[发明专利]在硅衬底上形成碳化硅的方法

说明书

一种用于通过使硅衬底(1)与包括铟和多个碳原子的第一前体(200)反应而在所述硅衬底(1)上形成碳化硅(2)的方法。

技术领域

本发明总体上涉及半导体工艺技术和器件。更具体地，本发明总体上涉及一种在硅衬底的顶部上外延淀积III族氮化物层期间用于保护硅衬底的改进的方法。

背景技术

包括氮化镓(也称为GaN)的半导体器件具有承载大电流和支持高电压的能力。这使得它们在用于功率半导体器件方面越来越受欢迎。近年来，研究工作集中于开发用于高功率/高频应用的器件。通常，针对这些类型的应用而制造的器件基于显示高电子迁移率的器件结构，并且被称为异质结场效应晶体管(也称为HFET)，高电子迁移率晶体管(也称为HEMT)或调制掺杂场效应晶体管(也称为MODFET)。HEMT可用于例如模拟电路应用，诸如RF/微波功率放大器或功率开关。这样的器件在以例如100kHz至100GHz的高频工作时通常可以承受例如最高达1000伏的高压。

包括氮化镓的半导体器件生长在包括硅的衬底例如硅衬底(也被称为Si衬底)的顶部上。为了在Si衬底的顶部上获得高品质的GaN层，使用具有不同步骤和优化的加工参数的生长方法来适应GaN与Si之间的晶格和热失配。从现有技术中已知在硅衬底与GaN层之间使用AlN缓冲层。但是，在Si衬底的顶部上生长AlN非常具有挑战性。实际上，Al在Si衬底的表面上具有低迁移率，并且AlN在岛中生长。然后需要横向生长以获得在Si衬底的顶部上的AlN层。例如，美国专利公开US 2004/0119063 A1描述了一种器件，其中一些单层铝沉积在硅衬底上以保护硅衬底免受氨影响，并且然后形成AlN的成核层和包括具有不同组成的AlGaN半导体的多重超晶格的缓冲结构，以及GaN中间层或另一种富含Ga的氮化物半导体。

另一方面，似乎碳化硅，也称为SiC，特别适合于在硅衬底的顶部上生长III族氮化物层，更特别是AlN层。碳化硅由于诸如宽带隙、高饱和电子漂移速度、高击穿电场、高导热性和良好的耐化学性等特性而在许多高温、高功率和高频半导体器件应用中有用。碳化硅防止Si扩散到沉积在碳化硅的顶部上的层中，并且碳化硅还可以保护Si衬底免受氮化，并可以在AlN中引入抗压应力。

已证明可以使用一种或多种烃将硅表面碳化。然而，这需要将硅衬底加热至高温，例如衬底温度高于1000℃。例如，Cheng等人的题为“在硅衬底上形成III族氮化物材料的方法(Method for forming a group III nitride material on a silicon substrate)”的美国专利US 7666765B2描述了一种保护Si衬底免于氮化并且在AlN中引入抗压应力的方法。该方法称为“预计量加料”，并且包括使用有机金属化合物。实际上，在反应室中提供包括Al的一种或多种有机金属化合物，例如三甲基铝(也称为TMAl)、二甲基铝杂化物(也称为DMAl-H)、或三乙基铝(也称为TEAl)，以提供甲基或乙基基团与Si衬底反应，优选加热到1000℃至1200℃。由于在US 7666765B2中使用了超低流动的前体，硅表面被碳化，并因此被甲基基团钝化。在Si衬底的顶部上形成SiC单层，并且然后可以在所得SiC/Si叠层的顶部上生长AlN层。

US 7666765B2中描述的方法非常具有挑战性，因为当在反应室中引入有机金属化合物和其他气体时，它需要准确的切换顺序。在高于1000℃的温度下，TMAl已经在反应室中分解，并且甲基基团和Al原子结合至硅衬底的表面。同时，在该温度下也发生Si衬底的脱附。另外，Al原子可能扩散到Si衬底中，这是不希望的。

替代地，在生长III族氮化物材料之前，开发了其他方法来碳化Si衬底，其中这些方法包括使用包括Ga的一种或多种有机金属化合物，例如三甲基镓(也称为TMG或TMGa)、二甲基镓(也称为DMGa)、或三乙基镓(也称为TEGa)。