CN1369904A - 在蓝宝石衬底上异质外延生长碳化硅薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在蓝宝石衬底上异质外延生长半导体碳化硅薄膜的方法。主要解决在蓝宝石衬底上直接生长碳化硅薄膜时薄膜与衬底之间粘附性差,不易核生长的缺陷。提出一种在蓝宝石衬底与SiC薄膜之间介入一层缓冲层作为过渡,以减少晶格失配的生长碳化硅薄膜的方法,即在蓝宝石衬底上先淀积一层AlN材料作为缓冲层,形成复合衬底,再在其复合衬底上外延生长SiC薄膜,形成蓝宝石－缓冲层－碳化硅三层结构,在蓝宝石AlN复合衬底上得到单结晶的6H－SiC薄膜。本发明在蓝宝石－氮化铝复合衬底上已经得到的单结晶碳化硅薄膜,具有明显优于在硅衬底上得到的薄膜质量,其应力低于在硅衬底上得到SiC应力的5倍,折射率在正常的SiC薄膜范围内之优点,是制作SiCOI CMOS器件的重要技术,且可保证器件的稳定性和可靠性。
Description
本发明涉及半导体薄膜材料制备技术领域，特别是一种在蓝宝石衬底上异质外延生长半导体碳化硅薄膜的方法。
碳化硅是一种新型宽带隙半导体材料，它具有大的禁带宽度(6H-SiC约是Si的3倍)，高的热导率(6H-SiC在300K时约是Si的3倍)，高的临界击穿电场(6H-SiC约是Si的10倍)。综合评价表明，其半导体特性稍逊于金刚石，但远优于Si、GaAs等常规半导体材料。在350～500℃以上的高温电子学领域以及高频、高功率、抗辐射器件与集成电路以及紫外线探测器、短波发光器件等方面具有巨大的应用潜力，因此在战略防御、航空、航天、核能、地热、勘探等领域将会发挥日益重要的作用。近十年来，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道路上的突出障碍。通常，半导体器件与集成电路是制作在生长在衬底上的半导体薄膜上的。碳化硅器件和集成电路也是制作在用外延方法生长在衬底上的碳化硅薄膜上的。不同种类衬底上外延生长出的碳化硅薄膜具有不同的晶体结构与结晶质量。外延生长碳化硅薄膜最理想的衬底材料是与薄膜结构相同的碳化硅单晶片，这就是所谓的“同质外延”生长碳化硅薄膜。衬底材料的种类与外延薄膜不同则称为“异质外延”。碳化硅的异质外延生长一般选用两种衬底：一种是硅单晶衬底，另一种是采用蓝宝石(α-Al2O3)作为衬底材料。目前已经能够在硅衬底上生长出单结晶的3C-SiC和6H-SiC薄膜。但是由于硅与碳化硅的晶格失配以及热膨胀系数失配很大，因此在生长的薄膜中，存在较大的热应力及反相边界、堆垛层错、位错、微孪晶等多种结构缺陷，这将会严重影响SiC晶体管、集成电路的电学特性。在蓝宝石上生长硅薄膜的技术在工艺上已经比较成熟，这就是所谓的SOS(silicon-on-sapphire)技术。SOS结构在硅器件领域已经实用。SOS器件的漏电流和寄生电容极小，抗辐射性能好，在CMOS低功耗、高速、抗辐射电路中取得了很大的成功。由于蓝宝石(α-Al2O3)是一种性能优良的绝缘材料，它的禁带宽度大(常温下约10eV)，熔点高(2030℃)、硬度大，致密性好。它的化学性质也相当稳定，除了能够被硝酸和硫酸的热混合液缓慢腐蚀之外，几乎不与其它酸发生反应。因此可以完全排除SiC器件制造工艺过程中，由于高温处理衬底材料对器件带来的不良后果。同时由于SiC是一种宽带隙半导体材料，它制造低功耗、高频、抗辐射器件方面具有比硅材料高得多的品质因数。因此，可以认为“蓝宝石上SiC(SiCOS：siliconcarbide-on-sapphire)”结构器件特别是SiCOS CMOS器件将会表现出更良好的性能。但是，由于蓝宝石衬底材料与SiC薄膜之间仍然存在着较大的晶格失配和热膨胀系数失配，因此直接在蓝宝石衬底上外延生长碳化硅薄膜，同样会在衬底与SiC晶体的界面处产生高密度的失配断层缺陷，它在生长过程中将继续向SiC外延层延伸。这些结构缺陷的存在将引起杂质的重新分布，使散射截面增大，导致载流子迁移率下降，不利于制备高质量的碳化硅薄膜，使器件的稳定性、可靠性得不到保证。
