專利名稱：在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長碳化硅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長半導(dǎo)體碳化硅薄膜的方法。
碳化硅是一種新型寬帶隙半導(dǎo)體材料，它具有大的禁帶寬度(6H-SiC約是Si的3倍)，高的熱導(dǎo)率(6H-SiC在300K時約是Si的3倍)，高的臨界擊穿電場(6H-SiC約是Si的10倍)。綜合評價表明，其半導(dǎo)體特性稍遜于金剛石，但遠(yuǎn)優(yōu)于Si、GaAs等常規(guī)半導(dǎo)體材料。在350～500℃以上的高溫電子學(xué)領(lǐng)域以及高頻、高功率、抗輻射器件與集成電路以及紫外線探測器、短波發(fā)光器件等方面具有巨大地應(yīng)用潛力，因此在戰(zhàn)略防御、航空、航天、核能、地?zé)?、勘探等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮日益重要的作用。近十年來，SiC單晶體制備技術(shù)上的突破，促進(jìn)了SiC器件的應(yīng)用開發(fā)研究。但是單晶體材料的高成本仍然是實(shí)用化道路上的突出障礙。通常，半導(dǎo)體器件與集成電路是制作在生長在襯底上的半導(dǎo)體薄膜上的。碳化硅器件和集成電路也是制作在用外延方法生長在襯底上的碳化硅薄膜上的。不同種類襯底上外延生長出的碳化硅薄膜具有不同的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶質(zhì)量。外延生長碳化硅薄膜最理想的襯底材料是與薄膜結(jié)構(gòu)相同的碳化硅單晶片，這就是所謂的“同質(zhì)外延”生長碳化硅薄膜。襯底材料的種類與外延薄膜不同則稱為“異質(zhì)外延”。碳化硅的異質(zhì)外延生長一般選用兩種襯底一種是硅單晶襯底，另一種是采用藍(lán)寶石(α-Al2O3)作為襯底材料。目前已經(jīng)能夠在硅襯底上生長出單結(jié)晶的3C-SiC和6H-SiC薄膜。但是由于硅與碳化硅的晶格失配以及熱膨脹系數(shù)失配很大，因此在生長的薄膜中，存在較大的熱應(yīng)力及反相邊界、堆垛層錯、位錯、微孿晶等多種結(jié)構(gòu)缺陷，這將會嚴(yán)重影響SiC晶體管、集成電路的電學(xué)特性。在藍(lán)寶石上生長硅薄膜的技術(shù)在工藝上已經(jīng)比較成熟，這就是所謂的SOS(silicon-on-sapphire)技術(shù)。SOS結(jié)構(gòu)在硅器件領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)用。SOS器件的漏電流和寄生電容極小，抗輻射性能好，在CMOS低功耗、高速、抗輻射電路中取得了很大的成功。由于藍(lán)寶石(α-Al2O3)是一種性能優(yōu)良的絕緣材料，它的禁帶寬度大(常溫下約10eV)，熔點(diǎn)高(2030℃)、硬度大，致密性好。它的化學(xué)性質(zhì)也相當(dāng)穩(wěn)定，除了能夠被硝酸和硫酸的熱混合液緩慢腐蝕之外，幾乎不與其它酸發(fā)生反應(yīng)。因此可以完全排除SiC器件制造工藝過程中，由于高溫處理襯底材料對器件帶來的不良后果。同時由于SiC是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，它制造低功耗、高頻、抗輻射器件方面具有比硅材料高得多的品質(zhì)因數(shù)。因此，可以認(rèn)為“藍(lán)寶石上SiC(SiCOSsiliconcarbide-on-sapphire)”結(jié)構(gòu)器件特別是SiCOS CMOS器件將會表現(xiàn)出更良好的性能。