CN101203940B - 碳化硅层的制造方法、氮化镓半导体器件以及硅衬底 - Google Patents
碳化硅层的制造方法、氮化镓半导体器件以及硅衬底 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101203940B CN101203940B CN200680021424XA CN200680021424A CN101203940B CN 101203940 B CN101203940 B CN 101203940B CN 200680021424X A CN200680021424X A CN 200680021424XA CN 200680021424 A CN200680021424 A CN 200680021424A CN 101203940 B CN101203940 B CN 101203940B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- substrate
- layer
- silicon carbide
- irradiation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 95
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 78
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 64
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 60
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 60
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 59
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 9
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title description 20
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 7
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 13
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 13
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 12
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 11
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 95
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 31
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 29
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 9
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 4
- 150000001338 aliphatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000002128 reflection high energy electron diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- -1 hydrocarbon ion Chemical class 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenezinc Chemical compound [Zn]=S WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 4-[4-(4-methoxyphenyl)piperazin-1-yl]aniline Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N1CCN(C=2C=CC(N)=CC=2)CC1 VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010061619 Deformity Diseases 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- SLLGVCUQYRMELA-UHFFFAOYSA-N chlorosilicon Chemical compound Cl[Si] SLLGVCUQYRMELA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000005049 silicon tetrachloride Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N trichlorosilane Chemical compound Cl[SiH](Cl)Cl ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005052 trichlorosilane Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02614—Transformation of metal, e.g. oxidation, nitridation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02447—Silicon carbide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02529—Silicon carbide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