本发明的目的是针对蓝宝石衬底材料与SiC薄膜之间存在着较大的晶格失配和热膨胀系数失配，及在蓝宝石衬底上直接生长碳化硅薄膜时薄膜与衬底之间粘附性差，不易咸核生长的缺陷，提出一种在蓝宝石衬底与SiC薄膜之间介入一层缓冲层作为过渡，以减少晶格失配的生长碳化硅薄膜的方法，改善其生长特性，提高碳化硅薄膜的质量，保证器件的稳定性和可靠性。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明根据碳化硅薄膜的结构性质，提出介入的缓冲层应满足如下要求：
(1)该材料的晶格常数要与碳化硅(SiC)接近，即与SiC生长薄膜间的晶格失配要小；
(2)在高温下构成复合衬底材料的原子不易与碳化硅及周围环境气氛发生反应；
(3)该材料要与碳化硅具有接近的热膨胀系数，即它们之间的热膨胀系数失配要小；
(4)该材料与碳化硅的粘附性要好，生长的SiC薄膜不易从复合衬底上脱落下来；
(5)该材料与蓝宝石衬底要有较好的晶格匹配和热膨胀系数匹配，容易在蓝宝石衬底上生长，粘附性好；
(6)在生长碳化硅单晶薄膜及制备器件的过程中所遇到的各种工艺条件下，应具有稳定的化学性质；
(7)材料的电阻率高，且机械强度大；
(8)材料的热导率高，散热性能良好；
(9)在衬底上容易获得高质量、大面积、平整的单结晶薄膜。
根据以上要求，本发明采用氮化铝(AlN)作为在蓝宝石衬底上生长碳化硅(SiC)薄膜的缓冲层。即在蓝宝石衬底上先淀积一层AlN材料作为缓冲层形成复合衬底，再在其复合衬底上外延生长SiC薄膜，形成蓝宝石-缓冲层-碳化硅三层结构，在蓝宝石AlN复合衬底上得到的是单结晶的6H-SiC薄膜。其工艺如图1所示，即过程如下：
(1)蓝宝石衬底采用C面(0001)，抛光表面；
(2)对蓝宝石单晶衬底进行预处理；
①用H2SO4∶H3PO4＝3∶1进行腐蚀处理12min，去离子水冲洗，烘干待用
②在H2气流中，1150℃的高温下热处理10min，除去表面损伤
(3)用化学气相淀积法(CVD)在蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层；
源物质为：三甲基铝(TMA)和氨气(NH3)
源物质通人时间：30～60秒
生长温度：700～1000℃
淀积的AlN缓冲层形态与结构：单结晶六方结构，厚度为50nm～150nm，
衬底呈无色状
(4)用CVD方法在该“蓝宝石-AlN缓冲层”复合衬底上外延生长SiC薄膜；
气体源为：硅烷(SiH4)、丙烷(C3H8)
稀释及输运气体为：H2
生长温度为：1300～1400℃
反应室压力为：常压。
由于AlN具有与蓝宝石较好的粘附性，其晶格常数接近碳化硅之间，能在蓝宝石上迅速成核生长的优点，因此本发明利用AlN作为缓冲层，能够获得光滑、连续、平整的碳化硅镜面薄膜，且可使碳化硅与蓝宝石一氮化铝复合衬底的界面态及在其上生长的碳化硅薄膜的结晶质量比直接生长在蓝宝石上有很大的改善；同时由于AlN缓冲层具有的高电阻率很高(1010Ω.cm)，故不会降低蓝宝石衬底的绝缘质量；此外由于AlN的带隙很宽(6.2eV)，它对紫外光是透明的，因此作为缓冲层不会影响SiC在短波光电器件方面的应用。本发明在蓝宝石-氮化铝复合衬底上已经得到的单结晶碳化硅薄膜质量，明显优于在硅衬底上得到的薄膜，所形成的“蓝宝石-AlN复合衬底-SiC薄膜”结构本身就是一种SiCOI(Silicon carbide-on Insulator)结构，是制作SiCOICMOS器件的基础，且采用的蓝宝石衬底材料比碳化硅单晶片的成本要低廉。实测表明：
