CN103443902A - 用于生长半导体晶体的半导体设备和方法 - Google Patents

用于生长半导体晶体的半导体设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体设备包括:基座衬底;在所述基座衬底上的图案;在所述基座衬底上的缓冲层;以及在所述缓冲层上的外延层。所述图案是自组装图案。一种半导体晶体的生长方法,所述方法包括:清洗碳化硅衬底;在所述碳化硅衬底上形成自组装图案;在所述碳化硅衬底上形成缓冲层;以及在所述缓冲层上形成外延层。一种半导体设备,包括:包括图案凹槽的基座衬底;以及在所述基座衬底上的外延层。一种半导体晶体的生长方法,所述方法包括:清洗碳化硅衬底;在所述碳化硅衬底上形成自组装凸起;中形成图案凹槽;以及在所述碳化硅上形成外延层。

Description

用于生长半导体晶体的半导体设备和方法
技术领域
本公开涉及一种用于生长半导体晶体的半导体设备和方法。
背景技术
在支撑半导体设备的半导体衬底中,提高半导体设备的效率和性能的最大研究项目是减少在衬底上生长的半导体层的晶体缺陷并且改善半导体层的晶粒。
可以形成缓冲层来减少在晶体生长过程中的位错缺陷。为了形成缓冲层,就还需要通过掩模形成过程和刻蚀过程或再生长过程来在衬底的表面上形成图案的过程。
因此,由于额外的过程,制造过程变得复杂,并且增加了制造成本。此外,衬底表面的质量还会恶化。
发明内容
技术问题
实施例提供了一种减少过程成本并且提高衬底表面的质量的半导体设备以及高效率的半导体晶体的生长方法。
技术方案
在一个实施例中,一种半导体设备包括:基座衬底;在所述基座衬底上的图案;在所述基座衬底上的缓冲层;以及在所述缓冲层上的外延层,其中所述图案是自组装图案。
在另一个实施例中,一种半导体晶体的生长方法包括:清洗碳化硅衬底;在所述碳化硅衬底上形成自组装图案;在所述碳化硅衬底上形成缓冲层;以及在所述缓冲层上形成外延层。
在又一个实施例中,一种半导体设备包括:包括图案凹槽的基座衬底;以及在所述基座衬底上的外延层。
在再一个实施例中,一种半导体晶体的生长方法包括:清洗碳化硅衬底;在所述碳化硅衬底上形成自组装凸起;在所述碳化硅中形成图案凹槽;以及在所述碳化硅上形成外延层。
有益效果
在根据第一实施例的半导体设备中,自组装的精细图案可以形成在碳化硅衬底上,并且使用精细图案来限制位错缺陷的缓冲层也可以形成在碳化硅衬底上。因此,可以省略诸如图案化过程或再生长过程的额外过程以减少过程成本。
在根据第一实施例的半导体晶体的生长方法中,可以减少由于形成缓冲层的额外过程而引起的衬底表面的损坏以改善半导体层的晶粒。因此,可以形成能确保可靠性的高质量半导体层。
在根据第二实施例的半导体设备中,可以在碳化硅衬底中形成图案凹槽,因此通过图案凹槽可以限制形成在图案凹槽上的外延层的位错缺陷。
特别地,碳化硅衬底的基底面位错(BPD)会极大地影响半导体设备的可靠性。因此,可以形成图案凹槽来减少约50%的BPD(basal plane dislocation,基底面位错)。通过图案凹槽可以将基底面位错的一部分转化成边缘穿透位错(TED),并且基底面位错的其它部分可以扩展,然后通过与碳化硅衬底会合而终止。
因此,不需要额外地形成用于限制位错缺陷的缓冲层。因此,可以省略用于形成缓冲层的额外过程(诸如图案化过程或再生长过程)。因此,可以减少过程成本和时间。
在根据第二实施例的半导体晶体的生长方法中,可以减少由于形成缓冲层的额外过程引起的衬底表面的损坏,以改善半导体层的晶粒。因此,可以形成能确保高可靠度的高质量半导体层。
附图说明
图1是根据第一实施例的半导体设备的剖视图。
图2至7是用于说明根据第一实施例的用于生长半导体晶体的方法的剖视图。
图8和9是根据第一实施例的半导体设备的剖视图。
图10是根据第二实施例的半导体设备的剖视图。
图11至14是用于说明根据第二实施例的用于生长半导体晶体的方法的剖视图。
具体实施方式
在实施例的描述中,应该理解的是,当层(或膜)、区域、图案或衬底被称为在另一个层(或膜)、区域、垫或图案之“上”或“下”时,术语“上”和“下”包括“直接地”和“间接地”两者的意思。此外,将在附图的基础上确定各个层的“上”和“下”关系。
