專利名稱：碳化硅層的制造方法、氮化鎵半導(dǎo)體器件以及硅襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在硅襯底的表面上制造碳化硅層的方法、形成在所述碳化 硅層上的氮化鎵半導(dǎo)體器件以及包括所述碳化硅層的硅襯底。
背景技術(shù)：
作為在硅襯底的表面上形成碳化硅(SiC )的技術(shù)方法，目前已經(jīng)知道 使用飽和脂肪族烴和四氯化硅的同系物(homologue)作為原材料的化學(xué) 氣相淀積(CVD )方法。例如， 一種使用丙烷(C3H8)和三氯珪烷(SiHCl3) 作為原材料通過CVD法在Si襯底的表面上生長SiC薄膜的技術(shù)(參見例 ^口"Silicon畫based Heterodevice", Seijiro Furukawa & Yoshihito Amamiya, Mamzen Co., Ltd., July 30,1992， pp. 91-93 )。
作為形成碳化硅的更簡單的方法，目前已經(jīng)知道一種使用不飽和烴氣 例如乙炔(C2H2)來使珪村底的表面碳化的方法(參見例如剛在上面提到 的現(xiàn)有技術(shù))。還已經(jīng)知道一種通過在保持在10-spa的高真空中的分子束 外延(MBE)設(shè)備內(nèi)用乙炔氣體輻照襯底的表面以便使襯底的表面碳化來 形成碳化珪薄膜的方法(參見例如"Journal of Crystal Growth", T.Ohachi et al" the Netherlands, Vol. 275 (1-2)， 2005， pp. el215-e1221)。
但是，在簡單地使硅表面碳化的現(xiàn)有技術(shù)方法中，不總是在硅襯底的 表面上令人滿意地均勻地促進碳化。也就是說，不能可靠地形成具有均勾 厚度的碳化硅層。這是個問題。硅襯底表面的一部分區(qū)域沒有被碳化珪層 覆蓋，而是曝露在空氣中。因此，甚至當這樣的構(gòu)成不均勻的層被用作下層(under layer)時，不能產(chǎn)生具有均勻統(tǒng)一的晶形的上層(upper layer) 的形成。
立方碳化硅晶體(3C-SiC;晶格常數(shù)=0.436 nm )具有與立方氮化鎵晶 體(GaN;晶格常數(shù)=0.451 nm)基本上相同的晶格常數(shù)。此外，立方碳 化硅的(110 )面的晶格間距(=0.308 nm )與六方GaN晶體的a-軸的晶格 間距(=0.318 nm)基本上一致。因此，立方碳化硅晶體層可以構(gòu)成晶格匹 配的下層，用于在其上生長立方或者六方氮化鎵晶體上層。但是，根據(jù)現(xiàn) 有技術(shù)，如上所述，不可能可靠地形成均勻地覆蓋硅襯底的整個表面的碳 化硅層。為此，在想要使用晶格匹配優(yōu)良的碳化硅層作為下層來形成GaN層時，碳化珪層無法構(gòu)成能夠在其上形成具有均勻的結(jié)晶特性的III族氮化物半導(dǎo)體層的下層。這也是個問題。
本發(fā)明就是考慮到上述問題而提出的。本發(fā)明的目的是提供一種通過 用包括飽和脂肪族烴或者不飽和烴的氣體輻照珪襯底的表面而能夠均勻地 覆蓋所述硅村底表面的碳化硅層的制造方法，提供一種形成在所述碳化硅 層上的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，以及提供一種包括所述碳化硅層的硅襯底。

發(fā)明內(nèi)容
為實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供一種在硅襯底 的表面上制造碳化硅層的方法，包括以下步驟用烴基氣體和電子束輻照 在高真空中在范圍為500℃至1050℃的溫度下加熱的所述硅襯底的表面， 以在所述硅村底表面上形成立方碳化硅層。
在包括第 一方面的本發(fā)明的第二方面中，用所述烴基氣體輻照的角度 和用所述電子束輻照的角度互不相同。
在包括笫二方面的本發(fā)明的第三方面中，關(guān)于相對于所述珪襯底的表面的仰角，用所述烴基氣體輻照的角度大于用所述電子束輻照的角度。
