CN117293015A - 硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片 - Google Patents

硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片 Download PDF

Info

Publication number
CN117293015A
CN117293015A CN202311573853.XA CN202311573853A CN117293015A CN 117293015 A CN117293015 A CN 117293015A CN 202311573853 A CN202311573853 A CN 202311573853A CN 117293015 A CN117293015 A CN 117293015A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
growth
layer
carbide epitaxial
silicon carbide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311573853.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN117293015B (zh
Inventor
涂承明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hico Semiconductor Technology Suzhou Co ltd
Original Assignee
Hico Semiconductor Technology Suzhou Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hico Semiconductor Technology Suzhou Co ltd filed Critical Hico Semiconductor Technology Suzhou Co ltd
Priority to CN202311573853.XA priority Critical patent/CN117293015B/zh
Publication of CN117293015A publication Critical patent/CN117293015A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117293015B publication Critical patent/CN117293015B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02529—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36—Carbides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02447—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656—Special treatments
    • H01L21/02658—Pretreatments

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本申请公开一种硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片。所述生长方法可以包括：提供硅衬底，所述硅衬底的生长表面经过刻蚀；在所述生长表面依次生长第一碳化层和第二碳化层；其中，用于提供硅元素的含硅物质参与所述第二碳化层的生长；在所述第二碳化层之上生长缓冲层；在所述缓冲层之上生长所述碳化硅外延层。

Description

硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片
技术领域
本申请涉及半导体元件加工领域，特别是涉及一种在硅衬底上生长碳化硅外延层的生长方法、基于该方法得到的硅基碳化硅外延片，以及基于该硅基碳化硅外延片制备的半导体器件。
背景技术
作为一种宽禁带半导体，3C-SiC因其卓越的电气和化学性能而受到了许多在苛刻环境中应用的关注。此外，在Si衬底上异质外延生长的3C-SiC是生产如微电子和化学传感器等设备的有用技术。它还可以结合当前成熟的硅设备制造技术。然而，由于大的晶格不匹配和热膨胀系数的显著差异，难以在硅衬底上获得高质量的碳化硅外延层。解决这个问题的常用方法是引入碳化硅缓冲层。这个缓冲层作为硅基板和碳化硅外延层之间的过渡层，减少缺陷并提高材料的整体性能。
目前，碳化硅缓冲层的生长涉及在较低温度下引入丙烷并在氢气流中，随后添加硅烷来生长厚的3C-SiC层。这种多步骤方法已被广泛研究。然而，3C-SiC层的生长仍然受到大量缺陷的困扰，特别是在界面下方的空洞。这些空洞归因于在初始碳化阶段硅基板中的硅原子的扩散。
碳化硅缓冲层中空洞的存在是当前技术中的一个重大问题。这些空洞影响了碳化硅外延层的质量和完整性，导致性能和可靠性下降。从硅衬底扩散出来的硅原子参与反应并创建缓冲层是形成这些空洞的主要原因。
