[發明專利]一種硅襯底上3C碳化硅材料外延生長方法

在審

• 申請號: 202210963178.0
• 申請日: 2022-08-11
• 公開（公告）號: CN116487443A
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 汪之涵;和巍巍;喻雙柏
• 申請（專利權）人: 基本半導體（南京）有限公司
• 主分類號: H01L29/872
• 分類號: H01L29/872;H01L29/04;H01L21/329
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙) 44312
• 代理人: 趙勝寶

本發明公開了一種硅襯底上3C碳化硅材料外延生長方法，選擇商業化的硅襯底并清洗；在硅襯底正面涂覆光刻膠，經光刻、顯影、堅膜后刻蝕以形成刻蝕道；沉積SiO2填充刻蝕道，并使晶片表面平坦化；使用H2氣體高溫刻蝕硅襯底結構表面，去除晶片表面損傷層；在外延爐中通入H2氣體為載氣，并通入碳源氣體，對襯底表面進行碳化；在外延爐中通入H2氣體為載氣，通入硅源氣體、碳源氣體及摻雜氣體，并在高溫下反應生成3C碳化硅。本發明相比于傳統的4H碳化硅同質外延，在外延生長前預先在硅襯底上形成應力釋放結構，降低了外延生長過程中由于晶格失配及熱膨脹失配帶來的缺陷、孔洞和碎片等問題。

技術領域

本發明屬于半導體材料生長技術領域，具體涉及一種硅襯底上3C碳化硅材料外延生長方法。

背景技術

碳化硅材料具有高擊穿電壓，高熱導率等一系列優勢，成為高壓大功率電力電子器件材料的首選。受限于昂貴的4H碳化硅襯底價格，商業化的碳化硅器件價格較為昂貴，限制了其應用范圍。

3C碳化硅是唯一能夠在硅襯底上外延生長的碳化硅材料，這一優勢使得大規模3C碳化硅基功率器件具有極低的成本。3C碳化硅是一種具有立方晶型的碳化硅晶體，其與4H碳化硅有接近的物理特性，僅擊穿電場和禁帶寬度稍低。同時立方晶型的碳化硅相對于4H等六方晶型的碳化硅材料，晶格損傷也更容易修復，使其器件工藝中，可采用更低的溫度，降低了工藝成本。硅襯底上3C碳化硅材料可以用于制備3C碳化硅JBS器件，3C碳化硅MOSFET器件等，應用在消費級市場中，大幅降低器件的價格。

3C碳化硅材料與硅襯底材料的晶格失配較大，達到了20％，同時熱膨脹失配也達到了8％，因此3C碳化硅材料的外延生長最主要的問題是晶格失配和熱膨脹失配帶來的應力問題，隨著厚膜外延生長，應力不斷被積累，導致缺陷晶型的產生或在外延過程中產生孔洞，同時內部應力有可能造成硅襯底上3C碳化硅外延過程中出現碎片。因此，硅材料上外延生長碳化硅的關鍵是釋放晶格失配和熱膨脹失配帶來的應力問題。

發明內容

本發明提出了一種在硅襯底上3C碳化硅材料外延生長方法，利用外延生長前預先在硅襯底上形成應力釋放結構，以降低外延生長過程中由于晶格失配及熱膨脹失配帶來的缺陷、孔洞和碎片等問題。

一種硅襯底上3C碳化硅材料外延生長方法，包含以下步驟：

S1、選擇商業化的硅襯底，進行RCA清洗；

S2、在硅襯底正面涂覆光刻膠，經光刻、顯影、堅膜后，刻蝕硅襯底，以在硅襯底上形成刻蝕道；

S3、在上述所形成的硅圖形化襯底的表面沉積SiO2，以填充所述刻蝕道，并進行化學機械剖光，使晶片表面平坦化；

S4、使用H2氣體高溫刻蝕硅襯底結構表面，以去除晶片表面損傷層；

S5、在外延爐中通入H2氣體為載氣，并通入碳源氣體，對襯底表面進行碳化；

S6、在外延爐中通入H2氣體為載氣，通入硅源氣體、碳源氣體及摻雜氣體，并在1200℃以上進行反應，以在硅襯底上反應生成3C碳化硅。

進一步地，在步驟S2中光刻時可選擇擬制備器件的劃片道光刻版，刻蝕氣體選擇CF4、CHF3、C3F6或C4F8氣體，刻蝕深度為1μm至10μm。

進一步地，步驟S3中所沉積SiO2的薄膜厚度大于步驟S2中刻蝕道的深度。

進一步地，在步驟S4中，H2氣體在1250℃下對硅襯底表面進行刻蝕，H2氣體流量為10slm至30slm。

進一步地，在步驟S5中，所述碳源氣體可選CH4、C2H4或C3H6，流量為10sccm以下。

進一步地，在步驟S6中，所述硅源氣體可選SiH4、SiH2Cl2或SiHCl3，所述碳源氣體可選CH4、C2H4或C3H6，所述摻雜氣體可選擇NH3、N2或TMA。