一种在硅衬底的表面上制造碳化硅层的方法，包括以下步骤：用烃基气体和电子束辐照在高真空中在范围为500℃至1050℃的温度下加热的所述硅衬底的表面，以在所述硅衬底表面上形成立方碳化硅层。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是基于35 U.S.C.§111(a)提交的申请，根据35 U.S.C.§119(e)(1)，要求根据35 U.S.C.§111(b)于2005年6月23日提交的临时申请No.60/693,095和2005年6月14日提交的日本专利申请No.2005-173209的优先权。
技术领域
本发明涉及在硅衬底的表面上制造碳化硅层的方法、形成在所述碳化硅层上的氮化镓半导体器件以及包括所述碳化硅层的硅衬底。
背景技术
作为在硅衬底的表面上形成碳化硅(SiC)的技术方法，目前已经知道使用饱和脂肪族烃和四氯化硅的同系物(homologue)作为原材料的化学气相淀积(CVD)方法。例如，一种使用丙烷(C3H8)和三氯硅烷(SiHCl3)作为原材料通过CVD法在Si衬底的表面上生长SiC薄膜的技术(参见例如“Silicon-based Heterodevice”，Seijiro Furukawa&Yoshihito Amamiya，Maruzen Co.，Ltd.，July 30，1992，pp.91-93)。
作为形成碳化硅的更简单的方法，目前已经知道一种使用不饱和烃气例如乙炔(C2H2)来使硅衬底的表面碳化的方法(参见例如刚在上面提到的现有技术)。还已经知道一种通过在保持在10-5Pa的高真空中的分子束外延(MBE)设备内用乙炔气体辐照衬底的表面以便使衬底的表面碳化来形成碳化硅薄膜的方法(参见例如“Journal of Crystal Growth”，T.Ohachiet al.，the Netherlands，Vol.275(1-2)，2005，pp.e1215-e1221)。
但是，在简单地使硅表面碳化的现有技术方法中，不总是在硅衬底的表面上令人满意地均匀地促进碳化。也就是说，不能可靠地形成具有均匀厚度的碳化硅层。这是个问题。硅衬底表面的一部分区域没有被碳化硅层覆盖，而是曝露在空气中。因此，甚至当这样的构成不均匀的层被用作下层(under layer)时，不能产生具有均匀统一的晶形的上层(upper layer)的形成。
立方碳化硅晶体(3C-SiC；晶格常数＝0.436nm)具有与立方氮化镓晶体(GaN；晶格常数＝0.451nm)基本上相同的晶格常数。此外，立方碳化硅的(110)面的晶格间距(＝0.308nm)与六方GaN晶体的a-轴的晶格间距(＝0.318nm)基本上一致。因此，立方碳化硅晶体层可以构成晶格匹配的下层，用于在其上生长立方或者六方氮化镓晶体上层。但是，根据现有技术，如上所述，不可能可靠地形成均匀地覆盖硅衬底的整个表面的碳化硅层。为此，在想要使用晶格匹配优良的碳化硅层作为下层来形成GaN层时，碳化硅层无法构成能够在其上形成具有均匀的结晶特性的III族氮化物半导体层的下层。这也是个问题。
本发明就是考虑到上述问题而提出的。本发明的目的是提供一种通过用包括饱和脂肪族烃或者不饱和烃的气体辐照硅衬底的表面而能够均匀地覆盖所述硅衬底表面的碳化硅层的制造方法，提供一种形成在所述碳化硅层上的氮化镓基半导体器件，以及提供一种包括所述碳化硅层的硅衬底。
发明内容
为实现上述目的，作为本发明的第一方面，本发明提供一种在硅衬底的表面上制造碳化硅层的方法，包括以下步骤：用烃基气体和电子束辐照在高真空中在范围为500℃至1050℃的温度下加热的所述硅衬底的表面，以在所述硅衬底表面上形成立方碳化硅层。
在包括第一方面的本发明的第二方面中，用所述烃基气体辐照的角度和用所述电子束辐照的角度互不相同。
在包括第二方面的本发明的第三方面中，关于相对于所述硅衬底的表面的仰角，用所述烃基气体辐照的角度大于用所述电子束辐照的角度。
在包括第一到第三方面中任一方面的本发明的第四方面中，所述电子束具有范围为150eV至500eV的加速能和范围为1×1011电子·cm-2至5×1013电子·cm-2的密度。
作为本发明的第五方面，还提供一种在根据第一到第四方面中任一方面的方法制造的所述碳化硅层上形成的氮化镓基半导体器件。
作为本发明的第六方面，还提供一种硅衬底，具有形成于其表面上的根据第一到第四方面中任一方面的方法制造的所述碳化硅层。
根据本发明的第一方面，用烃基气体和电子束辐照在高真空中在范围为500℃至1050℃的温度下加热的硅衬底的表面，以在硅衬底表面上形成立方碳化硅层。由于辐照硅衬底表面或者生长碳化硅层的电子束具有抑制堆垛层错(stacking faults)或者双晶(twin crystals)的形成的作用，因此可以稳定地生成高品质的立方碳化硅层，其均匀地覆盖硅衬底表面且有很少结晶缺陷。
特别地，根据本发明的第二方面，其中用烃基气体和电子束以不同的角度辐照衬底表面，可以避免促进硅烃基气体的不必要的分解，且可以防止由于电离碎片(fragment)引起的碳化硅层的结晶性的恶化，从而能够形成品质优等的碳化硅层。
特别地，根据本发明的第三方面，其中关于相对于硅衬底表面的仰角，用烃基气体辐照的角度大于用电子束辐照的角度，可以抑制通过与电子碰撞引起的烃基气体的电离，并且因此可以降低由于烃离子的冲击引起的对碳化硅层的损伤，所以能够形成品质优等的碳化硅层。
特别地，根据本发明的第四方面，其中电子束具有范围为150 eV至500 eV的加速能和范围为1×1011电子·cm-2至5×1013电子·cm-2的密度，可以避免由在高压下被加速而具有高加速能的电子引起的硅衬底表面和碳化硅层的损伤，从而能够使高品质的碳化硅层的结晶性优良。
对于本领域的技术人员而言，本发明的上述和其它目的、特有特征以及优点将通过以下参考附图在此给出的说明而变得显而易见。
附图说明
图1是示意性的说明视图，示出了相对于衬底表面的电子束的辐照角和烃基气体的喷射角。
具体实施方式