发明内容
本申请所需要解决的技术问题是，如何抑制硅衬底上生长碳化硅外延层时空洞的出现。
为了解决上述问题，本申请公开了一种硅衬底的碳化硅外延层的生长方法、以及基于该生长方法得到的硅基碳化硅外延片。所述外延生长方法采用两步碳化方法，引入含硅物质以抑制空洞产生，有效提升碳化硅外延层的质量。
本申请一方面提供一种碳化硅衬底的生长方法。所述生长方法可以包括：提供硅衬底，所述硅衬底的生长表面经过刻蚀；在所述生长表面依次生长第一碳化层和第二碳化层；其中，用于提供硅元素的含硅物质参与所述第二碳化层的生长；在所述第二碳化层之上生长缓冲层；在所述缓冲层之上生长所述碳化硅外延层。
在一些可行的实施方式中，所述刻蚀所使用的刻蚀气体为氢气，流量为80-100slm，刻蚀温度为1280℃-1350℃。
在一些可行的实施方式中，所述第一碳化层的生长过程中，碳氢比为0.5-1.5%。
在一些可行的实施方式中，所述第一碳化层的厚度不超过20nm。
在一些可行的实施方式中，所述含硅物质同时提供氯元素。
在一些可行的实施方式中，所述含硅物质包括SiHCl3，SiH2Cl2，SiH3Cl，SiCl4，SiH4与HCl中的一种或多种。
在一些可行的实施方式中，所述第二碳化层的生长过程中，碳硅比为0.05-0.4，含硅物质的流量为0.5-1.5sccm。
在一些可行的实施方式中，所述第一碳化层的生长时间小于所述第二碳化层的生长时间。
在一些可行的实施方式中，所述缓冲层的生长过程中，氯硅比为4-6。
本申请另一方面提供一种硅基碳化硅外延片。所述碳化硅基碳化硅外延片可以基于上述硅衬底的碳化硅外延层的生长方法制备。
本申请另一方面提供一种半导体器件。所述半导体器件基于如上所述的硅基碳化硅外延片制备。
本申请所公开的碳化硅外延片，通过两步碳化的生长方法能够起到减少碳化硅/硅界面空洞的产生，提升产品质量和产品良率。
附图说明
本申请将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本申请的一些实施例所示的硅衬底的碳化硅外延层的生长方法的示例性流程图；
图2是根据本申请的一些实施例所示的硅衬底的碳化硅外延层的生长过程的示例性示意图；
图3是根据本申请的一些实施例所示的硅基碳化硅外延片的示例性结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中的元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
本文中使用的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”或“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下参考附图对本申请的一些实施例进行说明。应当注意的是，以下描述是为了说明的目的，并不旨在限制本申请的保护范围。
图1是根据本申请的一些实施例所示的硅衬底的碳化硅外延层的生长方法的示例性流程图。如图所示，生长方法100可以包括以下步骤。
步骤110，提供硅衬底。
在一些实施例中，所述硅衬底的生长表面可以是经过刻蚀的。例如，市售的四英寸、六英寸、八英寸、十二英寸等的硅衬底可以作为基底材料，经过生长表面的抛光（例如，化学机械抛光）、刻蚀后用作后续碳化硅外延层生长的基材。所述刻蚀所使用的刻蚀气体可以是氢气，利用氢气与硅在高温下反应对硅衬底的生长表面进行化学刻蚀。利用氢气对硅衬底的生长表面进行刻蚀可以减少生长表面的粗糙度，更有利于外延生长。示例性的反应方程式可以如下所示：
Si+2H_2=SiH_4↑
在进行刻蚀时，氢气的流量可以是80-100slm。例如，80slm、85slm、90slm、95slm、100slm等。刻蚀温度可以是在1280℃-1350℃。可选地或优选地，刻蚀温度可以是1290℃-1340℃。可选地或优选地，刻蚀温度可以是1300℃-1330℃。可选地或优选地，刻蚀温度可以是1310℃-1320℃。或者，刻蚀温度可以是以上温度范围内的任一数值，例如，1280℃、1290℃、1300℃、1310℃、1320℃、1330℃、1340℃、1350℃等。刻蚀时间可以是5-10min。可选地或优选地，刻蚀时间可以是6-9min。可选地或优选地，刻蚀时间可以是7-8min。或者，刻蚀时间可以是以上时间范围内的任一数值，例如，5min、6min、7min、8min、9min、10min等。刻蚀过程可以是利用化学气相沉积设备进行。示例性的，生长方法100的全流程也可以在化学气相沉积设备中进行。所使用的化学气相沉积设备可以包括但不限于等离子增强化学气相沉积（PECVD）、高密度等离子体化学气相沉积（HDP CVD）、微波等离子化学气相沉积（MPCVD）、微波电子回旋共振等离子化学气相沉积（ECR-MPCVD）、超高真空化学气相沉积（UHV/CVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、热化学气相沉积（TCVD）、高温化学气相沉积（HTCVD）、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、激光诱导化学气相沉积（LCVD）等或其任意组合。本申请不做具体限定。