附图中,为了便于描述和清楚的目的,可能夸大、省略或示意性地图示各个层(或膜)、区域、图案或结构的尺寸和大小。
以下,将参照附图来详细描述示例性实施例。
将参照图1来详细描述根据第一实施例的半导体设备。图1是根据第一实施例的半导体设备的剖视图。
参照图1,根据第一实施例的半导体设备1可以包括在基座衬底10上的图案20、缓冲层30和外延层40。
基座衬底10可以是由碳化硅形成的。碳化硅的带隙和导热率比硅的带隙和导热率大。另外,碳化硅的载流子迁移率与硅的载流子迁移率相似,并且饱和电子漂移速率和耐压性比硅的饱和电子漂移速率和耐压性大。因此,碳化硅可以应用于需要高效率、高耐压和高容量的半导体设备。
自组装图案20生长在基座衬底10上。自组装表示分子成份自发地形成有序的结构而无需人工操纵各个分子的现象。当包含碳化硅的基座衬底10暴露于碳化合物气体,通过碳的反应而生长纳米级的自组装图案20。
由于图案20是从基座衬底10自组装的,所以图案20可以由碳化硅形成,这与基座衬底10的材料相同。图案20可以从基座衬底10垂直地突出。例如,图案20可以具有椭圆锥形。
具有椭圆锥形的图案20可以具有为约10nm至约30nm的长轴直径和约100nm或更小的高度。当图案20具有约30或更大的长轴直径时,彼此相邻的图案20会聚集在一起。因此,当图案20具有约10nm至约30nm的长轴直径时,就可以去除自组装现象以限制图案20的大小。
随后,将缓冲层30布置在基座衬底10上。缓冲层30可以抑制布置在缓冲层30上的作为半导体层的外延层40的位错缺陷。也就是说,缓冲层30可以是由与外延层40的材料相同的材料形成。因此,缓冲层30可以防止出现由于基座衬底10与外延层40之间的晶格常数不匹配以及热膨胀系数差异而引起的晶体缺陷。
在本实施例中,缓冲层30可以通过横向外延过生长(ELOG)过程来形成。ELOG过程可以包括金属有机气相沉积(MOCVD)过程或分子束外延(MBE)过程。MOCVD过程是具有高蒸汽压的金属有机化合物蒸汽被注射到反应室内的衬底的加热表面上以生长薄膜的过程。因此,MOCVD过程可以具有的优点是由于快速沉积速率而可以减少过程时间。MBE过程是注射具有分子形式的各种生长材料以在衬底上生长所需的材料的过程。因此,MBE过程可以具有的优点是尽管生长速度慢,但是缓冲层30具有出色的质量。然而,本发明不限于此。例如,缓冲层30可以通过多种生长过程来生长。
缓冲层30可以在图案20之间侧向生长。因此,缓冲层30可以仅在图案20之间暴露的基座衬底10的一个表面上水平地生长,以填满图案20之间的空隙。
由于缓冲层30水平生长,所以可以显著地减少垂直生长引起的缺陷,这与根据现有技术的生长方法不同。
因此,在缓冲层30的生长中,可以省略额外的图案化过程,例如,刻蚀过程或额外再生长过程。此外,可以减少过程成本,并且可以提高衬底表面的质量。
根据本实施例的半导体设备可以应用于所有的垂直型半导体设备和侧向型半导体设备以提供高质量的外延层,从而实现具有高效率的半导体设备。
以下,将参照图2至7来详细描述根据第一实施例的半导体晶体的生长方法。为了清楚和简化描述起见,将会省略之前描述的内容的详细描述。
图2至7是用于说明根据第一实施例的半导体晶体的生长方法的剖视图。参照图2和3,在第一室(未示出)内清洗碳化硅衬底10。这里,第一室具有包含多种碳化合物气体(诸如甲烷、乙烷、丙烷、氟甲烷和氢氟烃)的一种气体的气体气氛。
另外,第一室内维持约30%或更大的湿度。如果第一室维持在湿度比约30%的湿度更低的相对干燥的气氛中,自组装图案20的形状就会散开并且无法具有约10nm至约30nn的长轴直径和约100nm或更小的高度。通过在自组装过程中维持约20分钟至30分钟,可以形成具有上述形状的图案20。
参照图4和5,缓冲层30通过侧向生长方法在第二室(未示出)内形成。也就是说,缓冲层30可以在箭头方向上侧向生长以填充图案20之间的空间。这里,可以在约1600℃或更高的温度下,在含甲烷、乙烷、丙烷和氢气的气体气氛下,在第二室内形成缓冲层30。
参照图6和7,通过外延生长方法在第二室内形成外延层40。也就是说,外延层40可以在箭头方向上垂直地生长为具有高晶粒和低缺陷密度的高质量外延层40。这里,在具有与形成缓冲层30的气氛相同的气氛的第二室内可以持续地形成外延层40。
