[发明专利]一种硅衬底上3C碳化硅材料外延生长方法

说明书

本发明公开了一种硅衬底上3C碳化硅材料外延生长方法，选择商业化的硅衬底并清洗；在硅衬底正面涂覆光刻胶，经光刻、显影、坚膜后刻蚀以形成刻蚀道；沉积SiO2填充刻蚀道，并使晶片表面平坦化；使用H2气体高温刻蚀硅衬底结构表面，去除晶片表面损伤层；在外延炉中通入H2气体为载气，并通入碳源气体，对衬底表面进行碳化；在外延炉中通入H2气体为载气，通入硅源气体、碳源气体及掺杂气体，并在高温下反应生成3C碳化硅。本发明相比于传统的4H碳化硅同质外延，在外延生长前预先在硅衬底上形成应力释放结构，降低了外延生长过程中由于晶格失配及热膨胀失配带来的缺陷、孔洞和碎片等问题。

技术领域

本发明属于半导体材料生长技术领域，具体涉及一种硅衬底上3C碳化硅材料外延生长方法。

背景技术

碳化硅材料具有高击穿电压，高热导率等一系列优势，成为高压大功率电力电子器件材料的首选。受限于昂贵的4H碳化硅衬底价格，商业化的碳化硅器件价格较为昂贵，限制了其应用范围。

3C碳化硅是唯一能够在硅衬底上外延生长的碳化硅材料，这一优势使得大规模3C碳化硅基功率器件具有极低的成本。3C碳化硅是一种具有立方晶型的碳化硅晶体，其与4H碳化硅有接近的物理特性，仅击穿电场和禁带宽度稍低。同时立方晶型的碳化硅相对于4H等六方晶型的碳化硅材料，晶格损伤也更容易修复，使其器件工艺中，可采用更低的温度，降低了工艺成本。硅衬底上3C碳化硅材料可以用于制备3C碳化硅JBS器件，3C碳化硅MOSFET器件等，应用在消费级市场中，大幅降低器件的价格。

3C碳化硅材料与硅衬底材料的晶格失配较大，达到了20％，同时热膨胀失配也达到了8％，因此3C碳化硅材料的外延生长最主要的问题是晶格失配和热膨胀失配带来的应力问题，随着厚膜外延生长，应力不断被积累，导致缺陷晶型的产生或在外延过程中产生孔洞，同时内部应力有可能造成硅衬底上3C碳化硅外延过程中出现碎片。因此，硅材料上外延生长碳化硅的关键是释放晶格失配和热膨胀失配带来的应力问题。

发明内容

本发明提出了一种在硅衬底上3C碳化硅材料外延生长方法，利用外延生长前预先在硅衬底上形成应力释放结构，以降低外延生长过程中由于晶格失配及热膨胀失配带来的缺陷、孔洞和碎片等问题。

一种硅衬底上3C碳化硅材料外延生长方法，包含以下步骤：

S1、选择商业化的硅衬底，进行RCA清洗；

S2、在硅衬底正面涂覆光刻胶，经光刻、显影、坚膜后，刻蚀硅衬底，以在硅衬底上形成刻蚀道；

S3、在上述所形成的硅图形化衬底的表面沉积SiO2，以填充所述刻蚀道，并进行化学机械剖光，使晶片表面平坦化；

S4、使用H2气体高温刻蚀硅衬底结构表面，以去除晶片表面损伤层；

S5、在外延炉中通入H2气体为载气，并通入碳源气体，对衬底表面进行碳化；

S6、在外延炉中通入H2气体为载气，通入硅源气体、碳源气体及掺杂气体，并在1200℃以上进行反应，以在硅衬底上反应生成3C碳化硅。

进一步地，在步骤S2中光刻时可选择拟制备器件的划片道光刻版，刻蚀气体选择CF4、CHF3、C3F6或C4F8气体，刻蚀深度为1μm至10μm。

进一步地，步骤S3中所沉积SiO2的薄膜厚度大于步骤S2中刻蚀道的深度。

进一步地，在步骤S4中，H2气体在1250℃下对硅衬底表面进行刻蚀，H2气体流量为10slm至30slm。

进一步地，在步骤S5中，所述碳源气体可选CH4、C2H4或C3H6，流量为10sccm以下。

进一步地，在步骤S6中，所述硅源气体可选SiH4、SiH2Cl2或SiHCl3，所述碳源气体可选CH4、C2H4或C3H6，所述掺杂气体可选择NH3、N2或TMA。