蓝宝石氮化铝衬底上SiC外延薄膜的X射线衍射分析

1、III蓝宝石/氮化铝衬底上SiC外延薄膜的X射线衍射分析III彭军 朱作云 贾护军杨银堂郑有用 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 单品薄膜.关键词：蓝宝石/氮化铝复合衬底；X射线衍射；品格失配中图分类号：TN304.24文献标识码：A文章编号：1001-2400(2000)02-0186-04Analysis of the SiC

2、thin film epitaxy on the sapphire/AlN compoundsubstrate by X-ray diffractionPENG Jun ZHU Zuo-yun JIA Hu-jun YANG Yin-tang(Research Inst. of Microelectronics, Xidian Univ., Xian 710071, China)ZHENG Ybu-dou(Nanjing Univ., Nanjing 210093, China)GUO Zhen-qi(Northwest Univ., Xian 710069, China)Abstract:

3、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

4、 methods of X-ray diffraction. Measurement results show that single crystal 6H-SiC thin films can be successfully grown on these compound substrates.Key Words: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

5、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m，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、微挛晶等多种结构缺陷，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(a-Al2O3)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.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

6、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单品薄膜的困难很大.Al

7、N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(101。Q.cm)，不会降低蓝宝石的绝缘质量；AlN 的带隙很宽(6.2eV)，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.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

8、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单品薄膜.在淀积缓冲层之前，先对蓝宝石单品衬底用HSO : H PO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H气流中3，4 150C的温度下热处 2 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NH，淀积厚度为60150 nm.淀积有AlN缓冲层的蓝宝石衬底呈无色状.3用APCVD方法外延生长SiC薄膜时，源物质为Si

9、H4和C3%，史为输运气体.首 先在史中对晶片进行高温处理，除去表面沾污及氧化层，随后在1 2001 400C 温度下通入C3H8和SiH4生长SiC薄膜.3结果分析 84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薄膜的结品性质，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品面的衍射角20上，样品装在仪 0器配置的旋转试样台上，样品在以0扫描(可在0到20之间)的同时，又绕宏

10、观 表面的法线方向旋转.这样晶面的法线就有两次通过水平面的时候.当通过水平 面时，衍射线必然在水平面内，并且0扫描过程中有可能补偿了该晶面与宏观表 面的空间偏离角.当晶面角度严格满足布拉格公式时，马上出现衍射峰；而当角 度稍微偏离时，则衍射峰消失.对不同偏离角的晶粒细节情况也可以通过扫描图 呈现出来.采用旋转定向法得出的该样品的衍射图见图2.图2采用旋转定向法扫描得出的谱线图2中当0大约为15。的时候单品的衍射峰开始明显出现，它显示衍射峰为 不连续的谱线.因为对于单品体，只有品面严格满足布拉格公式时才会出现衍射 极大值，否则应该是完全消光的，这样造成了单品衍射谱线的线状结构.这幅谱 线表明，外

11、延生长出的SiC薄膜为单品.为了精确确认SiC薄膜的品型，采用四晶衍射分析.四晶衍射分析使用 Philips多晶多衍射高分辨率材料分析用衍射仪X，pert MRD PW 3040.用单品扫 描法对同一样品进行扫描，得到的图谱见图3. TOC o 1-5 h z Ii J ,，.叫1jgf4；M他w图3样品的四晶衍射图分析表明，35.472 1出现的衍射峰是6H-SiC(0006)峰，与之几乎重合的 35.549 4 处是六方 AlN(0002)峰.在75.077 1 和76.398 6 分别发现了 6H-SiC(000，12)和六方AlN(0004)对称衍射峰，进一步证实了 SiC薄膜为单品六

12、 方结构，AlN缓冲层也为单品六方结构.在41.713 0，90.759 3处极强的衍 射峰则是单品态a -Al O (0006)面和(000，12)面的对称衍射峰.X射线衍射谱中还疫现微弱的3C-SiC的衍射峰；样品的旋转品向法扫描图中， 在出现了明显的单晶特征谱线的同时，底部还有少量多晶的谱线；四晶衍射中较 宽的SiC谱线都表明结品质量还有待进一步提高.通过对复合衬底/SiC结构的晶格匹配的理论分析发现(见图4)，蓝宝石C面 /六方AlN(0001)/6H-SiC(0001)3层结构的晶格失配分别为1.0%和2.06%，显然， 这样小的晶格失配有利于SiC单晶薄膜在蓝宝石/AlN复合衬底上

13、生长.图4 蓝宝石C面/六方AlN（0001）/6H-SiC（0001）晶格匹配图4结 论在蓝宝石C面衬底上用MOCVD方法制备AlN缓冲层形成复合衬底，用APCVD 方法在其上可以外延生长出SiC薄膜.对蓝宝石/AlN/SiC结构的分析表明，这种 生长薄膜为六方结构的6H-SiC单晶体，AlN缓冲层也是六方单晶结构.致谢衷心感谢南京大学物理系、西北大学分析测试研究中心、中科院西安光机所的支 持与帮助.（编辑：郭华）基金项目：国防科技预研基金资助项目（97J8.3.2）作者简介：彭军（1943-）,男，副教授.作者单位：彭军（西安电子科技大学 微电子所 陕西西安710071）朱作云（西安电子科技大学微电子所 陕西西安710071）贾护军（西安电子科技大学微电子所 陕西西安710071）杨银堂（西安电子科技大学微电子所 陕西西安710071）郑有用（南京大学物理系 江苏南京210093）郭振琪（西北大学 分析测试研究中心 陕西 西安710069）参考文献：朱作云，李跃进，杨银堂等.SiC/Si异质生长研究口.西安电子科技大 学学报，1997，24(1)： 122125.Sywe B S, Yu Z J, Burckhard S, et al. Epitaxial Growth of SiC on Sapphire Substrates with an AlN Buffer