CN1435866A - 埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法和制作装置 - Google Patents

埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法和制作装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是在SOI衬底上廉价且方便地形成单晶碳化硅薄膜。第一步是，把表面硅层薄膜130厚度不大于10nm并且带有埋置绝缘体120的SOI衬底100放置到加热炉200中，通过将氢气G1和碳氢气体G2的混合气体(G1+G2)输送到上述加热炉200中增加加热炉200中的气体温度，这样上述SOI衬底100的表面硅层130变形为单晶碳化硅薄膜140；第二步是，通过过分地执行上述第一个步骤在上述单晶碳化硅薄膜140上沉积碳薄膜150；第三个步骤是，用以预定比率混合氧气G3的惰性气体G4代替上述混合气体(G1+G2)，然后将上述SOI衬底100加热到550℃或更高，这样通过蚀刻除去上述碳薄膜150；第四个步骤是用不混合氧气G3的纯惰性气体G4取代上述其中混合氧气G3的惰性气体G4的步骤，并且将上述加热炉200中的大气温度升高到预定的温度；第五个步骤是在保持上述大气预定温度的条件下，将氢气G1和硅烷气G5加入加热炉200中，这样使新的单晶碳化硅薄膜160生长在上述SOI衬底100的表面上的单晶碳化硅薄膜140上。

Description

埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法和制作装置
技术领域
本发明涉及埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法和制作装置。
背景技术
单晶碳化硅(SiC)是下一代半导体装置材料的焦点，因为在它的特性中，单晶碳化硅有极好的热稳定性和化学稳定性，有高的机械强度，并且暴露在辐射下时是稳定的。另外，埋置绝缘体的SOI衬底在增加电路速度和减小能量消耗方面是极佳的，因此它有希望用作下一代LSI衬底。因此，有这两个特性的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底，被期望用作半导体器件的材料。
不过，现在还没有形成带有单晶碳化硅和SOI衬底特性的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法。
关于在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，例如，可以在硅衬底上进行等离子体型气相之类的反应，可以把这样的技术用于SOI衬底，这样在SOI衬底上形成单晶碳化硅薄膜。另外，现在SOI衬底中的表面硅层薄膜厚度超过50nm。
根据在SOI衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法(其中，在单晶碳化硅薄膜和埋置绝缘体之间设置有硅层)来制作半导体衬底存在一个问题。这个问题是，当进行热处理时，在单晶碳化硅薄膜和埋置绝缘体之间设置的硅层扩散到衬底表面上的单晶碳化硅薄膜中，从而使其物理特性恶化。另外，没有得到在埋置绝缘体上形成碳化硅的所需结构。
此外，根据由等离子体型气相反应在SOI衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法进行的薄膜形成工艺必需在高真空中完成，因此需要有复杂结构的制作装置。其中的问题是，由于这制作装置的复杂结构，使形成单晶碳化硅薄膜的费用增加。
另外，当SOI衬底的表面硅层薄膜厚度超过10nm时，变形的单晶碳化硅薄膜局部使得导致晶粒形成的核增长，从而使衬底表面变得粗糙并且带来不利的状况。
发明内容
本发明考虑了上述情况，而本发明的目的是为使得以低成本的可行方式在SOI衬底上形成单晶碳化硅薄膜的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底提供一种制作方法和制作装置。