在包括第一到第三方面中任一方面的本發(fā)明的第四方面中，所述電子束具有范圍為150 eV至500 eV的加速能和范圍為lx(10)11電子.cm-2至 5x(10)13電子.cm-2的密度。
作為本發(fā)明的第五方面，還提供一種在根據(jù)第一到第四方面中任一方 面的方法制造的所述碳化硅層上形成的氮化鎵基半導(dǎo)體器件。
作為本發(fā)明的第六方面，還提供一種硅襯底，具有形成于其表面上的 根據(jù)第 一到第四方面中任一方面的方法制造的所述碳化硅層。
根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，用烴基氣體和電子束輻照在高真空中在范圍 為500℃至1050℃的溫度下加熱的硅襯底的表面，以在硅襯底表面上形成 立方碳化珪層。由于輻照硅襯底表面或者生長碳化硅層的電子束具有抑制 堆垛層錯(stacking faults)或者雙晶(twin crystals)的形成的作用，因 此可以穩(wěn)定地生成高品質(zhì)的立方碳化硅層，其均勻地覆蓋硅村底表面且有 很少結(jié)晶缺陷。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，其中用烴基氣體和電子束以不同的 角度輻照襯底表面，可以避免促進硅烴基氣體的不必要的分解，且可以防 止由于電離碎片(fragment)引起的碳化硅層的結(jié)晶性的惡化，從而能夠 形成品質(zhì)優(yōu)等的碳化硅層。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，其中關(guān)于相對于硅襯底表面的仰角， 用烴基氣體輻照的角度大于用電子束輻照的角度，可以抑制通過與電子碰 撞引起的烴基氣體的電離，并且因此可以降低由于烴離子的沖擊引起的對 碳化硅層的損傷，所以能夠形成品質(zhì)優(yōu)等的碳化硅層。
特別地，才艮據(jù)本發(fā)明的第四方面，其中能量束具有范圍為150 eV至 500 eV的加速能和范圍為lx(10)11電子.cm-2至5x(10)13電子.cm-2的密度，可 以避免由在高壓下被加速而具有高加速能的電子引起的硅襯底表面和碳化 硅層的損傷，從而能夠使高品質(zhì)的碳化珪層的結(jié)晶性優(yōu)良。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，本發(fā)明的上述和其它目的、特有特征以 及優(yōu)點將通過以下參考附圖在此給出的說明而變得顯而易見。


圖l是示意性的說明視圖，示出了相對于襯底表面的電子束的輻照角 和烴基氣體的噴射角。
具體實施例方式
立方碳化硅晶體層，特別是根據(jù)Ramsdell標記法的3C-碳化硅層(SiC 層)，可以被形成為含有具有不同晶面的表面的硅襯底，(參考"Electric Refractory Materials", Marcel Decker, Inc., 2000， pp.409陽411)。為形成取 向在
方向的3C-SiC層，使用具有(111) 晶面作為其表面的(in)硅作為襯底。
被有利地用于在珪襯底的表面上形成立方碳化硅晶體層的是在低溫下 分解以產(chǎn)生含碳碎片的氣態(tài)烴類，例如乙炔(C2H2)?？扇菀椎胤纸獾闹?肪族烴類氣體通過能夠精確地控制微小流速的流速控制裝置，比如漏泄閥， 被供應(yīng)到保持在高真空中的MEM設(shè)備中。當烴類氣體例如乙炔可以沿基 本上平行于硅襯底表面的水平方向噴射時，優(yōu)選以與襯底100的表面100a 成30。到90。范圍內(nèi)的仰角a噴射，如圖1所示。仰角為卯。的方向是與硅 襯底100的表面100a垂直的方向。當烴類氣體不是水平地、而是以在上述 范圍內(nèi)的角度a噴射時，碳化很容易，從而能夠在硅襯底的表面上有效地 形成立方碳化硅晶體層。
為在硅襯底的表面上形成3C-SiC層，加熱珪襯底。加熱溫度至少超 過所使用的烴類氣體在小于等于lxlO-5Pa的高真空中熱分解的溫度。通常， 最好3C-SiC層形成在被保持在400°C ，優(yōu)選在500。C至1050。C的范圍的溫 度下的珪襯底上。在被保持在超過1050。C的高溫的硅襯底上形成3C-SiC 層時，由于在它們之間的熱膨脹系數(shù)的差異，將產(chǎn)生不利的襯底"翹曲 (warping)，，。
