一种优化的在硅衬底上外延生长β-碳化硅薄膜的方法

技术领域

本发明涉及的是一种优化的在硅衬底上外延生长高质量β-碳化硅薄膜的方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，与硅相比具有独特的物理性能和电学性能，具有击穿电场强度大、高电子饱和漂移速率、高电子迁移率、高热导率、高熔点、抗辐射能力强和化学稳定性好等优点，从而在制作工作在高温、高压、高速、高频及强辐射等极端条件下的电子器件上有十分广阔的应用前景。相对于同质外延的其它SiC晶型，β-碳化硅（3C-SiC）具有相对高的电子迁移率、高的饱和电子漂移速度，由于其可以在硅（Si）上外延生长，从而具备制作大面积器件、与成熟的Si器件工艺兼容和低成本的优势。另外，异质外延的SiC还可作为在Si衬底上生长氮化镓、石墨烯和其他相关其它相关新材料的缓冲层。所以，Si衬底上3C-SiC的异质外延引起了人们的广泛关注。然而由于异质外延过程中存在因衬底与外延层之间热膨胀系数和晶格常数失配的问题，造成外延薄膜中存在巨大的失配位错和应力，使得在Si衬底上异质外延的3C-SiC薄膜的晶体质量下降。因此，在Si衬底上制备高质量3C-SiC薄膜是实现Si基SiC器件实际应用的关键。

目前，为了得到制作碳化硅器件所需的高质量3C-SiC外延薄膜，常用工艺是碳化形成碳化硅缓冲层而后再外延生长。即外延生长3C-SiC薄膜之前通常通过通入碳源将Si衬底碳化，生成一层极薄的SiC缓冲层，再在此缓冲层基础上外延生长3C-SiC薄膜。尽管如此，由于通过碳化得到缓冲层质量问题使得随后的外延不是完美的同质外延，得到的3C-SiC薄膜晶体质量仍然不能够满足Si基SiC器件的实际应用的要求。另外，现有文献及专利报道的方法主要针对设备改造、复杂的前处理和常规工艺参数优化等方面，大都存在工艺复杂、较厚外延层晶体质量不佳或者成本较高等问题。本方法首先采用非常低的碳化压力通入丙烷（C₃H₈）碳化形成高质量的碳化硅缓冲层。在生长时保持一个大的氢气（H₂）流量气氛，首先以较低速率在上述高质量缓冲层上生长一层薄的β-碳化硅薄，之后加入一个刻蚀过程来降低缺陷和提高晶体质量，随后以高速率生长得到高质量β-碳化硅薄膜。该制备方法工艺简单易行、成本低廉，具有重大应用价值。

发明内容

本发明针对由于较大的晶格失配和热失配导致的难以在硅衬底上异质外延高质量β-碳化硅薄膜的问题，提出了一种基于化学气相沉积（CVD）设备的在硅衬底上制备β-碳化硅薄膜的工艺简单的外延方法，其目的旨在通过工艺优化有效提高外延薄膜的晶体质量。本发明通过在非常低的碳化压力下通入大流量丙烷（C₃H₈）碳化形成高质量的碳化硅缓冲层和在生长时保持一个大流量氢气（H₂）气氛，结合原位刻蚀得到高质量碳化硅缓冲层，并使得随后的外延生长过程中无二次成核，完全为台阶流模式生长，有效地提高了外延薄膜的晶体质量。另外，通过低速生长缓冲层、刻蚀和高速生长外延层

的工艺步骤，进一步提高了薄膜晶体质量。

本发明的技术解决方案，包括如下工艺步骤：

（1）衬底准备：选取Si衬底，并对其进行标准清洗待用；

（2）生长前处理：使用氢气（H₂）原位刻蚀对衬底进行生长前表面预处理，H₂的流量为60～90L/min，反应室压力为80～200mbar，温度为900～1100℃，处理时间为5～15min；

（3）碳化过程：当温度升至1100～1250℃时开始通入40～80ml/min丙烷（C₃H₈），反应室压力为50～80mbar，开始碳化，碳化时间为2～10min；

（4）第一次生长：当温度升至1250～1350℃时开始生长碳化硅薄膜，生长源为硅烷（SiH₄）和C₃H₈，流量分别为5～10ml/min和5～10ml/min，载气H₂的流量为90～150L/min，生长压力为80～200mbar，生长时间为5～30min；

（5）原位刻蚀：使用H₂对第一次生长的外延片进行表面原位刻蚀，H₂的流量为90～150L/min，反应室压力为80～200mbar，刻蚀温度为生长温度，刻蚀时间为5～20min；

（6）第二次生长：保持生长温度和压力不变，提高生长源SiH₄和C₃H₈流量分别至15～50ml/min和15～50ml/min，开始高速外延碳化硅薄膜，生长时间由外延层厚度决定。

