本發(fā)明涉及一種第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料制備技術(shù)，特別涉及一種SiC薄膜材料的制備方法。
背景技術(shù)：
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目前,第三代電子材料從正在研究和發(fā)展的激烈競爭中脫穎而出,它們將在一段較長的時期內(nèi)對微電子學(xué)和光電子學(xué)產(chǎn)生影響,這些材料就是寬帶隙(Eg>2.3eV)半導(dǎo)體,它們包括:氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)、立方氮化硼(c-BN)、金剛石及其固溶體。
SiC作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料,具有帶隙寬、臨界擊穿場強(qiáng)高、飽和電子漂移速度大等優(yōu)點(diǎn),是高溫、高頻、高功率半導(dǎo)體器件的首選材料,在微電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于SiC的單晶制備技術(shù)較復(fù)雜,成本較高,所以采用在Si基片上異質(zhì)外延生長SiC的方法成為了研究的熱點(diǎn)。
然而這一方法首要需要解決的是SiC與Si之間存在較大的晶格失配度(約20％)和熱膨脹系數(shù)差異(8％)。因此,SiC在Si基片上的異質(zhì)外延制備仍存在困難,還有很多問題需要研究解決。為了減少失配缺陷,常用工藝為先碳化再外延生長，即在生長SiC之前,只引入C源,在Si上先生長一層SiC緩沖層后,然后同時通入Si源和C源生長SiC，盡管如此，SiC外延層和Si襯底界面仍不可避免地存在少量的空洞缺陷，碳化緩沖層質(zhì)量也不能使得隨后的外延為完美的同質(zhì)外延，SiC薄膜晶體質(zhì)量仍然不能讓人滿意。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種SiC薄膜材料的制備方法，有效提高制得的SiC薄膜材料的晶體質(zhì)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種SiC薄膜材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)提供并清洗單晶Si襯底，并在該單晶Si襯底上設(shè)置一碳納米管層；
(2)將設(shè)置有碳納米管層的生長襯底放入HFCVD系統(tǒng)，以SiH4為硅源，H2作為硅源稀釋氣體和載氣，在碳納米管層表面形成SiC膜；
(3)將步驟(2)形成的襯底放入MOCVD系統(tǒng)，C3H8碳化未被碳納米管覆蓋的單晶Si襯底，形成碳化膜；
(4)SiH4和C3H8為生長源生長SiC，形成表面平整的SiC薄膜緩沖層，之后在H2氣氛下退火；
(5)SiH4和C3H8為生長源生長SiC，之后在H2氣氛下退火，形成SiC薄膜層。
優(yōu)選地，MOCVD系統(tǒng)內(nèi)添加外部光源，薄膜生長時使外部光源直接照射襯底。
優(yōu)選地，碳納米管層中多個碳納米管沿著平行于碳納米管層表面的方向延伸。
優(yōu)選地，步驟(3)達(dá)到碳化溫度之前的C3H8流量小于達(dá)到碳化溫度之后的C3H8流量。
優(yōu)選地，步驟(3)在進(jìn)行碳化之后，在H2氣氛下退火。
優(yōu)選地，步驟(4)或者(5)可循環(huán)重復(fù)多次,硅碳比依次減小。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過設(shè)置碳納米管層并且在碳納米管表面形成SiC膜以及對未被碳納米管覆蓋的單晶Si襯底碳化的處理，減小了SiC薄膜生長時熱應(yīng)力以及晶格失配；硅碳比較小時,生長過程先較大硅碳比低速生長減少生長過程中缺陷，后減小硅碳比生長使薄膜晶粒尺寸以及分布更加均勻；多次退火使得結(jié)晶質(zhì)量更好；薄膜生長時若受到外部光源直接照射襯底，將提高表面活性，進(jìn)而降低生長所需溫度，進(jìn)而能減小因溫度高而引起的缺陷。
具體實(shí)施方式：
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
一種SiC薄膜材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)提供并清洗單晶Si襯底，并在該單晶Si襯底上鋪設(shè)一碳納米管層，碳納米管層中多個碳納米管沿著平行于碳納米管層表面的方向延伸；
(2)將設(shè)置有碳納米管層的生長襯底放入HFCVD系統(tǒng)，以SiH4為硅源，H2作為硅源稀釋氣體和載氣，在碳納米管層表面形成SiC膜；
HFCVD系統(tǒng)利用熱鎢絲的2000℃高溫對氣源即SiH4和H2進(jìn)行分解，然后利用分解產(chǎn)生的原子和原子團(tuán)在300℃的單晶Si襯底上沉積生長SiC膜，體系中，氣體壓強(qiáng)為10Pa，SiH4濃度5％。