根据本发明的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法是：第一步，把表面硅层薄膜厚度不大于10nm并且带有埋置绝缘体的SOI衬底放置到加热炉中，通过将氢气和碳氢气体的混合气体输送到上述加热炉中并且提高加热炉中的气体温度，这样上述SOI衬底的表面硅层变形为单晶碳化硅薄膜；第二步是，通过过分地执行上述第一个步骤在上述单晶碳化硅薄膜上沉积碳薄膜；第三个步骤是，用以预定比率混合氧气的惰性气体代替上述混合气体，并且将上述SOI衬底加热到550℃或更高，这样通过蚀刻除去上述碳薄膜；第四个步骤是用不混合氧气的纯惰性气体取代上述混合氧气的惰性气体的步骤，并且将上述加热炉中的大气温度升高到预定的温度；第五个步骤是在保持上述大气预定温度的条件下，将氢气和硅烷气加入加热炉中，这样制成了新的单晶碳化硅薄膜生长在上述SOI衬底的表面上的单晶碳化硅薄膜上。
另外，提供了带有加热炉的根据本发明的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作装置，置入炉中的SOI衬底的表面硅层薄膜厚度不大于10nm并且设置有埋置绝缘体，它有加热SOI衬底的加热装置并有将各种气体输送到这个加热炉的供气装置，并且上述供气装置能够至少供应氢气，碳氢气，氧气和惰性气体以及硅烷气到加热炉中。
附图说明
图1(A)到1(F)是示出根据本发明实施例的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法各个步骤的示意图；和
图2是用于根据本发明实施例的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底制作方法的制作埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作装置的示意图。
〔标注的说明〕
100  SOI衬底
110  硅层
120  埋置绝缘体
130  表面硅层
140  单晶碳化硅薄膜
150  碳薄膜
160  单晶碳化硅薄膜
具体实施方式
图1(A)，1(B)，1(C)，1(D)，1(E)和1(F)是根据本发明实施例的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法的各个步骤的示意图；图2是根据依照本发明一个实施例的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法的制作埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作装置的示意图。这里，为了方便图示，图1中各层厚度的尺寸不成真实的比例。另外，图1确定了埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法各个步骤中的环境气体。
根据本发明实施例的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法有：第一步是，把表面硅层薄膜130厚度不大于10nm并且带有埋置绝缘体120的SOI衬底100放置到加热炉200中，通过将氢气G1和碳氢气体G2的混合气体(G1+G2)输送到上述加热炉200中并且提高加热炉200中的气体温度，这样上述SOI衬底100的表面硅层130变形为单晶碳化硅薄膜140；第二步是，通过过分地执行上述第一个步骤在上述单晶碳化硅薄膜140上沉积碳薄膜150；第三个步骤是，用以预定比率混合氧气G3的惰性气体G4代替上述混合气体(G1+G2)，然后将上述SOI衬底100加热到550℃或更高，这样通过蚀刻除去上述碳薄膜150；第四个步骤是用不混合氧气G3的纯惰性气体G4取代上述混合氧气G3的惰性气体G4的步骤，并且将上述加热炉200中的大气温度升高到预定的温度；第五个步骤是在保持上述大气预定温度的条件下，将氢气G1和硅烷气G5加入加热炉200中，这样制成了新的单晶碳化硅薄膜160生长在上述SOI衬底100的表面上的单晶碳化硅薄膜140上。
如图1(A)所示，通过在硅层110中形成作为埋置绝缘体的埋置绝缘体120并且通过在该埋置绝缘体120上形成薄膜厚度不大于10nm的表面硅层130获得上述SOI衬底100。这里，这个SOI衬底100表面硅层130的晶向例如是平面方向(111)。
这里，SOI衬底100的表面硅层130的薄膜厚度通过公知的方法控制，诸如用氢氟酸之类氧化和蚀刻表面硅层130从而保持表面硅层的所需厚度。
