

它需要先在蓝宝石衬底上淀积与SiC有良好晶格匹配的缓冲层材料，然后外延生长SiC薄膜，从而提高SiC外延层的结晶质量［2］．

1 衬底材料

蓝宝石是一种性能优良的绝缘材料，它的禁带宽度大(常温下约10 eV)，熔点高，硬度大，致密性好．它的化学性质稳定，除了能够被硝酸和硫酸的热混合液缓慢腐蚀之外，几乎不与其他酸发生反应．

蓝宝石作为一种生长半导体薄膜的衬底材料在工艺上已经比较成

熟．Silicon-on-Sapphire结构就是以蓝宝石为衬底材料，在其上外延生长硅单晶薄膜作为制作器件的活性区．它的漏电流和寄生电容极小，抗辐射性能好．因

此，无论从工艺的可行性还是从器件应用角度考虑蓝宝石也应该成为异质外延SiC 薄膜良好的衬底材料．

但是，在蓝宝石上直接生长SiC薄膜时不易成核，而且黏附性不好；蓝宝石与SiC之间还存在较大的晶格失配(9％～15％)．因此，直接在蓝宝石衬底上外延生长高质量的SiC单晶薄膜的困难很大．

AlN晶体与SiC一样具有结构多型特点，它也有闪锌矿和纤维锌矿结构．AlN 材料热导率高，高温及化学稳定性好，绝缘性能好．AlN晶体与SiC之间的晶格失配很小(只有1％)，与SiC的热膨胀系数也极为接近．此外，AlN与SiC之间的黏附性也很好，生长出的SiC薄膜不易脱落，因此选用它作为生长碳化硅的衬底缓冲层是合适的．纯AlN是高阻的(1010Ω.cm)，不会降低蓝宝石的绝缘质量；AlN 的带隙很宽(6.2 eV)，它对紫外光是透明的，因此作为缓冲层不会妨碍SiC在短波光电器件方面的应用［3］．

笔者对以蓝宝石/AlN为复合衬底，在其上外延生长出的SiC薄膜，通过多种X光衍射分析方法对其结构进行了分析．

2 工艺实验

采用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)方法，在蓝宝石(0001)C面上淀积AlN缓冲层．采用常压化学气相淀积(APCVD)方法，在淀积有缓冲层的蓝宝石／AlN 复合衬底上异质外延生长SiC单晶薄膜．

在淀积缓冲层之前，先对蓝宝石单晶衬底用H2SO4∶H3PO4为3∶1的腐蚀液进行腐蚀处理12 min，用去离子水冲洗后烘干．并在H2气流中，1 150℃的温度下热处理10 min，除去表面损伤．

淀积AlN缓冲层时的源物质为三甲基铝(TMA)和NH3，淀积厚度为60～150 nm．淀积有AlN缓冲层的蓝宝石衬底呈无色状．

用APCVD方法外延生长SiC薄膜时，源物质为SiH4和C3H8，H2为输运气体．首先在H2中对晶片进行高温处理，除去表面沾污及氧化层，随后在1 200～1 400℃温度下通入C3H8和SiH4生长SiC薄膜．

3 结果分析

首先进行X光衍射的一般分析．使用日本理学D/MAX-3C X射线衍射仪，Cu 靶Ka，管压为40 kV，管流为40 mA．生长薄膜样品的X光衍射图谱见图1．一般分析表明生长层为SiC薄膜．

图1 样品的X射线衍射图

为了进一步分析生成的SiC薄膜的结晶性质，用同一设备对样品进行了旋转定向测试．这种分析方法是将探头固定在某一晶面的衍射角2θ0上，样品装在仪