CN101440481A - 氧化硅上制备低阻碳化硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在氧化硅上制备低阻碳化硅的方法。本发明主要包括：(1)在衬底上生长氧化硅层；(2)在氧化硅上采用低压化学气相沉积方法生长碳化硅。碳化硅生长采用乙烯(或丙烷)和硅烷作为源气体，优化生长条件得到良好形貌的碳化硅层。同时采用原位掺杂的方法降低碳化硅的电学电阻，N型掺杂源气体为氨气或氮气，P型掺杂源气体为硼烷或三甲基铝。采用优化的生长条件在氧化硅上获得低阻且表面平整光滑的碳化硅膜层。该发明的材料结构可以用于微纳机械系统(MEMS和NEMS)中。碳化硅作为MEMS结构材料层，其优越的性能使得器件可以应用于高温以及抗腐蚀等恶劣环境中；碳化硅高的杨氏模量可以大大提高谐振器及滤波器的谐振频率，应用于射频通信系统中。

Description

氧化硅上制备低阻碳化硅的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种氧化硅上制备低阻碳化硅的方法。

背景技术

碳化硅具有宽带隙，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，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。碳化硅优越的性能使其在微(纳)机械系统(MEMS和NEMS)中有着潜在的应用价值，尤其是对于应用于极端或恶劣环境中(高温、高压、强腐蚀性等)的MEMS器件。由于硅具有大尺寸，高的晶体质量，成本低等优点，硅基MEMS器件一度成为研究的热点并逐渐达到应用领域，但是硅基器件不能承受高的工作温度(低于250℃)。新型材料碳化硅可以突破这些限制，并且高的热导率可以解决高温应用中的散热问题。碳化硅具有较高的杨氏模量，高的声学速率 $v=\sqrt{E/\mathrm{\ρ}}$ 应用于无线通信系统中的射频元件(谐振器和滤波器)可以提高谐振频率，增加频率选择性。

碳化硅可以在多种衬底上生长得到。氧化硅上生长碳化硅是碳化硅应用于MEMS最有效的技术。氧化硅作为MEMS器件制作工艺中的牺牲层，MEMS器件悬空结构和衬底之间的距离可以靠调整氧化硅层的厚度灵活设计。氧化硅上生长碳化硅可以在较低温度下实现，大大降低膜层的热应力，从而增加器件的有效性。

氧化硅上制备碳化硅应用于MEMS器件，一是需要解决生长温度问题，高的生长温度造成膜层的热应力过大；二是需要得到良好表面形貌的碳化硅膜层，适用于MEMS器件制作工艺；三是生长的碳化硅需要有良好的导电性，通过掺杂技术可以得到低阻碳化硅膜层。低压化学气相沉积是生长碳化硅有效的技术，优化生长条件可以实现较低温度下的碳化硅生长，并且表面形貌良好，同时可以采用生长时在源气体中添加掺杂剂的方法来实现原位N型或P型掺杂，得到低阻碳化硅膜层。

本发明采用低压化学气相沉积装置在氧化硅上制备碳化硅膜，同时采用原位掺杂方法，得到表面形貌良好的低阻碳化硅膜，为研制碳化硅MEMS器件提供了一项有意义的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧化硅上制备低阻碳化硅的方法。

本发明的技术解决方案：首先在衬底11上制备氧化硅层12，采用等离子体增强化学气相沉积方法，高温氧化方法，常压化学气相沉积方法或低压化学气相沉积方法；氧化硅层厚度根据需要可调。然后采用一种低压化学气相沉积装置在氧化硅12上制备碳化硅层13，采用原位掺杂技术获得低阻碳化硅膜。

本发明的机理和技术特点：氧化硅上制备低阻碳化硅是碳化硅这一新型材料应用于MEMS领域的一项重要技术。氧化硅可以在多种衬底上制作，其方法可以采用等离子体增强化学气相沉积方法，高温氧化方法，常压化学气相沉积方法或低压化学气相沉积方法。这些方法得到的氧化硅表面平整且厚度可调。采用低压化学气相沉积方法在氧化硅上生长碳化硅可以在较低温度下实现，低温淀积碳化硅可以减小膜层中的热应力；生长采用的源气体为乙烯(或丙烷)和硅烷，优化气体流量参数可以得到剂量比的碳化硅生长，从而避免硅过剩造成的表面粗糙化问题；原位掺杂是得到低阻碳化硅最直接有效的方法，掺杂采用N型或P型掺杂，N型掺杂采用氨气或氮气，P型掺杂采用硼烷或三甲基铝，其中合适的流量控制是达到有效掺杂的关键技术。