作为一个示例，在进行刻蚀前可以先将化学气相沉积设备进行热机，以使反应腔体内达到热待机温度，例如，700℃-900℃，或者900℃。同时对反应腔室进行压力调节，例如，将气压调节至50-200bar，或者200bar。随后，可以将作为基材的硅衬底（例如，经过抛光后）传入反应腔室内，利用氢气对硅衬底的生长表面进行刻蚀。
步骤120，在所述生长表面依次生长第一碳化层和第二碳化层。
在一些实施例中，所述第一碳化层可以利用并入载气（例如，氢气）中的碳源气体在所述生长表面生长后得到。为了进行所述第一碳化层的生长，反应腔体内的温度可以调节至1200℃-1250℃。例如，1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃等。在一些实施例中，生长所述第一碳化层所使用的碳源气体可以包括但不限于甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷等中的一种或以上。作为载气的氢气的流量为80-100slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是82-98slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是84-96slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是86-94slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是88-92slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是90slm。或者，氢气的流量可以是以上流量范围内的任一数值，例如，80slm、81slm、82slm、83slm、84slm、85slm、86slm、87slm、88slm、89slm、90slm、91slm、92slm、93slm、94slm、95slm、96slm、97slm、98slm、99slm、100slm等。碳源气体的选择以及作为载气的氢气的流量控制可以使所述第一碳化层的生长过程中碳氢比为0.5-1.5%。可选地或优选地，所述第一碳化层的生长过程中碳氢比为0.6-1.4%。可选地或优选地，所述第一碳化层的生长过程中碳氢比为0.7-1.3%。可选地或优选地，所述第一碳化层的生长过程中碳氢比为0.8-1.2%。可选地或优选地，所述第一碳化层的生长过程中碳氢比为0.9-1.1%。可选地或优选地，所述第一碳化层的生长过程中碳氢比为1.0%。或者，所述第一碳化层的生长过程中碳氢可以是以上范围内的任一数值，例如，0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%等。生长时间可以是2-5min。例如，2min、3min、4min、5min等。基于以上参数进行第一碳化层的生长，生长速率较慢。生长完毕后所述第一碳化层的厚度可以不超过20nm。生长第一碳化层时是为了后续碳化硅外延层生长保证晶体质量。一方面可以确保所述硅衬底的生长表面的平整度，另一方面可以保证生长表面的晶格的质量，防止后续碳化硅外延层生长时生长出多晶碳化硅。
在一些实施例中，用于提供硅元素的含硅物质可以参与所述第二碳化层的生长。所述硅元素一方面可以作为硅源补充抑制空洞的产生。同时，所述含硅物质还可以提供氯元素，另一方面用于大幅提升碳化速率以减少碳化时间。在一些实施例中，所述含硅物质可以包扩SiHCl3，SiH2Cl2，SiH3Cl，SiCl4，SiH4与HCl中的一种或多种。例如，所述含硅物质可以是单独的SiHCl3，SiH2Cl2或SiH3Cl，也可以是SiCl4或SiH4与HCl的混合物。各种组分的组合可以同时提供硅元素与氯元素。
在一些实施例中，所述第二碳化层也可以利用并入载气（例如，氢气）中的碳源气体以及气态的含硅物质在所述第一碳化层之上生长后得到。为了进行所述第二碳化层的生长，反应腔体内的温度可以调节至1400℃-1450℃。例如，1400℃、1410℃、1420℃、1430℃、1440℃、1450℃等。所使用的碳源气体可以与所述第一碳化层生长时使用的碳源气体相同或类似，包括但不限于甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷等中的一种或以上。作为载气的氢气的流量同样也可以是80-100slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是82-98slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是84-96slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是86-94slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是88-92slm。可选地或优选地，氢气的流量可以是90slm。或者，氢气的流量可以是以上流量范围内的任一数值，例如，80slm、81slm、82slm、83slm、84slm、85slm、86slm、87slm、88slm、89slm、90slm、91slm、92slm、93slm、94slm、95slm、96slm、97slm、98slm、99slm、100slm等。