立方碳化硅晶体层，特别是根据Ramsdell标记法的3C-碳化硅层(SiC层)，可以被形成为含有具有不同晶面的表面的硅衬底，(参考“ElectricRefractory Materials”，Marcel Decker，Inc.，2000，pp.409-411)。为形成取向在[001]方向的3C-SiC层，使用具有(001)晶面作为其表面的(001)硅作为衬底是有利的。为形成取向在[111]方向的3C-SiC层，使用具有(111)晶面作为其表面的(111)硅作为衬底。
被有利地用于在硅衬底的表面上形成立方碳化硅晶体层的是在低温下分解以产生含碳碎片的气态烃类，例如乙炔(C2H2)。可容易地分解的脂肪族烃类气体通过能够精确地控制微小流速的流速控制装置，比如漏泄阀，被供应到保持在高真空中的MEM设备中。当烃类气体例如乙炔可以沿基本上平行于硅衬底表面的水平方向喷射时，优选以与衬底100的表面100a成30°到90°范围内的仰角α喷射，如图1所示。仰角为90°的方向是与硅衬底100的表面100a垂直的方向。当烃类气体不是水平地、而是以在上述范围内的角度α喷射时，碳化很容易，从而能够在硅衬底的表面上有效地形成立方碳化硅晶体层。
为在硅衬底的表面上形成3C-SiC层，加热硅衬底。加热温度至少超过所使用的烃类气体在小于等于1×10-5Pa的高真空中热分解的温度。通常，最好3C-SiC层形成在被保持在400℃，优选在500℃至1050℃的范围的温度下的硅衬底上。在被保持在超过1050℃的高温的硅衬底上形成3C-SiC层时，由于在它们之间的热膨胀系数的差异，将产生不利的衬底“翘曲(warping)”。
通过除了烃类气体的辐照以外电子束的辐照以在硅衬底的表面上形成3C-SiC层，使得可以形成结晶性优良的3C-SiC层。关于电子束，例如从在真空中加热的金属的表面热发射的电子可以被用来辐照。为有效地产生热离子电子，使用具有小功函数和大发射常数的金属是有利的(参考“BasicPlasma Engineering”(Revised Edition)，Masanori Akasaki，KatsunoriMuraoka，Masao Watanabe和Kenji Hebihara，Sangyo Tosho KabushikiKaisha，March 15，2004，Third Copy，p.23)。为发射具有本发明所描述的密度的电子，例如钨(W)(功函数＝4.54eV，发射常数＝70(参考前面提到的“Basic Plasma Engineering”(Revised Edition)，p.23))是适合应用的。
3C-SiC层被形成在硅衬底的表面上的状况可以从例如反射高能电子衍射(RHEED)装置分析所得的图中观测(参考例如“Thin FilmFabrication Handbook”，Thin Film and Surface Physics Division，TheJapan Society of Applied Physics(Kyoritsu Publishing Kabushiki Kaisha，October 5，1994，First Edition，Second Copy)，p.195)。通过电子束的辐照，可以抑制在3C-SiC层中的堆垛层错或者双晶的产生，使得可以形成品质优等的3C-SiC层，其具有低密度的包括堆垛层错和双晶的晶体缺陷。晶体缺陷的种类和密度可以由例如截面透射电子显微镜(TEM)图像检测。此外，可以形成具有均匀的结晶取向的3C-SiC层。例如，取向可以由例如X射线衍射(XRD)方法的分析手段检测。
如图1所示，电子束辐照的角度β小于烃类气体辐照的角度α。也就是说，电子束以比烃类气体小的与硅衬底表面的仰角辐照。尽管电子束的辐照角可以与烃类气体的辐照角相同或者大于烃类气体的辐照角，但是辐照的电子进入更深，以致于可能损伤在硅衬底表面附近的、构成3C-SiC层的基体(base body)的区域，从而劣化作为基体的晶体的质量。这是不希望的。电子束辐照的理想角β是在与作为标准(水平标准)的硅衬底(Si衬底)的表面成5°到75°的范围内，更优选在10°到45°的范围内的仰角。优选通过转动Si衬底或者偏斜辐照方向，使电子束辐照在Si衬底的基本上整个表面上。
被辐照到Si衬底的表面上的电子是通过向金属、金属氧化物或者金属碳化物材料施加高压产生的。对于允许发射热离子电子的金属，可以采用与电接地的Si衬底之间电势差为负(-)100V，更优选为-150V到-500V的电压。也就是说，被辐照的电子的加速能适合在150eV到500eV的范围内。辐照电子束的时间是否被限定到生长SiC层的最初阶段不重要。尽管辐照可以持续到SiC生长的整个时期，但是长时间的高密度电子束的连续辐照将增加对SiC层的损伤，以致于可能无法稳定地形成结晶性优良的SiC层。
在本发明中规定，辐照到Si衬底表面上的用于形成立方SiC晶体层的电子的密度，作为每单位面积的密度，是在1×1011电子·cm-2到5×1013电子·em-2的范围内。基于在布置在辐照电子前进路径上的金属电极中产生的电流值，可以计算出辐照的电子的密度。通过将电流(A)的测量值除以单位电荷(1,602×1019)库仑(C)/电子)，可以得到辐照密度(电子/cm2)。具有不需要的高能的电子的辐照是不利的，这是因为即使辐照的角度像在本发明中的一样小，对构成用于形成立方SiC晶体层的基体的硅衬底的表面的损伤也是显著的。
当在Si衬底上形成立方SiC晶体层时，除了电子束的辐照和烃类气体的辐照之外，可以采用同时添加调节硅(Si)或者SiC的导电类型的杂质。例如，采用电子束的辐照和添加铝(Al)可以形成p型SiC层。在允许工作电流相对于硅衬底的表面垂直流动的发光二极管(LED)中，例如，通常是使SiC层的导电类型与Si衬底的导电类型一致，以便电连接SiC层和Si衬底。在允许工作电流相对于Si衬底的表面水平(横向)流动的高迁移率场效应晶体管中，例如，可以利用向与形成在高阻抗Si衬底上的SiC层中添加电补偿的杂质而成的高阻抗层。
本发明将结合实例具体描述，其中在将电子束辐照到衬底上时，在(001)硅单晶(硅)衬底上形成立方碳化硅(SiC)层。
将掺磷(P)的Si单晶衬底的(001)面用氟化氢(HF)处理，然后用纯净水冲洗并干燥。将干燥后的衬底在室温下通过大气/真空负载锁机构送进MBE生长设备的生长室中，并在大约1×10-7Pa的高真空中将其加热到1050℃。在几分钟内持续在高温下高真空中对衬底的热处理，(2×2)重排结构的产生用普通RHEED确定。
