CN117867654A - 一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室 - Google Patents
一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117867654A CN117867654A CN202311837329.9A CN202311837329A CN117867654A CN 117867654 A CN117867654 A CN 117867654A CN 202311837329 A CN202311837329 A CN 202311837329A CN 117867654 A CN117867654 A CN 117867654A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon carbide
- reaction chamber
- gas
- sic
- growth
- 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.)
- Pending
Links
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 82
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 78
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 35
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 6
- -1 silicon carbide nitride Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 40
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 20
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 17
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 8
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 6
- 229910018540 Si C Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 4
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 4
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 3
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 claims description 3
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 10
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000001657 homoepitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明涉及半导体材料技术领域，具体公开了一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室，方法包括：S1、刻蚀，S2、导入前体气体，S3、生长S i C薄膜，S4、生成纳米结构，S5、冷却和S6、表征；本发明在S i C薄膜生长过程中，引入NH3分解产生氮掺杂可以改变S i C材料的电学和光学性质，如用于光电器件和功率器件，引入N2作为气相掺杂源，可以改善S i C薄膜的结晶质量和降低缺陷密度，从而提高材料的性能和稳定性，通过引入N2生成氮化碳化硅(S i CN)纳米线可以具备独特的光学和电学性质，适用于纳米尺度电子器件或传感器制造，从而扩展了S i C材料的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室。
背景技术
碳化硅(S iC)半导体具有大禁带宽度、优良的稳定性、高热导率、高临界击穿场强、高饱和电子漂移速度等优良特性，是制作高温、高频、大功率和强辐射电力电子器件的理想半导体材料。与传统的硅器件相比，碳化硅器件能够在10倍于硅器件的电场强度下正常工作。由于碳化硅材料具有这些优越的特性，使它在化学工业、航空航天工程、核动力工程、电子元器件及电子电路等领域都有着广泛的应用前景。
化学气相淀积指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其他气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。
PVT法，感应加热石墨坩埚，使S iC粉升华，通过温度梯度在籽晶表面沉积结晶，进而形成S iC晶体。
目前，化学气相淀积(CVD)法是生长碳化硅同质外延的常用方法之一。在利用CVD方法生长的碳化硅外延层时会导致缺陷密度较高，尤其是层错密度，这些缺陷影响碳化硅器件的性能，导致碳化硅器件的良率下降。
在公开号为CN114975097A的中国专利中，提到了一种碳化硅晶体及其制备方法与应用，所述制备方法包括如下步骤：(1)在籽晶表面中温化学气相沉积，生成碳化硅薄膜；(2)升温，高温化学气相沉积继续生长S iC晶体，得到所需厚度的碳化硅晶体。本发明制备得到的碳化硅晶体首先在籽晶表面生成碳化硅薄膜，然后升高温度，根据所需厚度继续生长Si C晶体，得到的碳化硅晶体根据所需尺寸进行切割，即可得到具有零BPD缺陷的碳化硅衬底，制备方法简单可行，尽管上述方案有益效果诸多，但是该方案中制备的碳化硅功能性质有限，如电学和光学性质，难以满足日益增长的需求，存在局限性。
对此，发明人提出一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室，用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室，包括：
S1、刻蚀，将碳化硅(S iC)衬底置于反应室中，将所述反应室抽至真空，加热到刻蚀温度，对碳化硅衬底进行原位刻蚀10～15min；
S2、导入前体气体，通入硅烷(S iH4)和乙烯(C2H4)气体，引入氨气(NH3)作为氨源，引入氮气(N2)作为气相掺杂源；
S3、生长S iC薄膜，将反应室升温至1500℃～1600℃，使S iH4和C2H4分解并生成SiC，同时NH3分解并引入氮原子，从而在SiC薄膜中引入氮杂质；
S4、生成纳米结构，控制氮气流量，与SiC反应生成氮化碳化硅(Si CN)纳米线；
S5、冷却，在生长结束后，逐渐冷却样品，然后将其从反应室中取出，得到碳化硅同质外延材料；
S6、表征，对生长的碳化硅同质外延材料进行结构和物性的表征，以验证掺杂和纳米结构是否存在。
优选的，所述真空条件下反应室压强为2x10-5kPa以下。
优选的，所述刻蚀温度为1600℃～1700℃。