碳源气体的选择以及作为载气的氢气的流量控制可以使所述第二碳化层的生长过程中碳氢比为0.1-1%。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳氢比为0.2-0.9%。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳氢比为0.3-0.8%。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳氢比为0.4-0.7%。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳氢比为0.5-0.6%。或者，所述第二碳化层的生长过程中碳氢可以是以上范围内的任一数值，例如，0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%等。碳硅比可以是0.05-0.4。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳硅比为0.1-0.0.35。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳硅比为0.15-0.3。可选地或优选地，所述第二碳化层的生长过程中碳硅比为0.2-0.25。或者，所述第二碳化层的生长过程中碳硅比可以是以上碳硅比范围内的任一数值，例如，0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4等。
在一些实施例中，所述含硅物质通入反应腔室参与所述第二碳化层的生长的流量可以是0.5-1.5sccm。可选地或优选地，所述含硅物质的流量可以是0.6-1.4sccm。可选地或优选地，所述含硅物质的流量可以是0.7-1.3sccm。可选地或优选地，所述含硅物质的流量可以是0.8-1.2sccm。可选地或优选地，所述含硅物质的流量可以是0.9-1.1sccm。可选地或优选地，所述含硅物质的流量可以是1.0sccm。或者，所述含硅物质的流量可以是以上流量范围内的任一数值。例如，所述含硅物质的流量可以是0.5sccm、0.6sccm、0.7sccm、0.8sccm、0.9sccm、1.0sccm、1.1sccm、1.2sccm、1.3sccm、1.4sccm、1.5sccm等。所述含硅物质的成分组成可以使氯硅比为2-4。可选地或优选地，氯硅比可以是2.1-3.9。可选地或优选地，氯硅比可以是2.2-3.8。可选地或优选地，氯硅比可以是2.3-3.7。可选地或优选地，氯硅比可以是2.4-3.6。可选地或优选地，氯硅比可以是2.5-3.5。可选地或优选地，氯硅比可以是2.6-3.4。可选地或优选地，氯硅比可以是2.7-3.3。可选地或优选地，氯硅比可以是2.8-3.2。可选地或优选地，氯硅比可以是2.9-3.1。可选地或优选地，氯硅比可以是3。
在一些实施例中，所述第二碳化层的生长时间可以是5-10min，例如，5min、6min、7min、8min、9min、10min等。通过在第二碳化层的生长过程中加入少量含硅物质，能够起到减少碳化硅/硅界面空洞的产生，能够改善界面性能。所述第二碳化层的生长时间可以长于所述第一碳化层的生长时间，其在有效减少表面缺陷的同时增加了整个碳化层的厚度。
步骤130，在所述第二碳化层之上生长缓冲层。
在一些实施例中，所述缓冲层所需的生长温度可以与所述第二碳化层的生长温度相同或相似，例如，也可以是在1400℃-1450℃的温度范围内生长。例如，1400℃、1410℃、1420℃、1430℃、1440℃、1450℃等。在生长完所述第二碳化层后可以仅通过调节参与所述缓冲层生长的气体即可开始进行缓冲层的生长。示例性的，参与所述缓冲层的生长的碳源气体可以包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷等中的一种或以上，硅源气体可以包括SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、SiCl4、SiH4、HCl中的一种或以上。其中，碳硅比可以是0.8-1.2，例如，碳硅比可以是0.8、0.9、1.0、1.1、1.2等。氯硅比可以是4-6。例如，氯硅比可以是4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0等。所述缓冲层的成长过程中同样将通入氢气，氢气的流量可以是例如80-100slm，比如，80slm、90slm、100slm等。通入氢气后硅氢比可以是0.2-0.5%。例如，硅氢比可以是0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%等。所述缓冲层的生长过程中采用高氯硅比，可以进一步的减小缺陷，有利于后续碳化硅外延层的良好生长。
在一些实施例中，所述缓冲层的生长时间可以是2-10min，例如，2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min等，以满足生长厚度的要求。
步骤140，在所述缓冲层上生长碳化硅外延层。