之后，将Si衬底的温度降低到900℃，保持真空度。在Si衬底的温度稳定之后，将高纯(纯度：99.9999％)乙炔(C2H2)气体以0.2cc/min的流速朝向Si衬底的(001)面喷射(辐照)。由于乙炔气体的喷射，在MBE生长室中的真空度降低到大约5×10-5Pa。乙炔气体以相对于Si衬底的表面60°的仰角进行喷射。将乙炔气体喷射到Si衬底的(001)面持续正好10分钟，以在Si衬底的(001)面上形成碳化硅(SiC)层。由RHEED的图像形状可以确定由此所形成的SiC层为立方闪锌矿晶体(3C-SiC)层。3C-SiC层的表面是与Si衬底的表面相同的(001)晶面。
在形成3C-SiC层中喷射乙炔气体的同时，将电子束以相对于Si衬底的表面15°的仰角辐照在Si衬底的(001)面上。电子是从通过对灯丝的两端施加300V而被加热的电阻钨(W)线圈灯丝发射出来的。根据用设置在电子束的前进路径上的电极测得的电流值为2.4μA的事实，电子束的辐照密度计算为1.5×1013cm-2。在保持密度的条件下，从3C-SiC层的形成开始，电子束被辐照正好三分钟。
接下来，将其上形成有3C-SiC层的Si衬底的温度降低到750℃。然后，通过MBE法在3C-SiC层上生长掺Si的氮化镓层(n型GaN层)。关于氮源，使用由频率为13.56MHz的微波激励的氮等离子中提取的电中性氮基。氮源和镓(Ga)分子束被连续辐照在3C-SiC层的表面上正好2小时。结果，形成1.2μm厚的n型立方闪锌矿GaN层。利用从高纯Si金属产生的Si分子束掺杂Si。GaN层的载流子浓度用普通的电容电压(C-V)表测量，大约为3×1018cm-3。
根据对普通截面TEM图像的观测表明，{111}堆垛层错和{111}双晶的密度减小。特别地，与不使用电子束辐照所形成的3C-SiC层相比，{111}双晶的密度减小到大约1/10。
作为比较例，根据在上述实例中所描述的方法，将经过表面处理的Si单晶衬底输送到MBE生长设备中，使用与在实例中基本相同的真空度和相同的温度条件，但不使用电子束辐照，在Si衬底上形成3C-SiC层。
然后在与上述实例中不同的未使用电子束辐照而形成的3C-SiC层上，根据在实例中的描述生长n型GaN层。然后将其上形成有GaN层的Si衬底在真空中冷却至室温，然后从MBE设备中取出，并通过截面TEM技术观测3C-SiC层的内部晶体结构。
根据截面TEM图像发现，许多平面缺陷存在，尤其存在于(001)Si衬底与3C-SiC层之间的接合区域中。特别地，发现{111}双晶的密度为约2×1012cm-2。这个值比使用电子束辐照生长的实例中的3C-SiC层的高约一个数量级。这证明，在实例中描述的方法是有效的方法，呈现出制造具有小双晶密度的品质优等的3C-SiC层的效果。
量子阱结构的GaN/GaInN发光层和p型AlGaN包覆层被层叠在实例和比较实例中的各个n型GaN层上，并且形成p侧电极和n侧电极，从而制造各包括氮化镓基半导体的发光器件。比较发射强度的结果是，在实例中通过在表面层上层叠多层得到的发光器件的发光强度大于在比较实例中通过在表面层上层叠多层得到的发光器件的发光强度。可以想像得到，在实例中，由于SiC层可以均匀地覆盖Si衬底的表面，所以在整个层叠体中的结晶缺陷被很大程度地减小。
工业适用性
根据本发明，可以稳定地制造高品质的立方碳化硅层，其均匀地覆盖硅衬底的表面并具有很少的结晶缺陷。还可以避免促进烃基气体的不必要的分解，并防止由于电离的碎片引起的碳化硅层的结晶性的劣化，从而可以形成品质优等的碳化硅层。此外还可以抑制烃基气体由于与电子的碰撞引起的电离，因而减少由于烃离子的冲击对碳化硅层的损伤，从而可以形成品质优等的碳化硅层。而且，可以避免由在高电压下被加速至具有高加速能的电子对硅衬底表面和碳化硅层的损伤，从而能够使高品质的碳化硅层的结晶性优良。因此，本发明的立方碳化硅层可有利地适用于氮化镓基半导体器件和硅衬底。
Claims (6)
1.一种在硅衬底的表面上制造碳化硅层的方法，包括以下步骤：
用烃基气体和电子束辐照在高真空中在范围为500℃至1050℃的温度下加热的所述硅衬底的表面，以使所述硅衬底的表面碳化，从而在所述硅衬底表面上形成立方碳化硅层。
2.根据权利要求1的方法，其中用所述烃基气体辐照的角度和用所述电子束辐照的角度互不相同。
3.根据权利要求2的方法，其中关于相对于所述硅衬底的表面的仰角，用所述烃基气体辐照的角度大于用所述电子束辐照的角度。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中所述电子束具有范围为150eV至500eV的加速能和范围为1×1011电子·cm-2至5×1013电子·cm-2的密度。
5.一种在根据权利要求1至4中任一项的方法制造的所述碳化硅层上形成的氮化镓基半导体器件。
6.一种硅衬底，具有形成于其表面上的根据权利要求1至4中任一项的方法制造的所述碳化硅层。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP173209/2005 | 2005-06-14 | ||
| JP2005173209A JP4897244B2 (ja) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | 炭化珪素層製造方法、窒化ガリウム系半導体素子およびシリコン基板 |
| PCT/JP2006/310614 WO2006134765A1 (en) | 2005-06-14 | 2006-05-23 | Method for production of silicon carbide layer, gallium nitride semiconductor device and silicon substrate |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101203940A CN101203940A (zh) | 2008-06-18 |
| CN101203940B true CN101203940B (zh) | 2010-11-03 |
Family