另外，电炉能够用作上述加热炉200。如图2所示，该加热炉200的一端有一个可以置入和取出SOI衬底的开口，而另一端连接到排气装置210，在炉壁220周围设置有诸如电加热器之类的加热装置230。另外，在这个加热炉200上连接有供应各种气体到炉子的供气装置300。那么，在这个加热炉200中的压强等于大气压强。
上述供气装置300有供应氢气G1的氢气供应部件310，供应碳氢气G2的碳氢气供应部件320，供应氧气G3的氧气供应部件330，供应惰性气体G4的惰性气体供应部件340(包括纯惰性气体)，供应硅烷气体G5的硅烷气体供应部件350，和连接这些气体供应部件310到350的开关阀360。这个供气装置300通过供应管370连接到上述加热炉200。
<第一步>(见图1(B))
在这个第一步骤中，在加热炉200中放置上述SOI衬底100，碳氢气G2与氢气G1混合(碳氢气的比率为1个体积％)的混合气体(G1+G2)供应到加热炉200中。另外，在供应混合气体(G1+G2)的同时，在加热炉200中的大气温度加热到1200℃到1405℃。加热的结果是，SOI衬底100的表面硅层130变形为单晶碳化硅薄膜140。那就是说，在第一个步骤中，SOI衬底100的表面硅层130变形为单晶碳化硅薄膜140。
通过表面硅层130的变形得到上述单晶碳化硅薄膜140，因此单晶碳化硅薄膜140的厚度等于表面硅层130的薄膜厚度。那就是说，根据SOI衬底100的表面硅层130的薄膜厚度能够任意控制单晶碳化硅薄膜140的薄膜厚度。
这里，上述氢气G1是承载气，而丙烷用作碳氢气G2。例如，当氢气供应部件310的氢气G1供应量是1000cc/分钟时，碳氢气供应部件320中的碳氢气G2供应量为10cc/分钟。
<第二步>(见图1(C))
过分执行上述第一步骤，这样在这个第二步骤中在上述单晶碳化硅薄膜140上沉积碳薄膜150。通过连续进行上述第一步骤一段时间，例如从几分钟到几个小时，沉积上述碳薄膜150。
<第三步>(见图1(D))
在第三步中，用惰性气体G4取代由上述碳氢气供应部件320供应的碳氢气G2和由上述氢气供应部件310供应的氢气G1，其中以预定比率混合氧气G3，然后将上述SOI衬底100加热到不低于550℃，(例如大约650℃)，这样蚀刻并且除去上述碳薄膜150。例如，氩气可以用作上述惰性气体G4。另外，至于与这个惰性气体G4混合的氧气G3，例如在从惰性气体供应部件340中的惰性气体G4的供应量为1000cc/分钟时，从氧气供应部件330的氧气供应量调整为100cc/分钟。
同时，当惰性气体G4与所提供的氧气G3混合时，通过加热装置230将SIO衬底100加热到大约650℃。将这个条件保持一段时间，从几分钟到几个小时。
作为化学反应 的结果，在SOI衬底100表面上形成的碳薄膜150改变为二氧化碳气体。这样，就蚀刻并除去了碳薄膜150。这里，通过排气装置210将该二氧化碳气体释放到加热炉200外侧。
<第四步>(见图1(E))
在第四步中，用不混合氧气的纯惰性气体G4取代上述混合有氧气的惰性气体G4，并且在上述加热炉200中的气体温度上升到预定温度。这里，纯氩气用作上述纯惰性气体G4。在第四步中用纯惰性气体G4取代加热炉200中气体的目的是避免当在下面的第五步骤中使用硅烷气G5时，甲基硅烷与氧气的爆炸反应。
至于上述加热炉200中的气体温度，适宜为500℃到1405℃。
这里，通过停止供应在上述第三步骤中向加热炉200供应的氧气G3并且连续供应惰性气体G4，将上述纯惰性气体G4供应到加热炉200。
<第五步>(见图1(F))
在第五步中，氢气G1从氢气供应部件310供应到加热炉200，硅烷气体G5从硅烷气体供应部件350供应到加热炉200，并且保持上述预定的气体温度(500℃～1405℃)，这样制成了新的单晶碳化硅薄膜160，生长在上述SOI衬底100的表面上的单晶碳化硅薄膜140上。
例如，对于上述硅烷气体G5，使用了甲基硅烷气体。该甲基硅烷气体分解产生硅，并且硅与单晶碳化硅薄膜140中的碳反应，从而在单晶碳化硅薄膜140上形成了新增的单晶碳化硅薄膜160。
这里，对于上述硅烷气体G5，除了甲基硅烷气体外，能够使用甲硅烷，乙硅烷，二甲基硅烷，二氯硅烷，等等气体。
在上述方法中能够制作有单晶碳化硅薄膜140和160的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底。