(1)对本发明在C面蓝宝石-AlN复合衬底上生长的SiC薄膜样品用多晶多反射高分辨率X射线衍射仪进行结构分析，其样品的SiC外延层均为单晶六方结构；AlN、SiC外延层的晶体取向与蓝宝石衬底相同，未发现晶面弯曲现象，如图2所示；
(2)在蓝宝石-氮化铝复合衬底上得到SiC薄膜应力低于在硅衬底上得到SiC应力的5倍，如表1所示；
(3)在蓝宝石-氮化铝复合衬底上得到SiC薄膜折射率在正常的SiC薄膜范围内，见表2。表1 18#样品应力及与SiC/Si(111)结构[6]的比较
(注)：应力ε计算方法：
，其中d实、d标分别为实测面间距与标准面间距。表2 样品的折射率
| 样品 | 折射率 |
| 8# | 2.86 |
| 18# | 2.67 |
图示说明与实施例
图1是本发明的制作工艺流程图
图2是本发明AlN、SiC外延层的多晶多反射分辨率X射线衍射仪分析结果图
实施例1：(样品8#)
在蓝宝石衬底C面上，用H2SO4∶H3PO4＝3∶1进行腐蚀处理12min；去离子水冲洗；烘干待用；在CVD设备中高温处理：将样品置于石墨基板上，在H2气流中，徐徐升温到1150℃的温度，热处理10min；然后降温至800℃，通入源物质NH3、TMA，时间60秒，生长氮化铝缓冲层，厚度为50nm；然后关闭NH3和TMA，系统在H2气氛中升温到1300℃，通入SiH4和C3H8，生长碳化硅，得到单结晶的6H-SiC薄膜。
实施例2：(样品18#)
在蓝宝石衬底C面，用H2SO4∶H3PO4＝3∶1进行腐蚀处理12min；去离子水冲洗；烘干待用；在CVD设备中高温处理：将样品置于石墨基板上，在H2气流中，徐徐升温到1150℃的温度，热处理10min；然后降温至1000℃，通入源物质NH3、TMA，时间30秒，生长氮化铝缓冲层80nm；然后关闭NH3和TMA，系统在H2气氛中升温到1360℃，通入SiH4和C3H8，生长碳化硅，得到单结晶的6H-SiC薄膜。
实施例3：(样品18#)
在蓝宝石衬底C面，用H2SO4∶H3PO4＝3∶1进行腐蚀处理12min；去离子水冲洗；烘干待用；在CVD设备中高温处理：将样品置于石墨基板上，在H2气流中，徐徐升温到1150℃的温度，热处理10min；然后降温至700℃，通入源物质NH3、TMA，时间40秒，生长氮化铝缓冲层150nm；然后关闭NH3和TMA，系统在H2气氛中升温到1400℃，通入SiH4和C3H8，生长碳化硅，得到单结晶的6H-SiC薄膜。
Claims (1)
1.一种在蓝宝石衬底异质外延生长碳化硅薄膜的方法，采用氮化铝(AlN)作为在蓝宝石衬底上生长碳化硅(SiC)薄膜的缓冲层。即在蓝宝石衬底上先淀积一层AlN材料作为缓冲层形成复合衬底，再在其复合衬底上外延生长SiC薄膜，形成蓝宝石-缓冲层-碳化硅多层结构，在蓝宝石-AlN复合衬底上得到单结晶的6H-SiC薄膜。其工艺过程如下：
(1)蓝宝石衬底采用C面，抛光表面；
(2)对蓝宝石单晶衬底进行预处理；
①用H2SO4∶H3PO4＝3∶1进行腐蚀处理12min，去离子水冲洗，烘干待用
②在H2气流中，1150℃的高温下热处理10min，除去表面损伤
(3)用CVD方法在蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层；
源物质为：三甲基铝TMA和氨气NH3；
源物质通人时间：30～60秒
生长温度：700～1000℃
淀积的AlN缓冲层形态与结构：单结晶六方结构，厚度为50nm～150nm，
(4)用CVD方法在该“蓝宝石-AlN缓冲层”复合衬底上外延生长SiC薄膜；
气体源为：硅烷SiH4，和丙烷C3H8，
稀释及输运气体为：H2；
生长温度为：1300～1400℃；
反应室压力为：常压。
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