[發明專利]一種優化的在硅襯底上外延生長β-碳化硅薄膜的方法

有效

• 申請號: 201510398440.1
• 申請日: 2015-07-08
• 公開（公告）號: CN105140102B
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 趙志飛;李赟;朱志明
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

本發明涉及一種優化的在硅襯底上化學氣相沉積生長高質量β?碳化硅薄膜的方法。本方法采用非常低的碳化壓力通入大流量丙烷碳化形成高質量的碳化硅緩沖層。然后保持大流量的氫氣氣氛，以較低速率生長一層薄的β?碳化硅薄，再加入一個刻蝕過程來降低缺陷和提高晶體質量，最后以高速率生長得到高質量β?碳化硅薄膜。外延過程中使用純硅烷和純丙烷作為生長源，氫氣作為載氣。外延碳化硅生長源流量和外延生長時間根據外延層結構設定，當外延層厚度較厚時在高速率生長過程中間加入一個短的刻蝕過程。采用本方法可以獲得高質量的β?碳化硅薄膜。本發明方法工藝簡單易行、成本低廉，具有重要應用價值。

技術領域

本發明涉及的是一種優化的在硅襯底上外延生長高質量β-碳化硅薄膜的方法，屬于半導體材料技術領域。

背景技術

碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料，與硅相比具有獨特的物理性能和電學性能，具有擊穿電場強度大、高電子飽和漂移速率、高電子遷移率、高熱導率、高熔點、抗輻射能力強和化學穩定性好等優點，從而在制作工作在高溫、高壓、高速、高頻及強輻射等極端條件下的電子器件上有十分廣闊的應用前景。相對于同質外延的其它SiC晶型，β-碳化硅（3C-SiC）具有相對高的電子遷移率、高的飽和電子漂移速度，由于其可以在硅（Si）上外延生長，從而具備制作大面積器件、與成熟的Si器件工藝兼容和低成本的優勢。另外，異質外延的SiC還可作為在Si襯底上生長氮化鎵、石墨烯和其他相關其它相關新材料的緩沖層。所以，Si襯底上3C-SiC的異質外延引起了人們的廣泛關注。然而由于異質外延過程中存在因襯底與外延層之間熱膨脹系數和晶格常數失配的問題，造成外延薄膜中存在巨大的失配位錯和應力，使得在Si襯底上異質外延的3C-SiC薄膜的晶體質量下降。因此，在Si襯底上制備高質量3C-SiC薄膜是實現Si基SiC器件實際應用的關鍵。

目前，為了得到制作碳化硅器件所需的高質量3C-SiC外延薄膜，常用工藝是碳化形成碳化硅緩沖層而后再外延生長。即外延生長3C-SiC薄膜之前通常通過通入碳源將Si襯底碳化，生成一層極薄的SiC緩沖層，再在此緩沖層基礎上外延生長3C-SiC薄膜。盡管如此，由于通過碳化得到緩沖層質量問題使得隨后的外延不是完美的同質外延，得到的3C-SiC薄膜晶體質量仍然不能夠滿足Si基SiC器件的實際應用的要求。另外，現有文獻及專利報道的方法主要針對設備改造、復雜的前處理和常規工藝參數優化等方面，大都存在工藝復雜、較厚外延層晶體質量不佳或者成本較高等問題。本方法首先采用非常低的碳化壓力通入丙烷（C₃H₈）碳化形成高質量的碳化硅緩沖層。在生長時保持一個大的氫氣（H₂）流量氣氛，首先以較低速率在上述高質量緩沖層上生長一層薄的β-碳化硅薄，之后加入一個刻蝕過程來降低缺陷和提高晶體質量，隨后以高速率生長得到高質量β-碳化硅薄膜。該制備方法工藝簡單易行、成本低廉，具有重大應用價值。

發明內容

本發明針對由于較大的晶格失配和熱失配導致的難以在硅襯底上異質外延高質量β-碳化硅薄膜的問題，提出了一種基于化學氣相沉積（CVD）設備的在硅襯底上制備β-碳化硅薄膜的工藝簡單的外延方法，其目的旨在通過工藝優化有效提高外延薄膜的晶體質量。本發明通過在非常低的碳化壓力下通入大流量丙烷（C₃H₈）碳化形成高質量的碳化硅緩沖層和在生長時保持一個大流量氫氣（H₂）氣氛，結合原位刻蝕得到高質量碳化硅緩沖層，并使得隨后的外延生長過程中無二次成核，完全為臺階流模式生長，有效地提高了外延薄膜的晶體質量。另外，通過低速生長緩沖層、刻蝕和高速生長外延層

的工藝步驟，進一步提高了薄膜晶體質量。

本發明的技術解決方案，包括如下工藝步驟：

（1）襯底準備：選取Si襯底，并對其進行標準清洗待用；