虽然图未示出,但是杂质会被注入到外延层40中形成通道区域(未示出)。
通过外延生长方法来形成外延层40。外延生长方法是在单晶衬底上堆叠新层以形成单晶层的方法。这里,当所堆叠的材料与衬底的材料相同时,外延生长方法可以被称为同质外延方法。在本实施例中,外延生长方法可以是具有与缓冲层30的材料相同的材料的外延层40形成在由碳化硅形成的缓冲层30上的同质外延方法。
当在外延层40的生长期间维持用于形成缓冲层30的气氛时,缓冲层30可以以垂直地方式进行晶体生长来形成粗大的晶体。由于外延层40是由碳化硅形成的,与碳化硅衬底10的材料相同,所以可以提高晶体的质量。另外,由于通过缓冲层30减少了传播的位错,所以可以显著地减少由于晶体缺陷引起的漏电流。
虽然图7并未示出,但是可以在外延层40上进一步形成厚膜半导体生长层。
在下文中,将参照图8和9来描述垂直型半导体设备和侧向型半导体设备的结构。图8和9是根据第一实施例的半导体设备的剖视图。
参照图8,可以将电极50a和60a布置在衬底10的底面上和外延层40的顶面上。
电极50a和60a中的每个可以是由诸如Ag、Cu、Ni、Al和Zn以及它们的合金等金属材料的至少一种形成的。另外,电极50a和60a中的每个可以通过真空沉积来制造。
图9是侧向型半导体设备的剖视图。
如图2至7所示,在碳化硅衬底10上布置图案20、缓冲层30以及具有最小化缺陷的外延层40。另外,如图9所示,布置电极50a和60a。电极50a和60a中的每个具有几乎与外延层40的顶面平行布置的水平结构。
然而,由于本实施例不限于此,所以半导体晶体生长方法可以应用于多种半导体设备。
以下,将参照图10来描述根据第二实施例的半导体设备。图10是根据第二实施例的半导体设备的剖视图。
参照图10,在根据第二实施例的半导体设备2中,外延层130可以被布置在包括图案凹槽120的基座衬底110上。
基座衬底110可以是由碳化硅形成的。碳化硅的带隙和导热率比硅的带隙和导热率大。另外,碳化硅的载流子迁移率与硅的载流子迁移率相似,并且其饱和电子漂移速率和耐压性比硅的饱和电子漂移速率和耐压性大。因此,碳化硅可以应用于需要高效率、高耐压性和高容量的半导体设备。
图案凹槽120被限定在基座衬底110中。通过图案凹槽120可以显著地减少直接布置于基座衬底110上的外延层130的缺陷。
特别地,由碳化硅形成的基座衬底1110具有基底面位错(basal planedislocation,BPD)102。由于BPD(basal plane dislocation,基底面位错)102极大地影响了半导体设备的可靠性,所以减少BPD102非常重要。根据现有技术,为了限制BPD102,在基座衬底上进一步布置缓冲层,并且在缓冲层上布置外延层。也就是说,缓冲层防止出现由于基座衬底与外延层之间的晶格常数不匹配以及热膨胀系数差而引起的晶体缺陷。因此,有必要执行诸如刻蚀过程的额外的图案化过程或额外的再生长过程来形成缓冲层。
然而,在本实施例中,由于图案凹槽120限制了基座衬底110与外延层130之间的缺陷,所以可以省略缓冲层。特别地,参照图10,一般布置在基座衬底110内的BPD102可以被转化成布置在图案凹槽120上的外延层130内边缘穿透位错(treading edge dislocation,TED)104。这里,BPD102的一部分可以扩展,然后通过与基座衬底110会合而终止。因此,可以减少约50%或更多的由于基座衬底110而形成的BPD102。
另外,由于省略了用于形成缓冲层的额外过程,所以减少了过程成本,并且可以提高衬底表面的质量。
图案凹槽120可以具有约5nm至约10nm的深度。如上所述,当图案凹槽120具有约5nm或更小的深度或约10nm或更大的深度时,难以防止发生布置在图案凹槽120上的外延层130的位错缺陷。
另外,图案凹槽120可以具有约1nm至约10nm的宽度。另外,当图案凹槽120具有约1nm或更小的宽度或者约10nm或更大的宽度时,难以防止发生上述位错缺陷。
因此,可以在具有图案凹槽120的基座衬底110上直接布置外延层,而无需设置缓冲层。
根据本实施例的半导体设备可以应用于所有的垂直型半导体设备和侧向型半导体设备以提供高质量的外延层,从而实现高效率的半导体设备。
