CN115323487A - 衬底表面刻蚀方法及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种衬底表面刻蚀方法及半导体器件。衬底为SiC衬底或Si衬底，该方法包括：将衬底放入MOCVD设备的反应室内；对反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件；向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理。CBr4在一定环境条件下可以分解出Br原子，CCl4在一定环境条件下可以分解出Cl原子，Br原子或Cl原子可以与衬底表面的Si原子发生反应，生成气态的溴化硅或氯化硅，达到刻蚀衬底表面，去除衬底表面的氧化层以及亚损伤层的目的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种衬底表面刻蚀方法及半导体器件。
背景技术
GaN是第三代半导体材料，相比于第一代的硅(Si)以及第二代的砷化镓(GaAs)等，由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；较大禁带宽度和高临界电场，使得GaN器件导通电阻减小，有利于提升器件整体的能效；电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让GaN器件高速工作。因此，GaN器件具有更大带宽、更高增益、更高能效、尺寸更小等优点，应用前景十分广泛。
由于GaN同质衬底制备较为困难，目前GaN器件主要是在异质衬底上制备获得。由于SiC衬底和GaN晶格匹配较小，热导率高，因此，其在GaN微电子器件和光电子器件得到广泛的应用。目前氮化物主要是在SiC衬底的Si面上生长，一方面，在SiC衬底的制备过程中表面形成的一层亚损伤层位错密度较高，另一方面Si面Si原子容易和O、N等元素结合生成SiOx或SiNx多晶(无定形)层，导致SiC衬底表面粗糙，无明显的台阶，最终影响氮化物的晶体质量和表面粗糙度。因此，想要在碳化硅衬底上生长出高质量的GaN外延材料，必须要先对SiC衬底表面进行预处理，去除掉SiC表面的氧化层及亚损伤层。然而，碳化硅具有稳定的化学和物理性质，在MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备中碳化硅表面的氧化层和亚损伤层很难被刻蚀去除。
发明内容
本发明实施例提供了一种衬底表面刻蚀方法及半导体器件，以解决碳化硅表面的氧化层和亚损伤层难以被刻蚀去除的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种衬底表面刻蚀方法，衬底为SiC衬底或Si衬底，衬底表面刻蚀方法包括：
将衬底放入MOCVD设备的反应室内；
对反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件；
向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理。
在一种可能的实现方式中，在对反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件之前，衬底表面刻蚀方法还包括：
对反应室内的环境条件进行第二次调整，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件；
向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质；载气包括氢气、氮气或氢气和氮气的混合气。
在一种可能的实现方式中，对反应室内的环境条件进行第二次调整，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件，包括：
将反应室内的温度升温至第一预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第一预设压力范围内。
在一种可能的实现方式中，第一预设温度范围为500℃至1500℃，第一预设压力范围为大于0sccm。
在一种可能的实现方式中，对反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件，包括：
将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第二预设压力范围内。
在一种可能的实现方式中，第二预设温度范围为300℃至1500℃，第二预设压力范围为50mbar至1000mbar。
在一种可能的实现方式中，在向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理之后，衬底表面刻蚀方法还包括：
对反应室内的环境条件进行第三次调整，以使反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件；
在刻蚀处理后的衬底上生长氮化物材料。
在一种可能的实现方式中，对反应室内的环境条件进行第三次调整，以使反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件，包括：
将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第三预设压力范围内。
在一种可能的实现方式中，第三预设温度范围为300℃至1500℃，第三预设压力范围为大于0sccm。
第二方面，本发明实施例提供了一种半导体器件，包括采用如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的衬底表面刻蚀方法制备得到的产品。