在一些实施例中，所述碳化硅外延层的生长温度可以小于所述缓冲层的生长温度。例如，所述碳化硅外延层可以在1350℃-1380℃的温度范围内生长。可以通过对反应腔体进行降温以达到上述温度范围。生长所述碳化硅外延层的碳源气体可以包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷等中的一种或以上，硅源气体可以包括SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、SiCl4、SiH4、HCl中的一种或以上。其中，碳硅比可以是0.8-1.0，例如，碳硅比可以是0.8、0.9、1.0。氯硅比可以是4-6。例如，氯硅比可以是4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0等。所述碳化硅外延层的成长过程中同样将通入氢气，氢气的流量可以是例如80-100slm。通入氢气后硅氢比可以是0.2-0.5%。例如，硅氢比可以是0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%等。
在一些实施例中，所述碳化硅外延层的生长时间可以是在5min以上。基于上述生长参数所得到的碳化硅外延层可以保持高水准的晶格质量，例如，微结构优异的3C-SiC外延层。
图2是根据本申请一些实施例所示的硅衬底的碳化硅外延层的生长过程的示例性示意图。该生长过程可以是在化学气相沉积设备内进行，例如，垂直热壁低压化学气相沉积设备。如图2所示，化学气相沉积设备可以首先进行热待机，并调整反应腔室内的压力。在硅衬底传入反应腔室后，可以升温至刻蚀所需的工艺温度，保持并通入氢气以执行刻蚀过程。随后，反应腔室内的温度可以下降调节至第一碳化层生长所需的工艺温度，并通入碳源气体结合氢气（H2+CaHb）开始第一碳化层的生长。完毕后对反应腔室进行升温，至生长第二碳化层所需的工艺温度，同时通入含硅物质结合碳源气体和氢气（H2+CaHb+SiHXCl4-X）进行第二碳化层的生长。在第二碳化层生长完毕后，可以在相同的温度下进行缓冲层的生长。随后对反应腔室降温，以进行最终的碳化硅外延层的生长。在整个生长过程中，通过两步碳化（也就是生长第一碳化层和第二碳化层）能够有效减少缺陷（也就是空洞）。在第二碳化层的生长过程中引入含硅物质能够起到减少碳化硅/硅界面空洞的产生。
以下以具体实施例对上述生长方法进行进一步的说明。应当注意的是，以下实施例仅仅出于说明的目的，并不旨在限制本申请。
实施例：
1.使用市售或商业上可获得的八英寸Si（111）或者（100）晶片作为衬底。对衬底进行单面化学机械抛光，确保生长表面光滑。
2.使用水平式8寸LPCVD外延炉，和对应于8寸的生长载盘和外部固定环作为基座，将8寸的硅衬底放置在生长基座后传出生长腔室。
3.垂直热壁低压化学气相沉积设备的热待机温度为700-900℃，气压为200bar，将硅片通过机械手传入腔体内。
4.腔体升温至1300℃，使用H2对硅表面进行化学蚀刻，蚀刻时间为10min，氢气流量为100 slm。
5.腔体降温至1230℃，进行第一步碳化，碳化时间为3min，氢气流量为100 slm，碳氢比为1%，碳源前驱体气体可选用甲烷、乙烷、丙烷的一种或多种。其中第一碳化层的厚度为10-20 nm。
6.腔体升温至1430℃，进行第二步碳化，碳化时间为10min，氢气流量为100 slm，碳氢比为0.75%，碳硅比为0.2。碳源前驱体气体可选用甲烷、乙烷、丙烷的一种或多种，硅源前驱体可使用SiHCl3，SiH2Cl2，SiH3Cl，SiCl4，SiH4与HCl的一种或多种。其中第二碳化层的厚度为200-300 nm。
7.保持腔体温度在1400-1450℃，进行缓存层的生长，生长时间为2-10min，氢气流量为100slm，硅氢比为0.25%，碳硅比为1，氯硅比为5.5。其中具体的使用量和使用的前驱体的种类有关，氯元素较少的前驱体需要增加HCl的使用从而升高氯硅比。碳源前驱体气体可选用甲烷、乙烷、丙烷的一种或多种，硅源前驱体可使用SiHCl3，SiH2Cl2，SiH3Cl，SiCl4，SiH4与HCl的一种或多种。
8.降低腔体温度至1350-1380℃，进行碳化硅外延生长，生长时间为5min以上，氢气流量为，硅氢比为0.25%，碳硅比为0.8，氯硅比为6。碳源前驱体气体可选用甲烷、乙烷、丙烷的一种或多种，硅源前驱体气体可使用SiHCl3，SiH2Cl2，SiH3Cl，SiCl4，SiH4与HCl的一种或多种。应当注意的是，上述有关图1中的各个步骤的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对图1中的各个步骤进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。
本申请所公开的硅衬底的碳化硅外延层的生长方法，通过两步碳化法，并在碳化过程中引入硅元素以抑制衬底和外延层之间的空洞的形成。同时在缓冲层生长过程中使用较高氯硅比以降低表面粗糙度，提升外延层的生长质量。另外，该生长方法可以使用硅衬底作为碳化硅外延生长的基板，使得衬底的成本大幅下降，极为有效的降低了生产成本。
本申请还公开了一种硅基碳化硅外延片。所述硅基碳化硅外延片可以是基于上述方法制备而成，在硅衬底上生长碳化硅外延层所得到。参考图3，图3是根据本申请一些实施例所示的硅基碳化硅外延片的示例性结构示意图。沿厚度方向，硅基碳化硅外延片300可以包括硅衬底310、第一碳化层320、第二碳化层330、缓冲层340以及碳化硅外延层。硅基碳化硅外延片300的质量良好，具有较少或者不存在空洞。