以下,将参照图11至14来详细描述根据第二实施例的半导体晶体生长方法。为了清楚和简化起见,将省略先前描述的内容的详细描述。
图11至14是用于说明根据第二实施例的半导体设备的生长方法的剖视图。
参照图11和12,在第一室(未示出)内清洗碳化硅衬底110。这里,在第一室内可以设置具有1至6个碳原子的烃类气体。例如,第一室可以具有包括乙炔、乙烷、丙烷、氟甲烷、乙烯和丙烯中的至少一种的气体气氛。
当维持所述气氛约10分钟至约15分钟时,就在碳化硅衬底110上生长出自组装的凸起122。
自组装表示分子成份自发地形成有序的结构而无需人工操纵各个分子的现象。当碳化硅衬底110暴露于碳化合物气体时,通过碳的反应就生长出纳米级的自组装的凸起122。凸起122可以从碳化硅衬底110垂直地凸出。例如,凸起122可以具有椭圆锥形状。
第一室内可以维持约30%或更大的湿度。如果第一室维持在湿度比约30%更低的相对干燥的气氛中,自组装图案122的形状就会散开。
另外,第一室可以维持在约100℃至约300℃的温度内。当第一室的温度是约100℃或更低时,就不会形成凸起122。另一方面,当第一室的温度是约300℃或更高时,凸起122的形状就会散开。
参照图13,在第二室(未示出)内进行形成图案凹槽120的过程。
形成图案凹槽120的过程可以包括使用载气来刻蚀碳化硅衬底110的过程。载气可以包括氢气、氯气、硅烷、氯化氢和具有1至6个碳原子的烃类气体中的至少一种。例如,烃类气体可以包括乙炔、乙烷、丙烷、氟甲烷、乙烯和丙烯。
另外,可以在约1200℃至约1500℃的温度下进行形成图案凹槽120的过程。载气会在约1200℃的温度下分解以产生能量。所产生的能量可以与碳化硅衬底110的表面发生反应,到达碳化硅衬底110的各个表面。然而,碳化硅衬底110的刻蚀无法在约1500℃或更高的温度下进行,但是碳化硅衬底110可以在约1500℃的温度下生长。
可以刻蚀碳化硅衬底110的凸起122并使其平整。可以更快地刻蚀碳化硅衬底的没有形成凸起122的部分以形成图案凹槽120。
形成图案凹槽120的过程可以进行约5分钟至约15分钟。也就是说,形成图案凹槽120的过程可以进行约5分钟至约15分钟以形成具有深度约5nm至约10nm并且宽度约1nm至约10nm的图案凹槽。
参照图14,在具有图案凹槽120的碳化硅衬底110上形成外延层130。
可以将氢气、氯气、硅烷、氯化氢、具有1至6个碳原子的烃类气体、甲基三氯硅烷(MTS)、三氯硅烷(TCS)和六甲基二硅烷(HMDS)中的至少一种气体进一步注射到第二室内以形成外延层130。另外,可以在约1500℃至约1700℃的温度下形成外延层130。
虽然图未示出,但是杂质会被注入到外延层130中形成通道区域(未示出)。
通过外延生长方法来形成外延层130。外延生长方法是在单晶衬底上堆叠新层以形成单晶层的方法。这里,当所堆叠的材料与衬底的材料相同时,外延生长方法可以被称为同质外延方法。在本实施例中,外延生长方法可以是具有与碳化硅110相同的材料的外延层130形成在由碳化硅形成的碳化硅110上的同质外延方法。
也就是说,由于外延层是由与碳化硅衬底110的材料相同的碳化硅形成的,所以可以提高晶体的质量。
另外,外延层130通过图案凹槽120可以减少从碳化硅衬底110传播的位错,而无需额外地形成缓冲层,并且显著地减少由于晶体缺陷引起的漏电流。
虽然未示出,但是可以在外延层130上进一步形成厚膜半导体生长层。
上述实施例的特征、结构和效果并入本发明的至少一个实施例中,但是不限于仅一个实施例。此外,本领域的技术人员可以容易地将在一个实施例中例示的特征、结构和效果进行组合和改进为其它实施例。因此,这些组合和改进可以被理解为落入本发明的范围内。
虽然参照本发明的示例性实施例描述了多个实施例,但是应当理解的是,在本发明的原理的精神和范围内,本领域的技术人员可以构思多种其他修改和实施例。更具体地讲,在本发明、附图和所附权利要求书的范围内,可以对主题组合布置的组成部件和/或布置进行多种变型和修改。

Claims (30)

1.一种半导体设备,包括:
基座衬底;
在所述基座衬底上的图案;
在所述基座衬底上的缓冲层;以及
在所述缓冲层上的外延层,