本发明实施例提供一种衬底表面刻蚀方法及半导体器件，该方法可用于对SiC衬底或Si衬底进行刻蚀，以去除衬底表面的氧化层和亚损伤层。具体通过将MOCVD设备的反应室内的环境条件进行调整，使其满足衬底刻蚀所需的环境条件，然后向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理，其中，载气可以起到输送CBr4或CCl4的作用，CBr4在一定环境条件下可以分解出Br原子，CCl4在一定环境条件下可以分解出Cl原子，Br原子或Cl原子可以与衬底表面的Si原子发生反应，生成气态的溴化硅或氯化硅，达到刻蚀衬底表面，去除衬底表面的氧化层以及亚损伤层的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的衬底表面刻蚀方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的衬底表面刻蚀方法执行过程中的温度变化示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
参见图1，其示出了本发明实施例提供的衬底表面刻蚀方法的实现流程图。该方法详述如下：
在S101中，将衬底放入MOCVD设备的反应室内。
在S102中，对反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件。
对衬底进行刻蚀是需要一定的环境条件的，比如，温度，压力等等。因此，在对衬底进行刻蚀处理之前，首先对MOCVD设备的反应室内的环境条件进行调整，以满足衬底刻蚀所需的环境条件。
其中，该次调整可以根据后续进行刻蚀处理时，发生反应所需的环境条件进行调整。
在S103中，向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理。
其中，载气可以是氢气，也可以是氮气，还可以是氢气和氮气的混合气。载气可以起到输送CBr4或CCl4的作用，也可以起到调节反应室内压力的作用。
CBr4即四溴化碳，CCl4即四氯化碳。CBr4在一定环境条件下可以分解出Br原子，CCl4在一定环境条件下可以分解出Cl原子，Br原子或Cl原子可以与衬底表面的Si原子发生反应，生成气态的溴化硅或氯化硅，达到刻蚀衬底表面，去除衬底表面的氧化层以及亚损伤层的目的。
S103中，向反应室内通入载气的流量大于0sccm。向反应室内通入CBr4或CCl4的流量大于0sccm，向反应室内通入CBr4或CCl4的时长大于0s。其中，向反应室内通入CBr4或CCl4的流量与向反应室内通入CBr4或CCl4的时长是相关联的，若该流量较大，则该时长较小，若该流量较小，则该时长较大。
向反应室内通入载气的流量、向反应室内通入CBr4或CCl4的流量、向反应室内通入CBr4或CCl4的时长均可以根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
本实施例可用于对SiC衬底或Si衬底进行刻蚀，以去除衬底表面的氧化层和亚损伤层。具体通过将MOCVD设备的反应室内的环境条件进行调整，使其满足衬底刻蚀所需的环境条件，然后向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理，其中，载气可以起到输送CBr4或CCl4的作用，CBr4在一定环境条件下可以分解出Br原子，CCl4在一定环境条件下可以分解出Cl原子，Br原子或Cl原子可以与衬底表面的Si原子发生反应，生成气态的溴化硅或氯化硅，达到刻蚀衬底表面，去除衬底表面的氧化层以及亚损伤层的目的，还可以提高后续生长的氮化物的晶体质量，降低缺陷密度。
在一些实施例中，在上述S101之后，且在上述S103之前，上述衬底表面刻蚀方法还可以包括：
对反应室内的环境条件进行第二次调整，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件；
向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质；载气包括氢气、氮气或氢气和氮气的混合气。
由于衬底表面可能会有一些杂质，因此在对衬底进行刻蚀处理之前，通常对衬底表面进行预处理，以去除衬底表面的杂质。衬底表面可能有有机物杂质，比如，油污等，还可以能有其它颗粒，等等。
由于对衬底表面进行预处理，需要一定的环境条件，因此，首先对反应室内的环境条件进行第二次调整，比如，可以调整温度、压力等，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件，然后，向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质。载气可以与衬底表面的某些杂质发生反应，从而去除该杂质。衬底表面的有些杂质可能在一定温度下就挥发了，从而达到去除该杂质的目的。
其中，上述向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质步骤中，向反应室内通入载气的流量可以大于0sccm，其具体大小可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
本实施例在对衬底进行刻蚀之前，首先对衬底表面进行预处理，从而可以去除衬底表面的杂质，进而可以为衬底刻蚀提供较好的衬底表面条件，提高衬底刻蚀的效果。
在一些实施例中，上述对反应室内的环境条件进行第二次调整，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件，可以包括：