本文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (11)

1.一种硅衬底的碳化硅外延层的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
提供硅衬底，所述硅衬底的生长表面经过刻蚀；
在所述生长表面依次生长第一碳化层和第二碳化层；其中，用于提供硅元素的含硅物质参与所述第二碳化层的生长；
在所述第二碳化层之上生长缓冲层；
在所述缓冲层之上生长所述碳化硅外延层。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述刻蚀所使用的刻蚀气体为氢气，流量为80-100slm，刻蚀温度为1280℃-1350℃。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一碳化层的生长过程中，碳氢比为0.5-1.5%。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一碳化层的厚度不超过20nm。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述含硅物质同时提供氯元素。
6.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，所述含硅物质包括SiHCl3，SiH2Cl2，SiH3Cl，SiCl4，SiH4与HCl中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第二碳化层的生长过程中，碳硅比为0.05-0.4，含硅物质的流量为0.5-1.5sccm。
8.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一碳化层的生长时间小于所述第二碳化层的生长时间。
9.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述缓冲层的生长过程中，氯硅比为4-6。
10.一种硅基碳化硅外延片，所述硅基碳化硅外延片基于如权利要求1-9中任一项所述的生长方法制备。
11.一种半导体器件，所述半导体器件基于如权利要求10所述的硅基碳化硅外延片制备。
CN202311573853.XA 2023-11-23 2023-11-23 硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片 Active CN117293015B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311573853.XA CN117293015B (zh) 2023-11-23 2023-11-23 硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311573853.XA CN117293015B (zh) 2023-11-23 2023-11-23 硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117293015A true CN117293015A (zh) 2023-12-26
CN117293015B CN117293015B (zh) 2024-02-20

Family

ID=89248371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311573853.XA Active CN117293015B (zh) 2023-11-23 2023-11-23 硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117293015B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060169987A1 (en) * 2005-01-13 2006-08-03 Makoto Miura Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20120037067A1 (en) * 2010-08-13 2012-02-16 Seiko Epson Corporation Cubic silicon carbide film manufacturing method, and cubic silicon carbide film-attached substrate manufacturing method
CN105140102A (zh) * 2015-07-08 2015-12-09 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种优化的在硅衬底上外延生长β-碳化硅薄膜的方法
WO2020101281A1 (ko) * 2018-11-14 2020-05-22 엘지이노텍 주식회사 탄화규소 에피 웨이퍼
CN115029782A (zh) * 2022-08-10 2022-09-09 芯三代半导体科技(苏州)有限公司 一种碳化硅外延生长方法