ID=37647208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200680021424XA Expired - Fee Related CN101203940B (zh) | 2005-06-14 | 2006-05-23 | 碳化硅层的制造方法、氮化镓半导体器件以及硅衬底 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4897244B2 (zh) |
| KR (1) | KR100939673B1 (zh) |
| CN (1) | CN101203940B (zh) |
| TW (1) | TWI305935B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2009153857A1 (ja) | 2008-06-17 | 2011-11-24 | 富士通株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP5693946B2 (ja) * | 2010-03-29 | 2015-04-01 | エア・ウォーター株式会社 | 単結晶３Ｃ−ＳｉＣ基板の製造方法 |
| CN109273405B (zh) * | 2017-07-18 | 2021-06-08 | 上海新昇半导体科技有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法、电子装置 |
| TWI730516B (zh) * | 2018-12-12 | 2021-06-11 | 日商闊斯泰股份有限公司 | 氮化物半導體基板以及氮化物半導體裝置 |
| JP7023882B2 (ja) * | 2019-02-04 | 2022-02-22 | 株式会社東芝 | 半導体装置の製造方法、基板の製造方法、半導体装置、基板、及び、基板の製造装置 |
| JP7420108B2 (ja) * | 2021-04-08 | 2024-01-23 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体ウェーハの製造方法 |
| JP7400789B2 (ja) | 2021-10-01 | 2023-12-19 | 信越半導体株式会社 | 窒化物半導体ウェーハの製造方法、及び窒化物半導体ウェーハ |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5492752A (en) * | 1992-12-07 | 1996-02-20 | Oregon Graduate Institute Of Science And Technology | Substrates for the growth of 3C-silicon carbide |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03173418A (ja) * | 1989-12-01 | 1991-07-26 | Nec Corp | 表面改質方法及び表面改質装置 |
| JPH0524999A (ja) * | 1991-07-16 | 1993-02-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 炭化珪素薄膜の製造方法 |
| JP3421672B2 (ja) * | 1998-01-16 | 2003-06-30 | 学校法人立命館 | 結晶性薄膜の製造方法 |
| JP2002093725A (ja) * | 2000-09-20 | 2002-03-29 | Toshiba Corp | 表面処理方法および半導体装置の製造方法 |
| JP5013238B2 (ja) * | 2001-09-11 | 2012-08-29 | 信越半導体株式会社 | 半導体多層構造 |
-
2005
- 2005-06-14 JP JP2005173209A patent/JP4897244B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2006
- 2006-05-23 CN CN200680021424XA patent/CN101203940B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2006-05-23 KR KR1020077030345A patent/KR100939673B1/ko active IP Right Grant
- 2006-06-12 TW TW095120735A patent/TWI305935B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5492752A (en) * | 1992-12-07 | 1996-02-20 | Oregon Graduate Institute Of Science And Technology | Substrates for the growth of 3C-silicon carbide |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JP特开2003-86520A 1999.07.30 |
| JP特开平11-204440A 1999.07.30 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20080012996A (ko) | 2008-02-12 |
| JP4897244B2 (ja) | 2012-03-14 |
| TWI305935B (en) | 2009-02-01 |
| CN101203940A (zh) | 2008-06-18 |
| KR100939673B1 (ko) | 2010-02-03 |
| JP2006351649A (ja) | 2006-12-28 |