但是，由于藍(lán)寶石襯底材料與SiC薄膜之間仍然存在著較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，因此直接在藍(lán)寶石襯底上外延生長碳化硅薄膜，同樣會在襯底與SiC晶體的界面處產(chǎn)生高密度的失配斷層缺陷，它在生長過程中將繼續(xù)向SiC外延層延伸。這些結(jié)構(gòu)缺陷的存在將引起雜質(zhì)的重新分布，使散射截面增大，導(dǎo)致載流子遷移率下降，不利于制備高質(zhì)量的碳化硅薄膜，使器件的穩(wěn)定性、可靠性得不到保證。
本發(fā)明的目的是針對藍(lán)寶石襯底材料與SiC薄膜之間存在著較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，及在藍(lán)寶石襯底上直接生長碳化硅薄膜時薄膜與襯底之間粘附性差，不易咸核生長的缺陷，提出一種在藍(lán)寶石襯底與SiC薄膜之間介入一層緩沖層作為過渡，以減少晶格失配的生長碳化硅薄膜的方法，改善其生長特性，提高碳化硅薄膜的質(zhì)量，保證器件的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明根據(jù)碳化硅薄膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，提出介入的緩沖層應(yīng)滿足如下要求
(1)該材料的晶格常數(shù)要與碳化硅(SiC)接近，即與SiC生長薄膜間的晶格失配要小；
(2)在高溫下構(gòu)成復(fù)合襯底材料的原子不易與碳化硅及周圍環(huán)境氣氛發(fā)生反應(yīng)；
(3)該材料要與碳化硅具有接近的熱膨脹系數(shù)，即它們之間的熱膨脹系數(shù)失配要?。?br> (4)該材料與碳化硅的粘附性要好，生長的SiC薄膜不易從復(fù)合襯底上脫落下來；
(5)該材料與藍(lán)寶石襯底要有較好的晶格匹配和熱膨脹系數(shù)匹配，容易在藍(lán)寶石襯底上生長，粘附性好；
(6)在生長碳化硅單晶薄膜及制備器件的過程中所遇到的各種工藝條件下，應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)；
(7)材料的電阻率高，且機(jī)械強(qiáng)度大；
(8)材料的熱導(dǎo)率高，散熱性能良好；
(9)在襯底上容易獲得高質(zhì)量、大面積、平整的單結(jié)晶薄膜。
根據(jù)以上要求，本發(fā)明采用氮化鋁(AlN)作為在藍(lán)寶石襯底上生長碳化硅(SiC)薄膜的緩沖層。即在藍(lán)寶石襯底上先淀積一層AlN材料作為緩沖層形成復(fù)合襯底，再在其復(fù)合襯底上外延生長SiC薄膜，形成藍(lán)寶石-緩沖層-碳化硅三層結(jié)構(gòu)，在藍(lán)寶石AlN復(fù)合襯底上得到的是單結(jié)晶的6H-SiC薄膜。其工藝如

圖1所示，即過程如下
(1)藍(lán)寶石襯底采用C面(0001)，拋光表面；
(2)對藍(lán)寶石單晶襯底進(jìn)行預(yù)處理；
①用H2SO4∶H3PO4＝3∶1進(jìn)行腐蝕處理12min，去離子水沖洗，烘干待用
②在H2氣流中，1150℃的高溫下熱處理10min，除去表面損傷
(3)用化學(xué)氣相淀積法(CVD)在藍(lán)寶石襯底上生長AlN緩沖層；
源物質(zhì)為三甲基鋁(TMA)和氨氣(NH3)
源物質(zhì)通人時間30～60秒
生長溫度700～1000℃
淀積的AlN緩沖層形態(tài)與結(jié)構(gòu)單結(jié)晶六方結(jié)構(gòu)，厚度為50nm～150nm，
襯底呈無色狀
(4)用CVD方法在該“藍(lán)寶石-AlN緩沖層”復(fù)合襯底上外延生長SiC薄膜；