采用本发明提出的方法制作的膜层结构可以很好的应用于碳化硅MEMS器件中，提高碳化硅MEMS器件性能，并显著扩大MEMS器件的应用领域。

附图说明

图1是本发明的氧化硅上制备的低阻碳化硅的结构示意图；

图2a是本发明的氧化硅上制备的低阻碳化硅的横断面结构的扫描电镜图；图2b是本发明的氧化硅上制备的低阻碳化硅膜表面形貌的扫描电镜图；

图3是本发明的氧化硅上制备的低阻碳化硅膜的X射线衍射测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，包括以下步骤：

在衬底11上生长氧化硅12，生长方法采用等离子体增强化学气相沉积方法，高温氧化方法，常压化学气相沉积方法或低压化学气相沉积方法。氧化硅的厚度根据实验条件和器件需要来确定。

将生长氧化硅层的衬底放入低压化学气相沉积装置中，在氢气环境中升温进行碳化硅13生长，温度为1000～1250℃，通入源气体为乙烯(或丙烷)和硅烷。乙烯或丙烷流量为1.5～6标准毫升/分钟，硅烷流量为0.5～2标准毫升/分钟，反应室压力为5000～15000帕。在生长的同时通入掺杂气体进行原位掺杂，N型掺杂为氨气或氮气，P型掺杂为硼烷或三甲基铝，氨气或氮气流量为0.1～1标准毫升/分钟，硼烷或三甲基铝流量为1～10标准毫升/分钟。

生长结束后，关闭掺杂气体，硅烷和乙烯(或丙烷)，在氢气环境下降温至室温。

以下为一具体实施例，步骤如下：

(1)衬底11选取Si(100)，采用标准的硅湿式化学清洗方法清洗硅衬底。

(2)采用等离子体增强化学气相沉积方法在硅衬底上淀积氧化硅层12，厚度为200nm。

(3)将生长氧化硅层的硅衬底放入低压化学气相沉积系统中，升温至1200℃进行碳化硅13生长，通入丙烷、硅烷和氨气，流量分别为3标准毫升/分钟，1标准毫升/分钟和0.5标准毫升/分钟，生长室压力为5300帕。

(4)生长结束后，关闭氨气、硅烷和乙烯，在氢气保护下降温至室温。

在氧化硅上制备的碳化硅膜表面平整，光亮如镜面，原位掺杂得到的碳化硅电阻率<0.1Ω·cm，可以与金属形成良好的欧姆接触。采用场发射扫描电镜观察的氧化硅上生长碳化硅的横断面结构如图2a所示。采用场发射扫描电镜观察的氧化硅上生长碳化硅膜层的表面形貌如图2b所示。采用X射线衍射测试的氧化硅上生长的碳化硅膜如图3所示，其结果为SiC(111)晶向的高取向织构生长。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在衬底(11)上淀积氧化硅层(12)；

2)在氧化硅(12)上淀积碳化硅层(13)。

2.根据权利要求1所述的氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，其特征在于，所述衬底(11)为硅，或为蓝宝石，或为氮化镓，或为碳化硅，或为石英，或为砷化镓。

3.根据权利要求1所述的氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，其特征在于，所述氧化硅层(12)的制备方法为等离子体增强化学气相沉积方法，或为高温氧化方法，或为常压化学气相沉积方法或为低压化学气相沉积方法。

4.根据权利要求1所述的氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，其特征在于，所述碳化硅层(13)采用低压化学气相沉积装置生长，生长室压力为5000～15000帕，生长温度为1000～1250℃，采用的源气体为乙烯和硅烷，或为丙烷和硅烷，流量分别为1.5～6标准毫升/分钟和0.5～2标准毫升/分钟。

5.根据权利要求1或4所述的氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，其特征在于，所述碳化硅层(13)采用原位掺杂方法来得到。

6.根据权利要求5所述的氧化硅上制备低阻碳化硅的方法，其特征在于，所述原位掺杂方法包括在生长的同时在源气体中添加掺杂剂，其中N型掺杂采用氨气或氮气，P型掺杂采用硼烷或三甲基铝，氨气或氮气流量为0.1～1标准毫升/分钟，硼烷或三甲基铝流量为1～10标准毫升/分钟。

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