将反应室内的温度升温至第一预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第一预设压力范围内。
其中，将反应室内的温度升温至第一预设温度范围内的过程中，其升温速率可以大于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，第一预设温度范围为500℃至1500℃，第一预设压力范围为大于0sccm。
上述对反应室内的环境条件进行第二次调整，最终，将反应室内的温度调整至第一预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第一预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，上述S102可以包括：
将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第二预设压力范围内。
其中，将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内的过程中，其调整速率可以大于或等于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
在S102执行的过程中，载气也是可以一直通入到反应室内的，通入载气的流量可以为大于0sccm。
在一些实施例中，第二预设温度范围为300℃至1500℃，第二预设压力范围为50mbar至1000mbar。
上述对反应室内的环境条件进行第一次调整，最终，将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第二预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，在上述S103之后，上述衬底表面刻蚀方法还可以包括：
对反应室内的环境条件进行第三次调整，以使反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件；
在刻蚀处理后的衬底上生长氮化物材料。
在对衬底进行刻蚀处理，去除衬底表面的氧化层以及亚损伤层之后，可以在衬底上生产氮化物材料，以制备对应的半导体器件。其中，氮化物材料可以是氮化镓、氮化铝、铝镓氮等等。
在生长氮化物材料之前，需对反应室内的环境条件进行调整，以使其满足氮化物材料生长所需的环境条件。根据生长的不同的氮化物材料，可以将反应室的环境条件调整至适合该氮化物材料生长的环境条件。
在一些实施例中，上述对反应室内的环境条件进行第三次调整，以使反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件，包括：
将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第三预设压力范围内。
其中，将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内的过程中，其调整速率可以大于或等于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
在对反应室内的环境条件进行第三次调整，以及生长氮化物材料的过程中，载气也是可以一直通入到反应室内的，通入载气的流量可以为大于0sccm。
在一些实施例中，第三预设温度范围为300℃至1500℃，第三预设压力范围为大于0sccm。
上述对反应室内的环境条件进行第三次调整，最终，将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第三预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
需要说明的是，本申请所说的第一次调整、第二次调整和第三次调整并不表示调整的先后顺序，仅用于区分每一次对反应室内的环境条件进行的调整。
在本申请中，将衬底放入MOCVD设备的反应室后，可以向反应室内持续通入载气，在不同的步骤中，通入的载气可以是相同的，也可以是不同的，可以根据实际需求和实际应用条件进行调整。
在一些实施例中，衬底表面刻蚀方法可以包括以下步骤：
步骤一：将衬底放入MOCVD设备的反应室内，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件。
步骤二：向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质。
步骤三：对反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件。
步骤四：向反应室内通入载气，并向反应室内通入CBr4或CCl4，以对衬底进行刻蚀处理。
步骤五：对反应室内的环境条件进行第三次调整，以使反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件，并在刻蚀处理后的衬底上生长氮化物材料。
其中，各个步骤执行过程中的温度变化情况可参照图2。图2中，横坐标表示时间Time，纵坐标表示温度Temperature。1表示步骤一的温度变化，2表示步骤二的温度变化，3表示步骤三的温度变化，4表示步骤四的温度变化，5表示步骤五的温度变化。
需要说明的是，图2只是衬底表面刻蚀方法执行过程中的一种可能的温度变化示意图，在实际应用中，衬底表面刻蚀方法执行过程中的温度变化也可能为其它变化形式，在此不做具体限制。