其中,所述图案是自组装图案。
2.根据权利要求1所述的半导体设备,其中,所述基座衬底和所述图案中的每个是由碳化硅形成的。
3.根据权利要求1所述的半导体设备,其中,所述图案从所述基座衬底垂直地凸出。
4.根据权利要求3所述的半导体设备,其中,所述凸出的形状是椭圆锥形。
5.根据权利要求4所述的半导体设备,其中,所述椭圆锥形具有约10nm至约30nm的长轴直径和约100nm或更小的高度。
6.根据权利要求1所述的半导体设备,其中,所述缓冲层仅布置在所述图案及与所述图案相邻的图案之间暴露的所述衬底的一个表面上。
7.根据权利要求6所述的半导体设备,其中,所述缓冲层由碳化硅形成。
8.一种半导体晶体的生长方法,所述方法包括:
清洗碳化硅衬底;
在所述碳化硅衬底上形成自组装图案;
在所述碳化硅衬底上形成缓冲层;以及
在所述缓冲层上形成外延层。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,清洗所述碳化硅以及形成所述图案是在包括至少一种碳化合物气体的气体气氛下进行的,所述碳化合物气体诸如是甲烷、乙烷、丙烷、氟甲烷和氢氟烃。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,形成所述图案是在约30%或更大的湿度下进行的。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,形成所述图案维持约20分钟至约30分钟。
12.根据权利要求8所述的方法,其中,形成所述缓冲层是使用外延过生长方法(ELOG)来执行的。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,形成所述外延层是使用外延生长方法来执行的。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,形成所述缓冲层以及形成所述外延层是在包括乙烷、甲烷、丙烷和氢气的气体气氛下、在约1600℃的温度下进行的。
15.一种半导体设备,包括:
包括图案凹槽的基座衬底;以及
在所述基座衬底上的外延层。
16.根据权利要求15所述的半导体设备,其中,所述图案凹槽具有约5nm至约10nm的深度。
17.根据权利要求15所述的半导体设备,其中,所述图案凹槽具有约1nm至约10nm的宽度。
18.根据权利要求15所述的半导体设备,其中,所述外延层被直接布置在所述基座衬底上。
19.根据权利要求15所述的半导体设备,其中,所述基座衬底和所述外延层中的每个是由碳化硅形成的。
20.一种半导体晶体的生长方法,所述方法包括:
清洗碳化硅衬底;
在所述碳化硅衬底上形成自组装凸起;
在所述碳化硅中形成图案凹槽;并且
在所述碳化硅上形成外延层。
21.根据权利要求20所述的方法,其中,清洗所述碳化硅以及形成所述自组装凸起是在包括具有1至6个碳原子的烃类气体中的至少一种的气体气氛下进行的。
22.根据权利要求20所述的方法,其中,形成所述凸起是在约30%或更大的湿度下进行的。
23.根据权利要求22所述的方法,其中,形成所述凸起维持约10分钟至约15分钟。
24.根据权利要求23所述的方法,其中,形成所述凸起是在约100℃至约300℃的温度下进行的。
25.根据权利要求20所述的方法,其中,形成所述图案凹槽包括刻蚀过程。
26.根据权利要求25所述的方法,其中,形成所述图案凹槽是在包括氢气、氯气、硅烷、氯化氢和具有1至6个碳原子的烃类气体中的至少一种的气体气氛下进行的。
27.根据权利要求26所述的方法,其中,形成所述图案凹槽是在约1200℃至约1500℃的温度下进行的。
28.根据权利要求26所述的方法,其中,形成所述图案凹槽维持约5分钟至约15分钟。
29.根据权利要求20所述的方法,其中,形成所述外延层是在包括氢气、氯气、硅烷、氯化氢、具有1至6个碳原子的烃类气体、甲基三氯硅烷(MTS)、三氯硅烷(TCS)和六甲基二硅烷(HMDS)的至少一种的气体气氛下进行的。
30.根据权利要求29所述的方法,其中,形成所述外延层是在约1500℃至约1700℃的温度下进行的。
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