氣體源為硅烷(SiH4)、丙烷(C3H8)
稀釋及輸運(yùn)氣體為H2
生長溫度為1300～1400℃
反應(yīng)室壓力為常壓。
由于AlN具有與藍(lán)寶石較好的粘附性，其晶格常數(shù)接近碳化硅之間，能在藍(lán)寶石上迅速成核生長的優(yōu)點(diǎn)，因此本發(fā)明利用AlN作為緩沖層，能夠獲得光滑、連續(xù)、平整的碳化硅鏡面薄膜，且可使碳化硅與藍(lán)寶石一氮化鋁復(fù)合襯底的界面態(tài)及在其上生長的碳化硅薄膜的結(jié)晶質(zhì)量比直接生長在藍(lán)寶石上有很大的改善；同時由于AlN緩沖層具有的高電阻率很高(1010Ω.cm)，故不會降低藍(lán)寶石襯底的絕緣質(zhì)量；此外由于AlN的帶隙很寬(6.2eV)，它對紫外光是透明的，因此作為緩沖層不會影響SiC在短波光電器件方面的應(yīng)用。本發(fā)明在藍(lán)寶石-氮化鋁復(fù)合襯底上已經(jīng)得到的單結(jié)晶碳化硅薄膜質(zhì)量，明顯優(yōu)于在硅襯底上得到的薄膜，所形成的“藍(lán)寶石-AlN復(fù)合襯底-SiC薄膜”結(jié)構(gòu)本身就是一種SiCOI(Silicon carbide-on Insulator)結(jié)構(gòu)，是制作SiCOICMOS器件的基礎(chǔ)，且采用的藍(lán)寶石襯底材料比碳化硅單晶片的成本要低廉。實(shí)測表明
(1)對本發(fā)明在C面藍(lán)寶石-AlN復(fù)合襯底上生長的SiC薄膜樣品用多晶多反射高分辨率X射線衍射儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其樣品的SiC外延層均為單晶六方結(jié)構(gòu)；AlN、SiC外延層的晶體取向與藍(lán)寶石襯底相同，未發(fā)現(xiàn)晶面彎曲現(xiàn)象，如圖2所示；
(2)在藍(lán)寶石-氮化鋁復(fù)合襯底上得到SiC薄膜應(yīng)力低于在硅襯底上得到SiC應(yīng)力的5倍，如表1所示；
(3)在藍(lán)寶石-氮化鋁復(fù)合襯底上得到SiC薄膜折射率在正常的SiC薄膜范圍內(nèi)，見表2。表1 18#樣品應(yīng)力及與SiC/Si(111)結(jié)構(gòu)[6]的比較
(注)應(yīng)力ε計算方法
，其中d實(shí)、d標(biāo)分別為實(shí)測面間距與標(biāo)準(zhǔn)面間距。表2 樣品的折射率
圖示說明與實(shí)施例
圖1是本發(fā)明的制作工藝流程圖
圖2是本發(fā)明AlN、SiC外延層的多晶多反射分辨率X射線衍射儀分析結(jié)果圖
實(shí)施例1(樣品8#)
在藍(lán)寶石襯底C面上，用H2SO4∶H3PO4＝3∶1進(jìn)行腐蝕處理12min；去離子水沖洗；烘干待用；在CVD設(shè)備中高溫處理將樣品置于石墨基板上，在H2氣流中，徐徐升溫到1150℃的溫度，熱處理10min；然后降溫至800℃，通入源物質(zhì)NH3、TMA，時間60秒，生長氮化鋁緩沖層，厚度為50nm；然后關(guān)閉NH3和TMA，系統(tǒng)在H2氣氛中升溫到1300℃，通入SiH4和C3H8，生長碳化硅，得到單結(jié)晶的6H-SiC薄膜。
實(shí)施例2(樣品18#)
在藍(lán)寶石襯底C面，用H2SO4∶H3PO4＝3∶1進(jìn)行腐蝕處理12min；去離子水沖洗；烘干待用；在CVD設(shè)備中高溫處理將樣品置于石墨基板上，在H2氣流中，徐徐升溫到1150℃的溫度，熱處理10min；然后降溫至1000℃，通入源物質(zhì)NH3、TMA，時間30秒，生長氮化鋁緩沖層80nm；然后關(guān)閉NH3和TMA，系統(tǒng)在H2氣氛中升溫到1360℃，通入SiH4和C3H8，生長碳化硅，得到單結(jié)晶的6H-SiC薄膜。