在一个具体的应用场景中，衬底可以为碳化硅衬底，步骤一中，在对反应室内的环境条件进行第二次调整时，反应室内的温度的升温速率可以为1.5℃/s；步骤二中，反应室的温度可以为1150℃，压力可以为200mbar，载气可以为氢气，通入氢气的流量可以为20slm，时间可以为10min；步骤三中，对反应室内的环境条件进行第一次调整时，反应室内的温度的降温速率可以为1.0℃/s；步骤四中，反应室的温度可以为1100℃，压力可以为650mbar，通入载气的流量可以为35slm，通入CBr4对衬底进行刻蚀，通入CBr4的流量可以为50sccm，通入CBr4的时间可以为3分钟；步骤五中，对反应室内的环境条件进行第三次调整后的反应室的温度可以为1020℃，压力可以为200mbar，载气流量可以为100slm。在步骤四中，在高温高压条件下，CBr4所分解的Br原子与衬底表面的Si原子和C原子发生反应，生产气态的溴化硅和溴化碳，并从表面脱附，达到刻蚀衬底表面，去除亚损伤层和氧化层的目的。
本申请提供的衬底表面刻蚀方法可以在MOCVD机台中进行原位处理，解决了碳化硅衬底的表面亚损伤层及氧化层在MOCVD设备中无法得到刻蚀处理的问题，大大简化了工艺步骤。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上述衬底表面刻蚀方法，本发明实施例还提供了一种半导体器件，包括采用如上任一种衬底表面刻蚀方法制备得到的产品，并具备如上任一种衬底表面刻蚀方法所具备的有益效果。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述衬底为SiC衬底或Si衬底，所述衬底表面刻蚀方法包括：
将所述衬底放入MOCVD设备的反应室内；
对所述反应室内的环境条件进行第一次调整，以使所述反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件；
向所述反应室内通入载气，并向所述反应室内通入CBr4或CCl4，以对所述衬底进行刻蚀处理。
2.根据权利要求1所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，在所述对所述反应室内的环境条件进行第一次调整，以使所述反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件之前，所述衬底表面刻蚀方法还包括：
对所述反应室内的环境条件进行第二次调整，以使所述反应室满足衬底预处理所需的环境条件；
向所述反应室内通入所述载气，以对所述衬底的表面进行预处理，去除所述衬底表面的杂质；所述载气包括氢气、氮气或氢气和氮气的混合气。
3.根据权利要求2所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述对所述反应室内的环境条件进行第二次调整，以使所述反应室满足衬底预处理所需的环境条件，包括：
将所述反应室内的温度升温至第一预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第一预设压力范围内。
4.根据权利要求3所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述第一预设温度范围为500℃至1500℃，所述第一预设压力范围为大于0sccm。
5.根据权利要求1所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述对所述反应室内的环境条件进行第一次调整，以使所述反应室满足衬底刻蚀所需的环境条件，包括：
将所述反应室内的温度调整至第二预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第二预设压力范围内。
6.根据权利要求5所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述第二预设温度范围为300℃至1500℃，所述第二预设压力范围为50mbar至1000mbar。
7.根据权利要求1至6任一项所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，在所述向所述反应室内通入载气，并向所述反应室内通入CBr4或CCl4，以对所述衬底进行刻蚀处理之后，所述衬底表面刻蚀方法还包括：
对所述反应室内的环境条件进行第三次调整，以使所述反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件；
在刻蚀处理后的衬底上生长氮化物材料。
8.根据权利要求7所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述对所述反应室内的环境条件进行第三次调整，以使所述反应室满足生长氮化物材料所需的环境条件，包括：
将所述反应室内的温度调整至第三预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第三预设压力范围内。
9.根据权利要求8所述的衬底表面刻蚀方法，其特征在于，所述第三预设温度范围为300℃至1500℃，所述第三预设压力范围为大于0sccm。
10.一种半导体器件，其特征在于，包括采用如权利要求1至9任一项所述的衬底表面刻蚀方法制备得到的产品。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210876665.3A CN115323487A (zh) | 2022-07-25 | 2022-07-25 | 衬底表面刻蚀方法及半导体器件 |
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- 2022-07-25 CN CN202210876665.3A patent/CN115323487A/zh active Pending
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