优选的，所述S iH4流量为10sccm～50sccm，C2H4流量为10sccm～50sccm，NH3流量为1sccm～10sccm，N2的流量为1sccm～10sccm。
优选的，所述表征包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱分析和电学性质测试。
一种碳化硅同质外延材料的制备生长室，包括如上述所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，所述生长室包括：
石英反应室，能够耐受高温，用于S i C生长；
加热系统，包括辐射式加热系统或感应式加热系统，安装于所述石英反应室的底部，用于将S i C衬底加热到生长温度；
气体供应系统，与所述石英反应室连接，用于引入反应气体和气相掺杂气体，包括质流控制器、气瓶、阀门和管道系统，确保气体流量和混合比例精确；
真空系统，与所述石英反应室连接，用于将石英反应室抽真空，确保反应室内的气体环境干净，避免其他杂质引入；
温度传感器，安装于S i C衬底底部，用于监测衬底温度，用于实时调整和控制生长条件；
气体排放系统，与所述石英反应室连接，用于排放和处理使用后的反应气体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在S i C薄膜生长过程中，引入NH3分解产生氮掺杂可以改变S i C材料的电学和光学性质，如用于光电器件和功率器件，引入N2作为气相掺杂源，可以改善S i C薄膜的结晶质量和降低缺陷密度，从而提高材料的性能和稳定性，通过引入N2生成氮化碳化硅(S i CN)纳米线可以具备独特的光学和电学性质，适用于纳米尺度电子器件或传感器制造，从而扩展了S i C材料的应用领域。
(2)本发明将添加杂质、纳米结构控制和气相掺杂综合应用到碳化硅同质外延材料的制备中，综合应用这些方法可以改善S i C的电学性质，对于功率电子器件和半导体器件的性能增强十分明显，控制纳米结构的形状和分布，以及通过掺杂调整能帮助改善S i C的光学性质，使其在光学器件中更具应用潜力。
附图说明
图1为本发明的一种碳化硅同质外延材料的制备方法流程图；
图2为本发明的表征组成框图；
图3为本发明的反应室组成框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1至图3所示，一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室，包括：
S1、刻蚀，将碳化硅(S i C)衬底置于反应室中，将所述反应室抽至真空，加热到刻蚀温度，对碳化硅衬底进行原位刻蚀10～15min；
S2、导入前体气体，通入硅烷(S i H4)和乙烯(C2H4)气体，引入氨气(NH3)作为氨源，引入氮气(N2)作为气相掺杂源；
S3、生长S i C薄膜，将反应室升温至1500℃～1600℃，使S i H4和C2H4分解并生成S i C，同时NH3分解并引入氮原子，从而在S i C薄膜中引入氮杂质；
S4、生成纳米结构，控制氮气流量，与S i C反应生成氮化碳化硅(S i CN)纳米线；
S5、冷却，在生长结束后，逐渐冷却样品，然后将其从反应室中取出，得到碳化硅同质外延材料；
S6、表征，对生长的碳化硅同质外延材料进行结构和物性的表征，以验证掺杂和纳米结构是否存在。
由上可知，在Si C薄膜生长过程中，引入NH3分解产生氮掺杂可以改变S iC材料的电学和光学性质，如用于光电器件和功率器件，引入N2作为气相掺杂源，可以改善S iC薄膜的结晶质量和降低缺陷密度，从而提高材料的性能和稳定性，通过引入N2生成氮化碳化硅(Si CN)纳米线可以具备独特的光学和电学性质，适用于纳米尺度电子器件或传感器制造，从而扩展了S iC材料的应用领域。
具体的，所述真空条件下反应室压强为2x10-5kPa以下，以确保S iC处于高纯度的生长环境。
具体的，所述刻蚀温度为1600℃～1700℃。
具体的，所述S iH4流量为10sccm～50sccm，作为硅源；C2H4流量为10sccm～50sccm，作为碳源；NH3流量为1sccm～10sccm，作为氮源；N2的流量为1sccm～10sccm，作为气相掺杂源。
具体的，所述表征包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱分析和电学性质测试。
由上可知，将添加杂质、纳米结构控制和气相掺杂综合应用到碳化硅同质外延材料的制备中，综合应用这些方法可以，改善SiC的电学性质，对于功率电子器件和半导体器件的性能增强十分明显，控制纳米结构的形状和分布，以及通过掺杂调整能帮助改善S iC的光学性质，使其在光学器件中更具应用潜力。
实施例二：
参考图1至图3所示，一种碳化硅同质外延材料的制备生长室，包括上述所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，所述生长室包括：
石英反应室，能够耐受高温，用于S iC生长；
加热系统，包括辐射式加热系统或感应式加热系统，安装于所述石英反应室的底部，用于将S i C衬底加热到生长温度；
气体供应系统，与所述石英反应室连接，用于引入反应气体和气相掺杂气体，包括质流控制器、气瓶、阀门和管道系统，确保气体流量和混合比例精确；
真空系统，与所述石英反应室连接，用于将石英反应室抽真空，确保反应室内的气体环境干净，避免其他杂质引入；
温度传感器，安装于S i C衬底底部，用于监测衬底温度，用于实时调整和控制生长条件；
气体排放系统，与所述石英反应室连接，用于排放和处理使用后的反应气体。
其有益效果同一种碳化硅同质外延材料的制备方法实施例相同技术效果，在此不再赘述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种碳化硅同质外延材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、刻蚀，将碳化硅(SiC)衬底置于反应室中，将所述反应室抽至真空，加热到刻蚀温度，对碳化硅衬底进行原位刻蚀10～15min；
S2、导入前体气体，通入硅烷(SiH4)和乙烯(C2H4)气体，引入氨气(NH3)作为氨源，引入氮气(N2)作为气相掺杂源；
S3、生长SiC薄膜，将反应室升温至1500℃～1600℃，使SiH4和C2H4分解并生成SiC，同时NH3分解并引入氮原子，从而在SiC薄膜中引入氮杂质；
S4、生成纳米结构，控制氮气流量，与SiC反应生成氮化碳化硅(SiCN)纳米线；
S5、冷却，在生长结束后，逐渐冷却样品，然后将其从反应室中取出，得到碳化硅同质外延材料；
S6、表征，对生长的碳化硅同质外延材料进行结构和物性的表征，以验证掺杂和纳米结构是否存在。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，其特征在于：所述真空条件下反应室压强为2x10-5kPa以下。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，其特征在于：所述刻蚀温度为1600℃～1700℃。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，其特征在于：所述SiH4流量为10sccm～50sccm，C2H4流量为10sccm～50sccm，NH3流量为1sccm～10sccm，N2的流量为1sccm～10sccm。
