CN102051589B

CN102051589B - 低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法

Info

Publication number: CN102051589B
Application number: CN 201010559109
Authority: CN
Inventors: 王海洋; 孙晨; 袁国亮
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: CN102051589A

Abstract

本发明公开了一种低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其工艺如下：根据应用需要选择合适的衬底和靶材，在衬底上生长碳化硅薄膜；将衬底及靶材的表面清洗干净送入真空生长腔，使用机械泵和分子泵对真空生长腔抽真空；对衬底使用加热器加热；在衬底加热的同时辅助添加外部光源，并使外部光源直接照射衬底；使用磁控溅射或激光脉冲生长碳化硅薄膜，沉积过程通过控制沉积频率控制生长的碳化硅晶型；对衬底进行退火，退火时可用气氛保护。本发明极大地降低碳化硅薄膜的生长温度，制备出包括非晶碳化硅薄膜或者3C-SiC、2H-SiC、4H-SiC和15R-SiC结构的择优取向的晶体薄膜，在半导体器件制造时可以应用在光电子、微电子领域。

Description

低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体薄膜材料的制备领域，特别是一种外延生长碳化硅薄膜的生长技术。

背景技术

在过去的二十年中，以单晶硅技术为基础的晶闸管、二极管虽在电力系统中得到了广泛应用，但是在阻断电压、开关频率、更高的效率和可靠性方面遇到了发展瓶颈。

硅材料为间接带隙，带隙宽度较小，SiC作为宽禁带半导体材料中典型代表，具有硅材料无可比拟的电气性能，将在不久的将来代替硅材料，广泛应用于电力电子器件。近年来SiC单晶体制备技术上的突破，促进了SiC器件的应用开发研究。但是单晶体材料的高成本仍然是实用化的障碍。一般情况下，半导体器件生长在半导体薄膜上，促使碳化硅薄膜的应用十分广泛。

碳化硅在不同物理化学环境下能形成不同的晶体结构，这些成分相同，形态，构造和物理特性有差异的晶体称为同质多相变体，目前已经发现的SiC多相变体有200多种。SiC最常见的结构有3C-SiC（闪锌矿结构）；2H-SiC（纤锌矿结构），4H-SiC，6H-SiC 。

3C-SiC是非平衡相，通常在低于1000℃下形成。而4H型SiC是一个高温稳定相，生长温度在1800℃左右。由SiC相图可以看出，2H型SiC是在1300℃-1600℃下的平衡相。薄膜的生长温度按照3C型、2H型、4H型的顺序上升。通常状态下生长4H-SiC至少要达到1750℃以上的高温。

中国专利CN 1594648A公开了一种采用磁控溅射方法制备SiC薄膜的工艺，包括如下步骤：（1）选择硅（Si）单晶为衬底，选择SiC为靶材；（2）将Si单晶衬底送入磁控溅射仪：（3）加温，生长SiC薄膜；（4）退火；（5）完成制备SiC薄膜。但该方法在控制生长温度、工作气体的成分、压力参数方面具有很大的困难。并且所需生长温度依然过高。

中国专利CN 02106299.4公开了一种制造SiC薄膜半导体器件的方法，采用了可以很容易去除蚀刻阻止膜的工艺，其具体的方法是。在半导体衬底上形成第一膜，第一膜由蚀刻抗力不同于SiC的绝缘材料制成。在第一膜上形成由加氢的SiC制成的第二膜。第二膜上形成具有开口的光刻胶膜。通过以光刻胶掩膜作为蚀刻掩膜，对第二膜进行蚀刻；并且使用第二膜作为掩膜对第一膜进行蚀刻。该方法操作复杂生长参数难以控制，消耗成本高。

综上所述，制备SiC薄膜仍然存在一些技术问题，主要有：生长温度过高且易引入杂质，并且造成衬底掺杂重新分布；衬底和SiC薄膜间的晶格失配造成缺陷密度较大；难以对其膜层质量进行有效控制等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以硅、蓝宝石、碳化硅等为衬底，利用磁控溅射以及激光脉冲沉积技术生长碳化硅薄膜的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，将衬底表面温度分为三个部分：第一部分是由加热系统对衬底加热所显示的温度，溅射出来的粒子携带有大量的能量，溅射出来的粒子沉积在衬底上提供了第二部分能量，第三部分是在生长过程的同时，使用外部光源照射在衬底片上，对衬底表面进行光催化，提高衬底表面的活性；具体步骤如下：