通過除了烴類氣體的輻照以外電子束的輻照以在硅襯底的表面上形成 3C-SiC層，使得可以形成結(jié)晶性優(yōu)良的3C-SiC層。關(guān)于電子束，例如從在真空中加熱的金屬的表面熱發(fā)射的電子可以被用來輻照。為有效地產(chǎn)生熱離子電子，使用具有小功函數(shù)和^iL射常數(shù)的金屬是有利的(參考"Basic Plasma Engineering" ( Revised Edition ) ， Masanori Akasaki， Katsunori Muraoka, Masao Watanabe和Kenji Hebihara， Sangyo Tosho Kabushiki Kaisha， March 15,2004， Third Copy, p.23)。為發(fā)射具有本發(fā)明所描述 的密度的電子，例如鎢(W)(功函數(shù)-4.54eV，發(fā)射常數(shù)=70(參考前面 提到的"Basic Plasma Engineering" ( Revised Edition ) , p.23))是適合應(yīng)用的。
3C-SiC層被形成在珪襯底的表面上的狀況可以從例如反射高能電子 衍射(RHEED)裝置分析所得的圖中觀測(參考例如"Thin Film Fabrication Handbook", Thin Film and Surface Physics Division, The Japan Society of Applied Physics ( Kyoritsu Publishing Kabushiki Kaisha, October 5， 1994， First Edition, Second Copy ) ， p.195 )。通過電子束的 輻照，可以抑制在3C-SiC層中的堆垛層錯或者雙晶的產(chǎn)生，使得可以形 成品質(zhì)優(yōu)等的3C-SiC層，其具有低密度的包括堆垛層錯和雙晶的晶體缺 陷。晶體缺陷的種類和密度可以由例如截面透射電子顯微鏡(TEM)圖像 檢測。此外，可以形成具有均勻的結(jié)晶取向的3C-SiC層。例如，取向可 以由例如X射線衍射(XRD)方法的分析手段檢測。
如圖1所示，電子束輻照的角度p小于烴類氣體輻照的角度a。也就 是說，電子束以比烴類氣體小的與硅襯底表面的仰角輻照。盡管電子束的 輻照角可以與烴類氣體的輻照角相同或者大于烴類氣體的輻照角，但是輻 照的電子進入更深，以致于可能損傷在硅村底表面附近的、構(gòu)成3C-SiC 層的基體(base body)的區(qū)域，從而劣化作為基體的晶體的質(zhì)量。這是不 希望的。電子束輻照的理想角|5是在與作為標準(水平標準)的硅襯底(Si 襯底)的表面成5°到75°的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在10°到45°的范圍內(nèi)的仰角。 優(yōu)選通過轉(zhuǎn)動Si襯底或者偏斜輻照方向，使電子束輻照在Si襯底的基本 上整個表面上。
被輻照到Si襯底的表面上的電子是通過向金屬、金屬氧化物或者金屬
碳化物材料施加高壓產(chǎn)生的。對于允許發(fā)射熱離子電子的金屬，可以采用
與電接地的Si襯底之間電勢差為負(-)IOOV，更優(yōu)選為-150V到-500V 的電壓。也就是i兌，,皮輻照的電子的加速能適合在150 eV到500 eV的范 圍內(nèi)。輻照電子束的時間是否被限定到生長SiC層的最初階段不重要。盡 管輻照可以持續(xù)到SiC生長的整個時期，但是長時間的高密度電子束的連 續(xù)輻照將增加對SiC層的損傷，以致于可能無法穩(wěn)定地形成結(jié)晶性優(yōu)良的 SiC層。
在本發(fā)明中規(guī)定，輻照到Si襯底表面上的用于形成立方SiC晶體層的 電子的密度，作為每單位面積的密度，是在lxl011電子.cnT2到5xl0"電 子-cir^的范圍內(nèi)?；谠诓贾迷谳椪针娮忧斑M路徑上的金屬電極中產(chǎn)生的 電流值，可以計算出輻照的電子的密度。通過將電流(A)的測量值除以 單位電荷(1，602xl019)庫侖(C ) /電子)，可以得到輻照密度(電子/cm2 )。 具有不需要的高能的電子的輻照是不利的，這是因為即使輻照的角度像在 本發(fā)明中的一樣小，對構(gòu)成用于形成立方SiC晶體層的基體的硅襯底的表 面的損傷也是顯著的。