5.根据权利要求2所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，其特征在于：所述表征包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱分析和电学性质测试。
6.一种碳化硅同质外延材料的制备生长室，其特征在于，包括如权利要求1-5所述的一种碳化硅同质外延材料的制备方法，所述生长室包括：
石英反应室，能够耐受高温，用于SiC生长；
加热系统，包括辐射式加热系统或感应式加热系统，安装于所述石英反应室的底部，用于将SiC衬底加热到生长温度；
气体供应系统，与所述石英反应室连接，用于引入反应气体和气相掺杂气体，包括质流控制器、气瓶、阀门和管道系统，确保气体流量和混合比例精确；
真空系统，与所述石英反应室连接，用于将石英反应室抽真空，确保反应室内的气体环境干净，避免其他杂质引入；
温度传感器，安装于Si C衬底底部，用于监测衬底温度，用于实时调整和控制生长条件；
气体排放系统，与所述石英反应室连接，用于排放和处理使用后的反应气体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311837329.9A CN117867654A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311837329.9A CN117867654A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117867654A true CN117867654A (zh) | 2024-04-12 |
Family
ID=90585710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311837329.9A Pending CN117867654A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117867654A (zh) |
-
2023
- 2023-12-28 CN CN202311837329.9A patent/CN117867654A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kong et al. | Epitaxial growth of β‐SiC thin films on 6H α‐SiC substrates via chemical vapor deposition | |
| US4623425A (en) | Method of fabricating single-crystal substrates of silicon carbide | |
| US10907273B2 (en) | Growing epitaxial 3C-SiC on single-crystal silicon | |
| CN111029246B (zh) | 一种降低SiC外延层中三角形缺陷的方法 | |
| US5471946A (en) | Method for producing a wafer with a monocrystalline silicon carbide layer | |
| WO2012067112A1 (ja) | エピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法 | |
| US20080173239A1 (en) | Method, system, and apparatus for the growth of SiC and related or similar material, by chemical vapor deposition, using precursors in modified cold-wall reactor | |
| WO2009021199A1 (en) | Production of bulk silicon carbide with hot-filament chemical vapor deposition | |
| CN108538707B (zh) | 一种二维黑磷晶体制备方法 | |
| WO2023016158A1 (zh) | 非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流快速生长方法 | |
| CN111681947B (zh) | 一种降低外延片堆垛层错缺陷的外延方法及其应用 | |
| US20080173242A1 (en) | Method, system, and apparatus for the growth of SiC and related or similar material, by chemical vapor deposition, using precursors in modified cold-wall reactor | |
| Xie et al. | Study on a eco-friendly and efficient method for growing aluminum nitride whiskers | |
| US8802546B2 (en) | Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device | |
| JP6786939B2 (ja) | 炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法 | |
| JPS63224225A (ja) | 薄膜単結晶ダイヤモンド基板 | |
| CN117867654A (zh) | 一种碳化硅同质外延材料的制备方法及其生长室 | |
| Yang et al. | The epitaxial growth of (1 1 1) oriented monocrystalline Si film based on a 4: 5 Si-to-SiC atomic lattice matching interface | |
| CN113089091A (zh) | 氮化硼模板及其制备方法 | |
| CN113718334A (zh) | 一种多孔氮化镓单晶材料及其制备方法和应用 | |
| GB2540608A (en) | Growing epitaxial 3C-SiC on single-crystal silicon | |
| JPH0416597A (ja) | 炭化珪素単結晶の製造方法 | |
| TWI776533B (zh) | 於非單晶基板上成長垂直排列的氮化鎵單晶微米柱陣列的方法 | |
| JPS6115150B2 (zh) | ||
| CN114717535B (zh) | 一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法 |
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 |