| TW200735183A (en) | 2007-09-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101203940B (zh) | 碳化硅层的制造方法、氮化镓半导体器件以及硅衬底 | |
| US9466479B2 (en) | System and process for high-density, low-energy plasma enhanced vapor phase epitaxy | |
| US8043977B2 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device having a group-III nitride superlattice layer on a silicon substrate | |
| WO2012144614A1 (ja) | エピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法 | |
| JP2012169622A (ja) | 薄膜形成のための方法とシステム | |
| US9214336B2 (en) | Method for producing a group III nitride semiconductor | |
| KR20150007350A (ko) | Iii족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법 | |
| US8715414B2 (en) | Process for producing Si(1-v-w-x)CwAlxNv base material, process for producing epitaxial wafer, Si(1-v-w-x)CwAlxNv base material, and epitaxial wafer | |
| Berishev et al. | Field emission properties of GaN films on Si (111) | |
| EP1179621A1 (en) | N-type semiconductor diamond and its fabrication method | |
| US8216367B2 (en) | Method for production of silicon carbide layer, gallium nitride semiconductor device and silicon substrate | |
| EP2296169B1 (en) | Method for manufacturing nitrogen compound semiconductor substrate, nitrogen compound semiconductor substrate, method for manufacturing single crystal sic substrate, and single crystal sic substrate | |
| US20130171811A1 (en) | Method for manufacturing compound semiconductor | |
| US20130105858A1 (en) | PROCESS FOR PRODUCING Si(1-v-w-x)CwAlxNv BASE MATERIAL, PROCESS FOR PRODUCING EPITAXIAL WAFER, Si(1-v-w-x)CwAlxNv BASE MATERIAL, AND EPITAXIAL WAFER | |
| Gong et al. | Growth and characterization of GaN and AlN films on (1 1 1) and (0 0 1) Si substrates | |
| TW202118884A (zh) | 積層膜結構體、半導體元件、電子設備、及積層膜結構體的製造方法 | |
| JP4549573B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物薄膜の形成方法 | |
| Sato et al. | Morphologies and photoluminescence properties of GaN‐based thin films grown on non‐single‐crystalline substrates | |
| Kim et al. | Growth and characterization of GaN on sapphire (0001) using plasma‐assisted ionized source beam epitaxy | |
| US20240158954A1 (en) | Multilayer film structure and method for producing same | |
| EP4321659A1 (en) | Multilayer film structure and production method therefor | |
| JP4413558B2 (ja) | ウルツ鉱型ｉｉｉ−ｖ族窒化物薄膜結晶の製造法 | |
| Sung et al. | Chemical-beam deposition of GaN films on Si (111) from diethylazidogallium methylhydrazine adduct | |
| AU2012202511B2 (en) | System and Process for High-Density, Low-Energy Plasma Enhanced Vapor Phase Epitaxy | |
| Komae et al. | Epitaxial growth of GaN films by pulse-mode hot-mesh chemical vapor deposition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101103 |