[发明专利]一种优化的在硅衬底上外延生长β-碳化硅薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种优化的在硅衬底上化学气相沉积生长高质量β‑碳化硅薄膜的方法。本方法采用非常低的碳化压力通入大流量丙烷碳化形成高质量的碳化硅缓冲层。然后保持大流量的氢气气氛，以较低速率生长一层薄的β‑碳化硅薄，再加入一个刻蚀过程来降低缺陷和提高晶体质量，最后以高速率生长得到高质量β‑碳化硅薄膜。外延过程中使用纯硅烷和纯丙烷作为生长源，氢气作为载气。外延碳化硅生长源流量和外延生长时间根据外延层结构设定，当外延层厚度较厚时在高速率生长过程中间加入一个短的刻蚀过程。采用本方法可以获得高质量的β‑碳化硅薄膜。本发明方法工艺简单易行、成本低廉，具有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及的是一种优化的在硅衬底上外延生长高质量β-碳化硅薄膜的方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，与硅相比具有独特的物理性能和电学性能，具有击穿电场强度大、高电子饱和漂移速率、高电子迁移率、高热导率、高熔点、抗辐射能力强和化学稳定性好等优点，从而在制作工作在高温、高压、高速、高频及强辐射等极端条件下的电子器件上有十分广阔的应用前景。相对于同质外延的其它SiC晶型，β-碳化硅（3C-SiC）具有相对高的电子迁移率、高的饱和电子漂移速度，由于其可以在硅（Si）上外延生长，从而具备制作大面积器件、与成熟的Si器件工艺兼容和低成本的优势。另外，异质外延的SiC还可作为在Si衬底上生长氮化镓、石墨烯和其他相关其它相关新材料的缓冲层。所以，Si衬底上3C-SiC的异质外延引起了人们的广泛关注。然而由于异质外延过程中存在因衬底与外延层之间热膨胀系数和晶格常数失配的问题，造成外延薄膜中存在巨大的失配位错和应力，使得在Si衬底上异质外延的3C-SiC薄膜的晶体质量下降。因此，在Si衬底上制备高质量3C-SiC薄膜是实现Si基SiC器件实际应用的关键。

目前，为了得到制作碳化硅器件所需的高质量3C-SiC外延薄膜，常用工艺是碳化形成碳化硅缓冲层而后再外延生长。即外延生长3C-SiC薄膜之前通常通过通入碳源将Si衬底碳化，生成一层极薄的SiC缓冲层，再在此缓冲层基础上外延生长3C-SiC薄膜。尽管如此，由于通过碳化得到缓冲层质量问题使得随后的外延不是完美的同质外延，得到的3C-SiC薄膜晶体质量仍然不能够满足Si基SiC器件的实际应用的要求。另外，现有文献及专利报道的方法主要针对设备改造、复杂的前处理和常规工艺参数优化等方面，大都存在工艺复杂、较厚外延层晶体质量不佳或者成本较高等问题。本方法首先采用非常低的碳化压力通入丙烷（C₃H₈）碳化形成高质量的碳化硅缓冲层。在生长时保持一个大的氢气（H₂）流量气氛，首先以较低速率在上述高质量缓冲层上生长一层薄的β-碳化硅薄，之后加入一个刻蚀过程来降低缺陷和提高晶体质量，随后以高速率生长得到高质量β-碳化硅薄膜。该制备方法工艺简单易行、成本低廉，具有重大应用价值。

发明内容

本发明针对由于较大的晶格失配和热失配导致的难以在硅衬底上异质外延高质量β-碳化硅薄膜的问题，提出了一种基于化学气相沉积（CVD）设备的在硅衬底上制备β-碳化硅薄膜的工艺简单的外延方法，其目的旨在通过工艺优化有效提高外延薄膜的晶体质量。本发明通过在非常低的碳化压力下通入大流量丙烷（C₃H₈）碳化形成高质量的碳化硅缓冲层和在生长时保持一个大流量氢气（H₂）气氛，结合原位刻蚀得到高质量碳化硅缓冲层，并使得随后的外延生长过程中无二次成核，完全为台阶流模式生长，有效地提高了外延薄膜的晶体质量。另外，通过低速生长缓冲层、刻蚀和高速生长外延层

的工艺步骤，进一步提高了薄膜晶体质量。

本发明的技术解决方案，包括如下工艺步骤：

（1）衬底准备：选取Si衬底，并对其进行标准清洗待用；