當在Si襯底上形成立方SiC晶體層時，除了電子束的輻照和烴類氣體 的輻照之外，可以采用同時添加調(diào)節(jié)硅(Si)或者SiC的導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。 例如，采用電子束的輻照和添加鋁(Al)可以形成p型SiC層。在允許工 作電流相對于硅襯底的表面垂直流動的發(fā)光二極管(LED)中，例如，通 常是^f吏SiC層的導(dǎo)電類型與Si襯底的導(dǎo)電類型一致，以^更電連接SiC層和 Si襯底。在允許工作電流相對于Si襯底的表面水平(橫向)流動的高遷移 率場效應(yīng)晶體管中，例如，可以利用向與形成在高阻抗Si襯底上的SiC層 中添加電補償?shù)碾s質(zhì)而成的高阻抗層。
本發(fā)明將結(jié)合實例具體描述，其中在將電子束輻照到襯底上時，在 (001)硅單晶(硅)襯底上形成立方碳化珪(SiC)層。
將摻磷(P)的Si單晶村底的(001)面用氟化氫(HF)處理，然后 用純凈水沖洗并干燥。將干燥后的襯底在室溫下通過大氣/真空負載鎖機構(gòu) 送進MBE生長設(shè)備的生長室中，并在大約lxlO^Pa的高真空中將其加熱
到1050°C。在幾分鐘內(nèi)持續(xù)在高溫下高真空中對襯底的熱處理，(2x2) 重排結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生用普通RHEED確定。
之后，將Si村底的溫度降低到卯0。C，保持真空度。在Si襯底的溫度 穩(wěn)定之后，將高純(純度99.9999%)乙炔(C2H2)氣體以0.2 cc/min的 流速朝向Si襯底的(001)面噴射(輻照)。由于乙炔氣體的噴射，在MBE 生長室中的真空度降低到大約5xl0—5 Pa。乙炔氣體以相對于Si襯底的表面 60。的仰角進行噴射。將乙炔氣體噴射到Si村底的(001)面持續(xù)正好10 分鐘，以在Si村底的(001)面上形成碳化硅(SiC)層。由RHEED的圖 ^^形狀可以確定由此所形成的SiC層為立方閃鋅礦晶體(3C-SiC)層。 3C-SiC層的表面是與Si襯底的表面相同的(001)晶面。
在形成3C-SiC層中噴射乙炔氣體的同時，將電子束以相對于Si襯底 的表面15。的仰角輻照在Si襯底的(001)面上。電子是從通過對燈絲的兩 端施加300V而械力口熱的電阻鴒(W)線圏燈絲發(fā)射出來的。根據(jù)用設(shè)置 在電子束的前進路徑上的電極測得的電流值為2.4 nA的事實，電子束的輻 照密度計算為1.5xl0"cm—2。在保持密度的條件下，從3C-SiC層的形成開 始，電子束凈皮輻照正好三分鐘。
接下來，將其上形成有3C-SiC層的Si襯底的溫度降低到750°C。然 后，通過MBE法在3C-SiC層上生長摻Si的氮化鎵層(n型GaN層)。 關(guān)于氮源，使用由頻率為13.56 MHz的微波激勵的氮等離子中提取的電中 性氮基。氮源和鎵(Ga)分子束被連續(xù)輻照在3C-SiC層的表面上正好2 小時。結(jié)果，形成1.2 jim厚的n型立方閃鋅礦GaN層。利用從高純Si 金屬產(chǎn)生的Si分子束摻雜Si。 GaN層的栽流子濃度用普通的電容電壓 (C-V)表測量,大約為3xl018cm—3。
根據(jù)對普通截面TEM圖像的觀測表明，{111}堆垛層錯和{111}雙晶的 密度減小。特別地，與不使用電子束輻照所形成的3C-SiC層相比，{111} 雙晶的密度減小到大約1/10。
作為比較例，根據(jù)在上述實例中所描述的方法，將經(jīng)it^面處理的Si 單晶村底輸送到MBE生長設(shè)備中，使用與在實例中基^目同的真空度和
相同的溫度條件，但不使用電子束輻照，在Si襯底上形成3C-SiC層。