这里，虽然分别从氢气供应部件3 10供应氢气G1，从碳氢气体供应部件320供应碳氢气体G2，从氧气供应部件330供应氧气G3，从惰性气体供应部件340供应惰性气体G4(包括纯惰性气体)，以及从硅烷气体供应部件350供应硅烷气体G5，在上述实施例中，可以预先以预定比率混合氢气G1和碳氢气G2制备在第一步骤中需要的混合气体(G1+G2)，和预先以预定比率混合惰性气体G4和氧气G3制备在第三步骤中需要的混合气体，并且预先以预定比率混合在第五个步骤中所需的氢气和硅烷气体。
这里，从改变各种气体的混合比率以适合各种化学反应的便利角度来看，分别提供各种气体的系统比以预定比率预先提供混合各种气体来制备混合气体的系统更灵活。
根据本发明的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法有放置SOI衬底的步骤，所述SOI衬底的表面硅层薄膜厚度不大于10nm并且有埋置绝缘体，并且它在加热炉中，在加热炉中气体温度增加并且将氢气和碳氢气的混合气体输送到上述加热炉中，这样上述SOI衬底的表面硅层变形到单晶碳薄膜。
因此，根据这个制作方法而不插入硅层将在埋置氧层上直接形成单晶碳化硅薄膜，这将在常规等离子体型气相反应方法中在单晶碳化硅薄膜和埋置氧层之间产生问题。因此，根据这个制作方法制作的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底解决了常规的问题，诸如各种缺陷的出现，在单晶碳化硅薄膜和位于单晶碳化硅薄膜下面分界面的粗糙分界面。另外，这个制作方法只需要简单的加热炉，诸如电炉，并且它也不象现有技术那样需要保持高真空，因此，这个制作方法能够用于简化制作装置和制作工艺，并从而减少制作费用。
另外，当表面硅层的薄膜厚度不大于10nm时，不象薄膜厚度不小于10nm的情况，可以消除由单晶碳化硅生长的局部晶核导致的晶粒存在，这样能够得到极好的表面条件。

Claims (7)

1.一种埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法，其特征在于，包括下面步骤：
把带有预定厚度表面硅层和埋置绝缘体的SOI衬底放置到加热炉中，通过将氢气和碳氢气体的混合气体输送到所述加热炉中并且提高加热炉中的气体温度，从而将所述SOI衬底的表面硅层变形为单晶碳化硅薄膜。
2.一种制作埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法，其特征在于，包括：
第一步，把带有预定薄膜厚度表面硅层和埋置绝缘体的SOI衬底放置到加热炉中，将氢气和碳氢气体的混合气体输送到所述加热炉中并且提高加热炉中的气体温度，这样所述SOI衬底的表面硅层变形为单晶碳化硅薄膜；第二步是，通过过分地执行所述第一个步骤在所述单晶碳化硅薄膜上沉积碳薄膜；第三个步骤是，用以预定比率混合有氧气的惰性气体代替所述混合气体，并且将所述SOI衬底加热到550℃或更高，这样通过蚀刻除去所述碳薄膜；第四个步骤是用不混合氧气的纯惰性气体取代所述混合有氧气的惰性气体，并且将所述加热炉中的大气温度升高到预定的温度；第五个步骤是在保持所述大气预定温度的条件下，将氢气和硅烷气加入加热炉中，这样使新的单晶碳化硅薄膜生长在所述S0I衬底的表面上的单晶碳化硅薄膜上。
3.如权利要求1或2所述的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法，其特征在于，所述预定厚度的表面硅层的薄膜厚度为10nm或更小。
4.如权利要求2所述的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法，其特征在于，所述预定温度的范围为500℃到1405℃。
5.如权利要求1，2，3或4所述的埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作方法，其特征在于，所述连续反应在大气压强下完成。
6.一种埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作装置，其特征在于，包括：
加热炉，其中SOI衬底有预定厚度的表面硅层和埋置绝缘体，并且它有加热SOI衬底的加热装置；供气装置，将各种气体供应到这个加热炉，其特征是所述供气装置能够至少提供氢气，碳氢气，氧气，惰性气体和硅烷气到加热炉。
7.一种埋置绝缘体型半导体碳化硅衬底的制作装置，其特征在于，所述加热炉的内部为大气压强。
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