實(shí)施例3(樣品18#)
在藍(lán)寶石襯底C面，用H2SO4∶H3PO4＝3∶1進(jìn)行腐蝕處理12min；去離子水沖洗；烘干待用；在CVD設(shè)備中高溫處理將樣品置于石墨基板上，在H2氣流中，徐徐升溫到1150℃的溫度，熱處理10min；然后降溫至700℃，通入源物質(zhì)NH3、TMA，時間40秒，生長氮化鋁緩沖層150nm；然后關(guān)閉NH3和TMA，系統(tǒng)在H2氣氛中升溫到1400℃，通入SiH4和C3H8，生長碳化硅，得到單結(jié)晶的6H-SiC薄膜。
權(quán)利要求
1.一種在藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長碳化硅薄膜的方法，采用氮化鋁(AlN)作為在藍(lán)寶石襯底上生長碳化硅(SiC)薄膜的緩沖層。即在藍(lán)寶石襯底上先淀積一層AlN材料作為緩沖層形成復(fù)合襯底，再在其復(fù)合襯底上外延生長SiC薄膜，形成藍(lán)寶石-緩沖層-碳化硅多層結(jié)構(gòu)，在藍(lán)寶石-AlN復(fù)合襯底上得到單結(jié)晶的6H-SiC薄膜。其工藝過程如下
(1)藍(lán)寶石襯底采用C面，拋光表面；
(2)對藍(lán)寶石單晶襯底進(jìn)行預(yù)處理；
①用H2SO4∶H3PO4＝3∶1進(jìn)行腐蝕處理12min，去離子水沖洗，烘干待用
②在H2氣流中，1150℃的高溫下熱處理10min，除去表面損傷
(3)用CVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長AlN緩沖層；
源物質(zhì)為三甲基鋁TMA和氨氣NH3；
源物質(zhì)通人時間30～60秒
生長溫度700～1000℃
淀積的AlN緩沖層形態(tài)與結(jié)構(gòu)單結(jié)晶六方結(jié)構(gòu)，厚度為50nm～150nm，
(4)用CVD方法在該“藍(lán)寶石-AlN緩沖層”復(fù)合襯底上外延生長SiC薄膜；
氣體源為硅烷SiH4，和丙烷C3H8，
稀釋及輸運(yùn)氣體為H2；
生長溫度為1300～1400℃；
反應(yīng)室壓力為常壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長半導(dǎo)體碳化硅薄膜的方法。主要解決在藍(lán)寶石襯底上直接生長碳化硅薄膜時薄膜與襯底之間粘附性差,不易核生長的缺陷。提出一種在藍(lán)寶石襯底與SiC薄膜之間介入一層緩沖層作為過渡,以減少晶格失配的生長碳化硅薄膜的方法,即在藍(lán)寶石襯底上先淀積一層AlN材料作為緩沖層,形成復(fù)合襯底,再在其復(fù)合襯底上外延生長SiC薄膜,形成藍(lán)寶石－緩沖層－碳化硅三層結(jié)構(gòu),在藍(lán)寶石AlN復(fù)合襯底上得到單結(jié)晶的6H－SiC薄膜。本發(fā)明在藍(lán)寶石－氮化鋁復(fù)合襯底上已經(jīng)得到的單結(jié)晶碳化硅薄膜,具有明顯優(yōu)于在硅襯底上得到的薄膜質(zhì)量,其應(yīng)力低于在硅襯底上得到SiC應(yīng)力的5倍,折射率在正常的SiC薄膜范圍內(nèi)之優(yōu)點(diǎn),是制作SiCOI CMOS器件的重要技術(shù),且可保證器件的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號H01L21/02GK1369904SQ0110674
公開日2002年9月18日 申請日期2001年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月14日
發(fā)明者郝躍, 彭軍 申請人:西安電子科技大學(xué)