然后在與上述實例中不同的未使用電子束輻照而形成的3C-SiC層上， 根據(jù)在實例中的描述生長n型GaN層。然后將其上形成有GaN層的Si 村底在真空中冷卻至室溫，然后從MBE設(shè)備中取出，并通過截面TEM技 術(shù)觀測3C-SiC層的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)。
根據(jù)截面TEM圖4象發(fā)現(xiàn)，許多平面缺陷存在，尤其存在于(001)Si 襯底與3C-SiC層之間的接合區(qū)域中。特別地，發(fā)現(xiàn){111}雙晶的密度為約 2xl012cm-2。這個值比使用電子束輻照生長的實例中的3C-SiC層的高約一 個數(shù)量級。這證明，在實例中描述的方法是有效的方法，呈現(xiàn)出制造具有 小雙晶密度的品質(zhì)優(yōu)等的3C-SiC層的效果。
量子阱結(jié)構(gòu)的GaN/GalnN發(fā)光層和p型AlGaN包覆層被層疊在實例 和比較實例中的各個n型GaN層上，并且形成p側(cè)電極和n側(cè)電極，從 而制造各包括氮化鎵基半導(dǎo)體的發(fā)光器件。比乾t射強度的結(jié)果是，在實 例中通過在表面層上層疊多層得到的發(fā)光器件的發(fā)光強度大于在比較實例 中通過在表面層上層疊多層得到的發(fā)光器件的發(fā)光強度?？梢韵胂竦玫剑?在實例中，由于SiC層可以均勻地覆蓋Si襯底的表面，所以在整個層疊體 中的結(jié)晶缺陷被4艮大程度地減小。
工業(yè)適用性
根據(jù)本發(fā)明，可以穩(wěn)定地制造高品質(zhì)的立方碳化硅層，其均勻地覆蓋 珪襯底的表面并具有很少的結(jié)晶缺陷。還可以避免促進烴基氣體的不必要 的分解，并防止由于電離的碎片引起的碳化硅層的結(jié)晶性的劣化，從而可 以形成品質(zhì)優(yōu)等的碳化硅層。此外還可以抑制烴基氣體由于與電子的碰撞 引起的電離，因而減少由于烴離子的沖擊對碳化硅層的損傷，從而可以形 成品質(zhì)優(yōu)等的碳化硅層。而且，可以避免由在高電壓下被加速至具有高加 速能的電子對硅襯底表面和碳化硅層的損傷，從而能夠使高品質(zhì)的碳化硅 層的結(jié)晶性優(yōu)良。因此，本發(fā)明的立方碳化硅層可有利地適用于氮化鎵基 半導(dǎo)體器件和硅襯底。
權(quán)利要求
1.一種在硅襯底的表面上制造碳化硅層的方法，包括以下步驟用烴基氣體和電子束輻照在高真空中在范圍為500℃至1050℃的溫度下加熱的所述硅襯底的表面，以在所述硅襯底表面上形成立方碳化硅層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中用所述烴基氣體輻照的角度和用所述 電子束輻照的角度互不相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中關(guān)于相對于所述硅襯底的表面的仰角， 用所述烴基氣體輻照的角度大于用所述電子束輻照的角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的方法，其中所述能量束具有范圍為 150 eV至500 eV的加速能和范圍為lx1011電子.cm-2至5xl013電子.cnT2 的密度。
5. —種在根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項的方法制造的所述碳化硅層上 形成的氮化鎵基半導(dǎo)體器件。
6. —種硅襯底，具有形成于其表面上的根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項 的方法制造的所述碳化珪層。
全文摘要
一種在硅襯底的表面上制造碳化硅層的方法，包括以下步驟用烴基氣體和電子束輻照在高真空中在范圍為500℃至1050℃的溫度下加熱的所述硅襯底的表面，以在所述硅襯底表面上形成立方碳化硅層。
文檔編號H01L21/205GK101203940SQ20068002142
公開日2008年6月18日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月14日
發(fā)明者宇田川隆 申請人:昭和電工株式會社