(3)將步驟(2)形成的襯底放入MOCVD系統(tǒng)，反應(yīng)室壓力設(shè)為200mbar，溫度升到800℃后10ml/min通入C3H8，溫度達(dá)到碳化溫度1200℃后，C3H8流量調(diào)至40ml/min，碳化未被碳納米管覆蓋的單晶Si襯底，碳化時間10min，形成碳化膜；
(4)升溫至1300℃，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比5:1，生長15min SiC，形成表面平整的SiC薄膜緩沖層，之后溫度不變，在H2氣氛下退火10min；
(5)溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為2:1，生長60min SiC，之后在H2氣氛下退火10min；形成SiC薄膜層；
本實(shí)施例，XRD測試顯示，外延薄膜只存在3C-SiC(111)峰，不存在其它SiC峰，其XRD半峰寬為0.35°，薄膜結(jié)晶質(zhì)量好。
實(shí)施例2
一種SiC薄膜材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)提供并清洗單晶Si襯底，并在該單晶Si襯底上鋪設(shè)一碳納米管層，碳納米管層中多個碳納米管沿著平行于碳納米管層表面的方向延伸；
(2)將設(shè)置有碳納米管層的生長襯底放入HFCVD系統(tǒng)，以SiH4為硅源，H2作為硅源稀釋氣體和載氣，在碳納米管層表面形成SiC膜；
HFCVD系統(tǒng)利用熱鎢絲的2000℃高溫對氣源即SiH4和H2進(jìn)行分解，然后利用分解產(chǎn)生的原子和原子團(tuán)在300℃的單晶Si襯底上沉積生長SiC膜，體系中，氣體壓強(qiáng)為10Pa，SiH4濃度5％。
(3)將步驟(2)形成的襯底放入MOCVD系統(tǒng)，反應(yīng)室壓力設(shè)為200mbar，溫度升到800℃后10ml/min通入C3H8，溫度達(dá)到碳化溫度1200℃后，C3H8流量調(diào)至40ml/min，碳化未被碳納米管覆蓋的單晶Si襯底，碳化時間10min，形成碳化膜；
(4)升溫至1300℃，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比5:1，生長20min SiC，形成表面平整的SiC薄膜緩沖層，之后溫度不變，在H2氣氛下退火10min；
(5)溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為4:1，生長10min SiC，之后在H2氣氛下退火10min；溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為3:1，生長10min SiC，之后在H2氣氛下退火10min；溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為2:1，生長60min SiC，之后在H2氣氛下退火10min，形成SiC薄膜層；
本實(shí)施例，XRD測試顯示，外延薄膜只存在3C-SiC(111)峰，不存在其它SiC峰，其XRD半峰寬為0.28°，薄膜結(jié)晶質(zhì)量好。
實(shí)施例3
一種SiC薄膜材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)提供并清洗單晶Si襯底，并在該單晶Si襯底上鋪設(shè)一碳納米管層，碳納米管層中多個碳納米管沿著平行于碳納米管層表面的方向延伸；
(2)將設(shè)置有碳納米管層的生長襯底放入HFCVD系統(tǒng)，以SiH4為硅源，H2作為硅源稀釋氣體和載氣，在碳納米管層表面形成SiC膜；
HFCVD系統(tǒng)利用熱鎢絲的2000℃高溫對氣源即SiH4和H2進(jìn)行分解，然后利用分解產(chǎn)生的原子和原子團(tuán)在300℃的單晶Si襯底上沉積生長SiC膜，體系中，氣體壓強(qiáng)為10Pa，SiH4濃度5％。
(3)將步驟(2)形成的襯底放入MOCVD系統(tǒng)，MOCVD系統(tǒng)內(nèi)添加外部光源，薄膜生長時使外部光源直接照射襯底。反應(yīng)室壓力設(shè)為200mbar，溫度升到1000℃，H2氣氛下退火2min，之后40ml/min通入C3H8，碳化未被碳納米管覆蓋的單晶Si襯底，碳化時間10min，形成碳化膜；
(4)升溫至1150℃，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比5:1，生長20min SiC，形成表面平整的SiC薄膜緩沖層，之后溫度不變，在H2氣氛下退火10min；
(5)溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為4:1，生長10min SiC，之后在H2氣氛下退火10min；溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為3:1，生長10min SiC，之后在H2氣氛下退火10min；溫度不變，SiH4和C3H8為生長源，硅碳比調(diào)為2:1，生長60min SiC，之后在H2氣氛下退火10min，形成SiC薄膜層；
本實(shí)施例，XRD測試顯示，外延薄膜只存在3C-SiC(111)峰，不存在其它SiC峰，其XRD半峰寬為0.22°，薄膜結(jié)晶質(zhì)量好。