第一步：根据应用需要选择合适的衬底，在适合的衬底上生长碳化硅薄膜；

第二步：将选用的衬底及靶材的表面清洗干净送入真空生长腔，使用机械泵和分子泵对真空生长腔抽真空；

第三步：对衬底使用加热器加热；

第四步：在衬底加热的同时辅助添加外部光源，并使外部光源直接照射衬底，对衬底进行辅助光催化，提高衬底表面活性；

第五步：使用磁控溅射或激光脉冲生长碳化硅薄膜，使靶材物质溅射出来沉积在衬底上，沉积过程通过控制沉积频率控制生长的碳化硅晶型；

第六步：对衬底进行退火，退火时可用气氛保护。

本发明与现有技术相比，其显著优点：通过使用本发明中的技术方案，提高溅射过程溅射频率，利用光源对衬底进行光催化，可以降低碳化硅薄膜生长过程中衬底加热温度，只需要改变几个容易控制工艺参数，就可以同时得到多型的高质量的碳化硅薄膜，解决了通常状态下生长碳化硅薄膜所需温度过高的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1、2、3所制备得到的样品XRD测试图像。

图2是在激光脉冲频率分别为1Hz、5Hz和10Hz的情况下，蓝宝石衬底与薄膜沉积分解面处的TEM图像。

图3是本发明碳化硅薄膜的制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

在利用激光脉冲沉积技术以及磁控溅射技术生长碳化硅薄膜时，通常状况下衬底的温度要加热到1600℃以上，但整个生长过程中只有衬底表面的温度对生长过程具有影响。结合图3，本发明低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，将衬底表面温度分为三个部分：第一部分是由加热系统对衬底加热所显示的温度，记为T_炉丝。第二部分是由溅射过程中大量粒子携带的能量提供的，记为T_溅射。第三部分，在生长过程的同时，使用外部光源照射在衬底片上，对衬底表面进行光催化，提高衬底表面的活性,记为T_光，碳化硅薄膜生长温度T=T_炉丝+T_溅射+T_光。本发明通过增加第二、第三部分，从而在包括样品台较低温度的条件下，显著提高样品衬底表面的温度。

本发明低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，包括以下步骤：

第一步，根据应用需要选择合适的衬底，在适合的衬底上生长碳化硅薄膜，包括硅、蓝宝石、碳化硅。选用高纯碳化硅为靶材。

第二步，将选用的衬底及靶材清洗干净表面送入真空生长腔，使用机械泵和分子泵等抽真空设备对真空室抽真空，使真空生长腔内真空度保持气压在10^-3以下。

第三步，对衬底使用加热器加热，控制该加温过程温度在800℃-1300℃范围内。

第四步，在衬底加热的同时辅助添加外部光源，并使外部光源直接照射衬底，对衬底进行辅助光催化，提高衬底表面活性。

第五步，使用Ar离子或激光脉冲轰击靶材，使靶材物质溅射出来沉积在衬底上，沉积过程通过控制沉积频率控制控制生长的碳化硅晶型。

第六步，进行退火，退火温度500-1600℃，可控制退火有无气氛保护。

本发明低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，第三步中衬底温度控制在800℃-1000℃范围内，第五步中用磁控溅射生长碳化硅薄膜时，调节射频到100—350w，使用激光脉冲沉积生长碳化硅薄膜时以激光溅射靶材，激光频率1-10HZ，激光波长265nm以下，在经过退火后即得碳化硅非晶薄膜。

本发明低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，第三步中衬底温度控制在1000℃-1300℃范围内，第五步中用磁控溅射生长碳化硅薄膜时，调节射频到100—350w，使用激光脉冲沉积生长碳化硅薄膜时以激光溅射靶材，激光频率1-10HZ，激光波长265nm以下，在经过退火后即得碳化硅外延薄膜。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

1）使用激光脉冲沉积技术生长3C-SiC单晶薄膜

使用蓝宝石单晶（0001）面做衬底，将单晶放置在激光脉冲沉积系统的衬底台上固定，使用6H-SiC做为靶材放入生长腔内。将选用的衬底送入真空生长腔，真空生长腔内真空度10^-3以上。对衬底加温至1100℃，使用激光溅射靶材，激光频率1HZ，生长3600个脉冲，降温。即可得到3C-SiC单晶薄膜。其XRD曲线见图2，其TEM以及ED图像见附图2。

2）使用激光脉冲沉积技术生长2H-SiC单晶薄膜

使用蓝宝石单晶（0001）面做衬底，将单晶放置在激光脉冲沉积系统的衬底台上固定，使用6H-SiC做为靶材放入生长腔内。将选用的衬底送入真空生长腔，真空生长腔内真空度10^-3以上。对衬底加温至1100℃，使用激光溅射靶材，激光频率5HZ，生长3600个脉冲，降温。即可得到3C-SiC单晶薄膜。其XRD曲线同见图1，其TEM以及ED图像见附图2。在θ-2θ角度范围内通过XRD扫描观察，如图所示所有扫描底片显示晶体类型完全为单轴型。在所有Si-C四面体双层间距相同的多型SiC中，X射线衍射图案几乎相同，因此材料的晶体类型无法完全通过通过XRD扫描确定。