CN116259534A (zh) * 2023-05-12 2023-06-13 比亚迪股份有限公司 碳化硅外延方法
CN116825620A (zh) * 2023-03-31 2023-09-29 南京百识电子科技有限公司 一种降低碳化硅外延片表面缺陷的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060169987A1 (en) * 2005-01-13 2006-08-03 Makoto Miura Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20120037067A1 (en) * 2010-08-13 2012-02-16 Seiko Epson Corporation Cubic silicon carbide film manufacturing method, and cubic silicon carbide film-attached substrate manufacturing method
CN105140102A (zh) * 2015-07-08 2015-12-09 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种优化的在硅衬底上外延生长β-碳化硅薄膜的方法
WO2020101281A1 (ko) * 2018-11-14 2020-05-22 엘지이노텍 주식회사 탄화규소 에피 웨이퍼
CN115029782A (zh) * 2022-08-10 2022-09-09 芯三代半导体科技(苏州)有限公司 一种碳化硅外延生长方法
CN116825620A (zh) * 2023-03-31 2023-09-29 南京百识电子科技有限公司 一种降低碳化硅外延片表面缺陷的方法
CN116259534A (zh) * 2023-05-12 2023-06-13 比亚迪股份有限公司 碳化硅外延方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117293015B (zh) 2024-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4417625B2 (ja) トリシランを用いる混合基板への成膜方法、および、ベース構造の製造方法
CN111029246B (zh) 一种降低SiC外延层中三角形缺陷的方法
KR101478331B1 (ko) 에피택셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법
TWI405248B (zh) 沉積摻雜碳之磊晶半導體層之方法、沉積半導體材料的方法與裝置及在反應腔室中之基板上形成電晶體設備之方法
US5471946A (en) Method for producing a wafer with a monocrystalline silicon carbide layer
JPH01162326A (ja) β−炭化シリコン層の製造方法
JP5910430B2 (ja) エピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法
US7763529B2 (en) Method of fabricating silicon carbide (SiC) layer
CN117293015B (zh) 硅衬底的碳化硅外延层的生长方法以及硅基碳化硅外延片
WO2008013032A1 (fr) Procédé de fabrication d'un substrat semi-conducteur
CN115247278B (zh) 一种碳化硅外延结构及其制备方法
CN115074825A (zh) 碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用
CN110323126B (zh) 一种Si/SiC/石墨烯材料的制备方法
JP4916479B2 (ja) 炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法
US11107677B2 (en) Method for manufacturing SiC epitaxial substrate
JP2013035731A (ja) 単結晶炭化シリコン膜の製造方法及び単結晶炭化シリコン膜付き基板の製造方法
JP3909690B2 (ja) エピタキシャル成長によるＳｉＣ膜の製造方法
KR20170006799A (ko) 탄화규소 에피 웨이퍼 및 이의 제조 방법
US9269572B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate
JP7218832B1 (ja) ヘテロエピタキシャルウェーハの製造方法
JP4353369B2 (ja) ＳｉＣ半導体及びその製造方法
JP2010225734A (ja) 半導体基板の製造方法
CN118835315A (zh) 金刚石/硅复合衬底及其制法、金刚石基硅芯片的制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant