CN101281862B - 基于氮化铝缓冲层的硅基3c-碳化硅异质外延生长方法 - Google Patents

基于氮化铝缓冲层的硅基3c-碳化硅异质外延生长方法 Download PDF

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Abstract

一种基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将硅衬底进行氢气刻蚀处理；步骤2：通入三甲基铝，进行硅衬底表面铺铝；步骤3：不关断三甲基铝源，通入氨气，进行氮化铝缓冲层生长；步骤4：缓冲层生长结束后，关闭氨气和三甲基铝，在氢气环境中降温至室温，关闭氢气，对生长系统抽真空；步骤5：在氢气环境下升温，通入硅烷和乙烯，进行碳化硅层外延生长，完成异质外延生长。

Description

基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法。
背景技术
碳化硅由于具有宽带隙，高击穿场强，高热导率，高饱和电子漂移速率，极好的物理化学稳定性等，使得其在高温、高频、大功率、抗辐射等应用领域有着得天独厚的优势。而立方相碳化硅(3C-碳化硅)在几种常用的碳化硅晶型中具有相对最高的体电子迁移率(1000cm2V-1S-1)，而且具有各向同性，尤其在制作碳化硅MOSFET器件中有着极大的优势。另一方面，3C-碳化硅可以在硅衬底上外延生长得到，而硅衬底具有极高的晶体质量，大面积且价格低廉，适合大批量生产，由此带来的低成本效益克服了碳化硅同质外延所需衬底价格昂贵的不足；同时又可以与成熟的硅基大规模集成电路工艺相兼容。所以硅基3C-碳化硅异质外延生长成为目前国内外研究的热点。
然而，由于碳化硅和硅之间具有大的晶格失配(20％)和热失配(8％)，在硅上直接外延生长碳化硅会存在大量的失配位错、堆垛层错、线缺陷、孪晶等，影响碳化硅的晶体质量，进一步升高温度也会造成界面处硅原子的外扩散引起界面处空洞的存在。为了解决晶格失配和热失配带来的问题，Nishino在1983年提出了碳化的概念，即先对硅衬底进行碳化处理形成一薄层碳化硅缓冲层，再进行碳化硅外延生长；另外还有尝试采用磷化硼(BP)缓冲层等技术。但是这些方法都没能达到理想的效果，硅上生长的3C-碳化硅的材料质量还远没有达到器件级质量的要求。
氮化铝也是一种宽带隙半导体材料。氮化铝的晶格常数和碳化硅的晶格常数相接近，如AlN(0002)面与3C-SiC(111)面的晶格失配为0.9％，AlN(111)面与3C-SiC(111)面的晶格常数为0.45％。氮化铝的热膨胀系数与碳化硅的相接近。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，本发明采用低压化学气相沉积装置生长氮化铝缓冲层12和碳化硅外延层13。通过三甲基铝、氨气、乙烯和硅烷的气路系统完成了在硅上生长氮化铝缓冲层及其在氮化铝缓冲层上生长碳化硅的步骤。氮化铝缓冲层和碳化硅外延生长在同一设备装置中完成，中间没有暴露大气的过程，避免了氮化铝缓冲层表面氧化和玷污对后续碳化硅外延生长的影响。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将硅衬底进行氢气刻蚀处理；
步骤2：通入三甲基铝，进行硅衬底表面铺铝；
步骤3：不关断三甲基铝源，通入氨气，进行氮化铝缓冲层生长；
步骤4：缓冲层生长结束后，关闭氨气和三甲基铝，在氢气环境中降温至室温，关闭氢气，对生长系统抽真空；
步骤5：在氢气环境下升温，通入硅烷和乙烯，进行碳化硅层外延生长，完成异质外延生长。
其中硅衬底进行氢气刻蚀处理的温度为1100℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时压力为40～100托。
其中三甲基铝的流量为5～20标准毫升/分钟，表面铺铝的时间为10～20秒。
其中氮化铝缓冲层生长时，三甲基铝的流量为5～20标准毫升/分钟，氨气的流量为960～1445标准毫升/分钟。
其中氮化铝缓冲层的生长时间为10～60分钟。
其中在氢气环境下降温至室温，关断氢气，分子泵对生长系统抽真空，时间为1.5～3小时。
其中碳化硅外延层的生长压力为40～100托，生长温度为1200～1350℃，乙烯流量为1.5～6标准毫升/分钟，硅烷流量为0.5～2标准毫升/分钟。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的生长过程示意图，其中氢气刻蚀21、通入三甲基铝(铺铝)22、氮化铝缓冲层生长23、系统抽真空24、碳化硅外延生长25；
图3是本发明的氮化铝缓冲层的X射线θ-20测试结果；
图4是本发明的氮化铝缓冲层上生长的碳化硅外延层的X射线θ-2θ测试结果；
图5是本发明采用氮化铝缓冲层生长的碳化硅(a)和没有采用氮化铝缓冲层生长的碳化硅(b)的拉曼测试结果对比。
具体实施方式
请参阅图1、图2所示，本发明采用一种基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法进行硅衬底上碳化硅的外延生长，包括以下步骤：
衬底11经过标准的RCA方法清洗后放入低压化学气相沉积装置中，在氢气环境中升温进行氢气刻蚀处理，其中所述的衬底材料是硅；所述的将衬底11升温，其温度为1100℃；所述的氢气流量为5～20标准升/分钟；所述的氢气刻蚀压力为40～100托；所述的氢气刻蚀时间为4～6分钟；所述的氢气刻蚀处理衬底11，目的是除去衬底I1表面的氧化层。
通入三甲基铝，其携带气体是氢气，流量是5～20标准毫升/分钟；其中所述的通入三甲基铝的时间是10～20秒，目的是衬底11表面铺铝以防止生长时衬底硅原子的外扩散。
铺铝时间结束后，不关断三甲基铝源，通入氨气，进行氮化铝缓冲层12的生长。其中所述的三甲基铝的流量为5～20标准毫升/分钟，氨气流量为960～1445标准毫升/分钟；其中所述的氮化铝缓冲层的生长温度为1100～1300℃；所述的氮化铝缓冲层12的生长时间为10～60分钟。
氮化铝缓冲层12生长结束后，在氢气的保护下降温至室温并抽真空，其中所述的抽真空的时间为1.5～3小时。
在氢气环境下升温进行3C-碳化硅13的外延生长，其中所述的碳化硅层的生长温度为1200～1350℃；所述的源气体为乙烯(或丙烷)和硅烷；乙烯(或丙烷)的流量为1.5～6标准毫升/分钟，硅烷的流量为0.5～2标准毫升/分钟；所述的生长时压力为40～100托。
生长结束后，关闭硅烷和乙烯(或丙烷)，在氢气环境下降温至室温。
本发明的关键在于采用氮化铝缓冲层来进行硅上3C-碳化硅异质外延生长，同时保证缓冲层氮化铝和外延层碳化硅的生长在同一系统中完成，以避免氮化铝表面污染对后续碳化硅生长的影响。结果表明本发明基于氮化铝缓冲层进行硅上3C-碳化硅的异质外延生长方法可以提高硅上碳化硅外延生长的晶体质量。
实施例
请再结合参阅图1、图2所示。
先将硅衬底11升温至1100℃进行氢气刻蚀处理5分钟，氢气流量为5标准升/分钟，刻蚀时压力为40托。
开启三甲基铝，流量是10标准毫升/分钟，衬底11表面铺铝时间为15s。
15s结束后，不关断三甲基铝源，通入氨气，进行氮化铝缓冲层12生长。其中三甲基铝的流量为10标准毫升/分钟，氨气的流量为1200标准毫升/分钟，生长时间为30分钟。
缓冲层生长结束后，在氢气环境下降温至室温，关闭氢气，对系统抽真空，时间为2小时。
在氢气环境下，压力为40托，升温至1300℃，通入乙烯和硅烷，进行碳化硅层13外延生长。其中乙烯和硅烷的流量分别为4.5标准毫升/分钟和1.5标准毫升/分钟，生长时间为60分钟。
生长结束后，关闭硅烷和乙烯，氢气保护下降温至室温。
对同样条件下生长的氮化铝缓冲层及采用氮化铝缓冲层进行的碳化硅外延生长层进行测试分析，得到的氮化铝层为AlN(0002)高取向生长(图3)；基于氮化铝缓冲层生长的碳化硅为3C-SiC(111)单晶取向生长(图4)；同时采用拉曼测试表征碳化硅外延材料质量，有无氮化铝缓冲层进行的硅上碳化硅外延生长得到的碳化硅的拉曼谱示于图5(a)、图5(b)。

Claims (7)

1.一种基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将硅衬底在氢气环境中升温进行氢气刻蚀处理；
步骤2：通入三甲基铝，进行硅衬底表面铺铝；
步骤3：不关断三甲基铝源，通入氨气，进行氮化铝缓冲层生长；
步骤4：缓冲层生长结束后，关闭氨气和三甲基铝，在氢气环境中降温至室温，关闭氢气，对生长系统抽真空；
步骤5：在氢气环境下升温，通入硅烷和乙烯，进行碳化硅层外延生长，完成异质外延生长。
2.根据权利要求1所述的基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，其中硅衬底进行氢气刻蚀处理的温度为1100℃，氢气流量为5-20标准升/分钟，刻蚀时压力为40-100托。
3.根据权利要求1所述的基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，其中三甲基铝的流量为5-20标准毫升/分钟，表面铺铝的时间为10-20秒。
4.根据权利要求1所述的基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，其中氮化铝缓冲层生长时，三甲基铝的流量为5-20标准毫升/分钟，氨气的流量为960-1445标准毫升/分钟。
5.根据权利要求1所述的基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，其中氮化铝缓冲层的生长时间为10-60分钟。
6.根据权利要求1所述的基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，其中在氢气环境下降温至室温，关断氢气，分子泵对生长系统抽真空，时间为1.5-3小时。
7.根据权利要求1所述的基于氮化铝缓冲层的硅基3C-碳化硅异质外延生长方法，其特征在于，其中碳化硅外延层的生长压力为40-100托，生长温度为1200-1350℃，乙烯流量为1.5-6标准毫升/分钟，硅烷流量为0.5-2标准毫升/分钟。
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