3）使用激光脉冲沉积技术生长6H-SiC单晶薄膜

使用蓝宝石单晶（0001）面做衬底，将单晶放置在激光脉冲沉积系统的衬底台上固定，使用6H-SiC做为靶材放入生长腔内。将选用的衬底送入真空生长腔，真空生长腔内真空度10^-3以上。对衬底加温至1100℃，使用激光溅射靶材，激光频率10HZ，生长3600个脉冲，降温。即可得到3C-SiC单晶薄膜。其XRD曲线同见图1，其TEM以及ED图像见附图2。晶格图像和ED花样清楚的显示了薄膜的晶体类型分别为立方3C、六方2H和4H。3C晶型的SiC中出现的双衍射ED花样是由于沿着多重{111}晶面的孪生的结果，这种多重晶面的孪生在3C晶型SiC中非常显著。2H和4H晶体类型的SiC薄膜的低倍率HRTEM显微图像显示柱状晶粒在基底表面正常生长。，由于其他晶型并没有观察到近一步生长的斑点，这意味着每一层薄膜是由单相晶型组成的。当激光脉冲频率从1Hz增加到10Hz时，薄膜连接处的晶型也按照3C、2H、4H的顺序变化。

4）使用激光脉冲沉积技术生长碳化硅非晶薄膜

使用蓝宝石单晶（0001）面做衬底，将单晶放置在激光脉冲沉积系统的衬底台上固定，使用6H-SiC做为靶材放入生长腔内。将选用的衬底送入真空生长腔，真空生长腔内真空度10^-3以上。对衬底加温至800℃，使用激光溅射靶材，激光频率1HZ，生长3600个脉冲，降温。即可得到碳化硅非晶薄膜。

5）使用磁控溅射技术生长碳化硅外延薄膜

使用碳化硅单晶做衬底，将单晶放置在磁控溅射系统的衬底台上固定，使用高纯碳化硅做为靶材放入生长腔内。将选用的衬底送入真空生长腔，真空生长腔内真空度10^-3以上。对衬底加温至1100℃，调节直流射频功率100w、250w、300w，进行磁控溅射1h，退火，降温。即可得到碳化硅3C-SiC、2H-SiC、6H-SiC薄膜。

6）使用磁控溅射技术生长碳化硅非晶薄膜

使用碳化硅单晶做衬底，将单晶放置在磁控溅射系统的衬底台上固定，使用高纯碳化硅做为靶材放入生长腔内。将选用的衬底送入真空生长腔，真空生长腔内真空度10^-3以上。对衬底加温至800℃，调节直流射频功率100w，进行磁控溅射1h，退火，降温。即可得到碳化硅非晶薄膜。

Claims

1.一种低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于：将衬底表面温度分为三个部分,第一部分是由加热系统对衬底加热所显示的温度，第二部分，溅射出来的粒子沉积在衬底上，溅射出来的粒子携带有大量的能量，沉积的同时也提高了衬底表面的能量，第三部分，在生长过程的同时，使用外部光源照射在衬底片上，对衬底表面进行光催化，提高衬底表面的活性和能量；其中二、三部分的能量无法通过生长系统测试，通过增加第二、第三部分的能量，降低生长碳化硅薄膜过程中加热系统的温度；具体步骤如下：

第三步：对衬底使用加热器加热；

第五步：在衬底加热的同时，使用磁控溅射或激光脉冲生长碳化硅薄膜，使靶材物质溅射出来沉积在衬底上，通过增加溅射粒子的能量和薄膜生长速度，提高样品表面的实际温度和表面活性，从而控制碳化硅晶体类型；

第六步：对衬底进行退火，退火时用气氛保护。

2.根据权利要求1所述的低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于：第一步中选用的衬底包括单晶硅、蓝宝石或碳化硅。

3.根据权利要求1所述的低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于：第三步中衬底温度控制在800℃-1000℃范围内，第五步中用磁控溅射生长碳化硅薄膜时，调节射频到100-350w，使用激光脉冲沉积生长碳化硅薄膜时以激光溅射靶材，激光频率1-10Hz，激光波长265nm以下，在经过退火后即得碳化硅非晶薄膜。

4.根据权利要求1所述的低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于：第三步中衬底温度控制在1000℃-1300℃范围内，第五步中用磁控溅射生长碳化硅薄膜时，调节射频到100—350w，使用激光脉冲沉积生长碳化硅薄膜时以激光溅射靶材，激光频率1-10Hz，激光波长265nm以下，在经过退火后即得碳化硅外延薄膜。

5.根据权利要求1所述的低温制备碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于：第六步中的退火温度为500-1600℃。