本发明的优点：是一种在价格低廉并广泛使用的Si衬底上制备β-碳化硅薄膜的新方法，通过在非常低的碳化压力下通入丙烷（C₃H₈）碳化形成高质量的碳化硅缓冲层，同时通过生长时大的流量氢气气氛来提高晶体质量。另外，通过低速生长缓冲层、刻蚀和高速生长外延层的工艺过程来进一步地提高晶体质量，最终在Si衬底上成功制备了高质量3C-SiC薄膜。方法成本低廉并简单易行，外延工艺重复性和一致性好，外延薄膜质量高。

附图说明

图1是本发明制备的5μm厚β-碳化硅薄膜的X射线衍射谱图。

图2是本发明制备的5μm厚β-碳化硅薄膜的X射线摇摆曲线谱图。

具体实施方式

实施例1，实施例2，实施例3；

一种优化的在硅衬底上外延生长高质量β-碳化硅薄膜的方法，包括如下工艺步骤：

（1）衬底准备：选取Si衬底，并对其进行标准清洗待用；

（2）生长前处理：使用氢气H₂原位刻蚀对衬底进行生长前表面预处理，H₂的流量分别为60/min，75L/min，90L/min；反应室压力分别为80mbar，100mbar，200mbar；温度为分别为900℃，1000℃，1100℃；处理时间分别为5min，10min，15min；

（3）碳化过程：当温度升至1100℃时，1200℃时，1250℃时开始通入40ml/min丙烷C₃H₈，70ml/min丙烷C₃H₈，100ml/min丙烷C₃H₈；反应室压力为50mbar，65mbar，80mbar；开始碳化，碳化时间为2min，6min，10min；

（4）第一次生长：当温度升至1250℃时开始生长碳化硅薄膜，1300℃时开始生长碳化硅薄膜，1350℃时开始生长碳化硅薄膜，生长源为硅烷SiH₄和C₃H₈，其中硅烷SiH₄流量为5ml/min，7ml/min，10ml/min；C₃H₈流量为5ml/min，7ml/min，10ml/min；载气H₂的流量为90L/min，120L/min，150L/min；生长压力为80mbar，140mbar，200mbar；生长时间为5min，18min，30min；

（5）原位刻蚀：使用H₂对第一次生长的外延片进行表面原位刻蚀，H₂的流量为90L/min，120L/min，150L/min；反应室压力为80mbar，140mbar，200mbar；刻蚀温度为生长温度，刻蚀时间为5min，14min，20min；

（6）第二次生长：保持生长温度和压力不变，提高生长源SiH₄和C₃H₈流量，其中SiH₄流量至15ml/min，34ml/min，50ml/min；C₃H₈流量至15ml/min，34ml/min，50ml/min；开始外延碳化硅薄膜，生长时间由外延层厚度决定。

所述Si衬底包含但不限于Si(100)和Si(111)晶向衬底，且包括2～8英寸尺寸的P型、N型和高阻Si衬底。

所述生长前处理是为了去除衬底表面氧化层和沾污，其氢气流量既要保证能够去除氧化层又要不能过处理。

所述碳化过程通过在低碳化压力下通入40～100ml/min的大流量C₃H₈得到高质量碳化硅缓冲层。

所述第一次生长和第二次生长过程中通过通入大流量氢气实现进一步提高晶体质量。

所述第一次外延生长通过分别为5～10ml/min的小流量SiH₄和C₃H₈流量以及高碳硅比，实现低速高质量外延生长，形成一层0.1～0.6μm厚的高质量β-碳化硅缓冲层。

所述第一次外延生长之后的原位刻蚀，可以减少表面缺陷，提高后续外延层晶体质量。

所述第二次生长通过提高SiH₄和C₃H₈流量及较第一次外延低的碳硅比，在前述缓冲层上实现5～25μm/h的高速高质量外延生长，生长温度和压力与第一次生长相同，根据外延需要可实现厚度1～50μm范围内精确可控。

所述第一次生长和第二次生长过程中使用的碳硅比分别为3:1～6:1和2:1～4:1。

用此方法获得的β-碳化硅薄膜，光学显微镜下观察可知，该外延薄膜表面平整光亮。对本发明实施例获得的样品进行测试分析。图1是本发明制备的5μm厚β-碳化硅薄膜的射线衍射谱图，XRD测试显示此时外延薄膜只存在3C-SiC(111)峰，不存在其它SiC峰，说明获得的β-碳化硅薄膜为择优取向多晶薄膜或者单晶薄膜。图2是本发明制备的5μm厚β-碳化硅薄膜的X射线摇摆曲线谱图，其XRD半峰宽为0.44°，说明用此方法获得的β-碳化硅薄膜晶体质量很高。上述结果表明本发明可以在CVD设备中制备高质量的β-碳化硅薄膜。且本发明简单易行，涉及的外延工艺重复性和一致性好，适合规模生产。

以上制作实例为本发明的一般实施方案，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。