在si襯底上化學(xué)汽相沉積大面積優(yōu)質(zhì)3c-sic薄膜★new

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1、!QQ一一一一一．一墨查墨全璺里堡基叢塋盔金墊造塞基在Si襯底上化學(xué)汽相沉積大面積優(yōu)質(zhì)3C—SiC薄膜★陶長(zhǎng)遠(yuǎn)劉達(dá)清【南開(kāi)大學(xué)物理系天津300071)陶鵑(中國(guó)空間技術(shù)研究院503所北京100081)文摘：在國(guó)內(nèi)，本文首次報(bào)道在si襯底上，采用化學(xué)汽相沉積技術(shù)生長(zhǎng)出直徑達(dá)中30ram的大面積優(yōu)質(zhì)3C·SiC單晶薄膜，表面光亮如鏡，其(111)面的X射線衍射峰(2e=35．6。)半高寬<0．4。．室溫付里葉變換紅外透射譜特征吸收峰(794．7cm。)強(qiáng)，且狹窄尖銳，二者充分表明了晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)異，緞份單一．文章還指出適當(dāng)稠

2、整生長(zhǎng)條件可以基本消除界面處的晶格畸變．主題詞：化學(xué)汽相沉積．Si村底3C．SiC單晶薄膜1、引言SiC之所以被推崇為制備工作在極端條件下微電子器件的理想材料是匿為．睡：i)繁帶亮度寬：2)電子遷移奎和飽和漂移速度高；3)臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大：4)熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及抗輻射能力高．最近研究表明它除了可以作為硅上外延金剛石薄膜的緩沖層外由于不僅其品『本結(jié)構(gòu)．對(duì)稱類型與GaN相同，而且在至今所有常用襯底中笆的晶杞常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與CaN最為糨近，加之上引幾點(diǎn)突出陀能．還可能成為最理想的討辰材料．這使得人們對(duì)SiC的研究

3、熱情更加高漲，成為當(dāng)前最熱門的新型半導(dǎo)沭材荊之?．阻由于難干獲馭單晶SiC而妨礙了材料的廣泛應(yīng)用．因而尋：蠢理坦的生長(zhǎng)途徑足人們最為艾心的問(wèn)題．在170余種同質(zhì)異形體中，3C—SiC最為穩(wěn)定，同si一樣均屬立方晶系，而且同為閃鋅礦結(jié)構(gòu)．加之能夠在低干硅熔點(diǎn)的溫度下外延生長(zhǎng)，這地以硅為襯底實(shí)現(xiàn)低缺陷密度的★863高技術(shù)項(xiàng)目資助課題J隨鯉顯幽盞幽生鯉雌一．地異質(zhì)外延生長(zhǎng)成為可能，采用這條技術(shù)途徑還可以把SiC的潛在優(yōu)勢(shì)與成熟的Si工藝技術(shù)充分結(jié)合起來(lái)，且可能利用優(yōu)質(zhì)大直徑Si襯底生長(zhǎng)大面積的SiC薄膜，基于這些原因，以S

4、i為襯底外延3C．SiC的研究最早開(kāi)展起來(lái)，特別是日本京郡大學(xué)的松波等人發(fā)現(xiàn)在碳化的Si表面上采用化學(xué)汽相沉積【CV—D)能耍萇碩游j}瑁a3e．s匯薄膜后的十多‘?閘迅速發(fā)展成為通用的生長(zhǎng)技術(shù)．本文報(bào)道了在SiC襯底上采用CVD技術(shù)外延生長(zhǎng)3C．SiC的部分研究結(jié)果．在國(guó)內(nèi)首次長(zhǎng)出直徑為中中30ram的大面積的優(yōu)質(zhì)3C．SiC單晶薄膜．2、實(shí)驗(yàn)1)薄膜生長(zhǎng)：，本研究采用的CVD生長(zhǎng)裝置如圖一所示，臥式水冷石英管內(nèi)徑為050mm，采用石墨高頻感應(yīng)方式加熱．源氣為用H2稀釋的SiH一和A．稀釋的CH4，其純度均高于99

5、99％．載氣為經(jīng)鈀合金H2純化器純化的高純1-12，其純度高于999999％．氣體流量用質(zhì)量流量計(jì)控制．出水fakH2SiH4酉JCVD生長(zhǎng)裝置原理圉襯底采用的是P型單晶硅片，直徑為中30mm，生長(zhǎng)面為(111)，用氫氟酸，氟化銨和去離子水混合溶液漂洗，烘干后即裝入石英反應(yīng)管中待用．整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程如圖2所示，大致可以分為三個(gè)階段：(1)凈化：★室溫下，把反應(yīng)系統(tǒng)柚至高真空，然后通H2沖洗，并按此步驟反復(fù)數(shù)次．!!!一——————J睦壁刨啦泌塑瞼巡監(jiān)★將H2流量調(diào)整到1于卜，分左右，把襯底加熱至1t00—1200℃后引人

6、HCI(約lO毫升，分)數(shù)分鐘，以得到經(jīng)輕微腐蝕后的新硅面·(2)碳化室溫下通人由H2攜帶的源氣CH4(0．I—。IrnV貧")，待流量穩(wěn)定后迅速升溫至1350℃左右以碳化si襯底表面，時(shí)間由要求碳化程度而定·(3)生長(zhǎng)碳化完畢后關(guān)閉cm，將溫度降至生長(zhǎng)溫度后再通人適當(dāng)流量比的H2·SIH4，cH4混合氣體進(jìn)行外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在1200。C以上．生長(zhǎng)速率大約為3微米份·時(shí)間圈2典型的CVD生長(zhǎng)3C·SiC流程圖2)檢測(cè)采用x射線衍射譜、室溫富里葉變換紅外(FTIR)透射譜等技術(shù)對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)行分析．3、結(jié)

7、果與討論原生的5C—SC／si異質(zhì)結(jié)外延片(近照如圖3所示)直徑達(dá)o30ram，表面光亮如鏡，在強(qiáng)光下看不出薄膜所具色調(diào)．但在弱光下卻能看出呈淡黃色，并帶有金屬光澤，可見(jiàn)其透明性．一般來(lái)說(shuō)，薄膜愈厚則顏色愈深，具體厚度由金相顯微鏡檢測(cè)．毯贈(zèng)典型的x射線衍射譜如圖4所示，除si中僅在2O=356。處有強(qiáng)度很大的衍射峰，(111)面的衍射蜂(20=28．5。)外、譜經(jīng)計(jì)算和查對(duì)卡片縟知屬于3C-SiC(1“)面，可見(jiàn)外延生長(zhǎng)的薄膜是3C·SiC，而且呈單晶態(tài)。另外，從衍射峰平滑的走勢(shì)和尖銳的峰值可以推斷該薄膜結(jié)晶性能十分

8、優(yōu)異．與此同時(shí)我們還注意到Si(1l1)峰也較平滑面無(wú)尖齒，且半高寬與si襯底相比元明顯展開(kāi)，由此不難看出界面處硅襯底側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)基本保持了其完好性．：o喜r-?！簂。1。：’’；r’’’’‘2?！畉：：‘?！?㈠㈠‘口雹4優(yōu)質(zhì)3C．SiC／Si異質(zhì)結(jié)外延片的X射線衍射譜!塑一——————毒退筍劍煎醴攔趔盟圖5示出同一樣品的室溫FTIR透