一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法技术

本发明专利技术提供一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，包括以下步骤：步骤1，将硅晶片衬底进行预真空处理以及预加温处理；步骤2，硅晶片传送至反应室内，再往反应室内送入SiH4，使得硅晶片衬底表面添加一层薄外延Si层；步骤3，往反应室内送入C3H6气流,并将在硅衬底表面的薄外延Si层转化为SiC层；步骤4，依次循环进行步骤2以及步骤3工艺以使得SiC层厚度达到预设数值，并得到产品；本发明专利技术作为一种替代方法，将实现与Si CMOS芯片厂的更好兼容性，从而在投资和设备处理方面大幅节约芯片生产成本。此外，Si比SiC更容易加工，这意味着标准Si加工可以很容易地适应，并且可以通过使用Si特性集成新功能，特别是在专用集成电路(ASIC)和微机电系统(MEMs)应用中。系统(MEMs)应用中。系统(MEMs)应用中。

【技术实现步骤摘要】
一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法


[0001]本专利技术涉及半导体领域，尤指一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法。

技术介绍

[0002]多年来，碳化硅(SiC)引起了工程各个领域的强烈兴趣。碳化硅最初用作研磨材料和用于机械应用上非常坚硬的陶瓷，现在的研究主要集中在其作为半导体材料和微机电(MEMs)系统的独特性能上。其高辐射和化学耐受性、高导热性(介于铜和金刚石之间)、高硬度和杨氏模量意味着SiC是微机电系统(MEMs)技术的理想材料，特别是在恶劣环境中的应用，如太空或核电厂。SiC也是电力电子的首选材料，因为它具有高电子饱和速度(～2
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107cm/s)和高临界电场(>2MV/cm)，为在高温、高压和超高速开关速度下工作的高效电力设备开辟了道路。
[0003]关于碳化硅在光学应用中的潜在应用前景，开发出来的应用还不多。由于其宽禁带(～3eV)，SiC在过去的可见光光源制造中得到了广泛的研究。尽管碳化硅的间接带隙极大地限制了其作为发光体的效率，但它在1907年被用于第一个发光二极管(LED)演示，然后商用蓝色LED也是由碳化硅制成，直到20世纪末开发出更高效的氮化镓(GaN)LED技术。而目前，SiC仍然是一种重要的光电子材料，因为缺乏GaN衬底，再加上SiC与GaN(～3％)和AlN(～1％)的低晶格失配特性，促使其成为高功率GaN LED和GaN激光二极管异质外延生长的衬底。目前第三代半导体以SiC和GaN为核心，大家对基于SiC的光子应用越来越感兴趣。作为一种宽带隙半导体，SiC在可见光和红外波段都是透明的，这对于基于该光谱范围内的低损耗波导和超高品质因数腔的光子应用非常重要。这种光子结构也可用于增强SiC衬底上生长的GaN发光二极管的性能。此外，SiC中没有出现双光子吸收，而硅(Si)和砷化镓(GaAs)光子器件会受到双光子吸收进而损害在通信范围内工作，所以高效SiC光子结构的发展能为谐波产生、参量下转换和拉曼放大等开辟新的道路。还值得一提的是，最近在SiC中发现了类似原子的单缺陷中心，在室温下具有长相干时间，这可能导致单光子源和量子器件的快速发展。
[0004]碳化硅基板的高成本和有限尺寸阻碍了碳化硅基应用的发展。迄今为止，仅150毫米碳化硅晶片可商用，但生产规模有限，成本高达几千美元。
[0005]同时在硅衬底上成长碳化硅外延(SiC
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on
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Si)方法有一个局限性，因为只能在Si上生长立方晶体结构，也称为3C
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SiC。这是由于硅的熔点相对较低(1420℃)对最高生长温度的限制。但幸运的是，3C
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SiC与通常用于SiC基器件制造的标准六边形SiC多晶型(如6H
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SiC和4H
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SiC)具有相似的性能。SiC在Si上的异质外延的另一个缺点是Si和SiC之间约20％的大晶格失配，以及约8％的热膨胀失配，导致生长的SiC层中的层错和其他扩展缺陷。SiC在Si上的生长也会在界面处的硅侧产生缺陷，例如空洞和凹坑深入Si衬底，这是因为Si从衬底向外扩散并融入SiC生长过程。这些扩展缺陷的存在严重限制了器件的发展，
[0006]有人尝试通过硅表面碳化形成缓冲层，然后进行3C
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SiC生长。缓冲层也称为“碳化层”，由硅表面与碳基气体反应形成，是由多晶3C
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SiC组成。该缓冲层的目的是适应Si衬底
和单晶3C
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SiC层之间的晶格失配，允许生长更厚且缺陷密度更低的薄膜。然而，这种方法并不能阻止界面下方Si空洞的形成。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，采用低温沉积结合交替供气的方法，成功地抑制了硅空洞的形成，并在超大硅晶片上实现了具有极高厚度均匀性和较低表面粗糙度的碳化硅(SiC)单晶生长。并且在实施例展示了这些高质量SiC薄膜在光子和MOSFET的应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，将硅晶片衬底通过自动输送单元传送到预处理单元进行预真空处理以及预加温处理；
[0010]步骤2，经过预真空处理以及预加温处理的硅晶片传送至反应室内，再往反应室内送入SiH4，同时反应室温度上升至1000℃
±
100℃，使得硅晶片衬底表面添加一层薄外延Si层；
[0011]步骤3，将反应室内温度冷却至750℃
±
100℃，再往反应室内送入C3H6气流,并将在硅衬底表面的薄外延Si层转化为SiC层；然后在加压状态下，往反应室内送入C3H6以及H2，使得温度上升到950℃
±
100℃；
[0012]步骤4，依次循环进行步骤2以及步骤3工艺以使得SiC层厚度达到预设数值，并得到产品；
[0013]步骤5，经过步骤4处理的产品传送至预处理单元进行冷却处理；
[0014]步骤6，经过步骤5冷却处理后的产品传送至自动输送单元。
[0015]进一步，所述预处理单元包括预处理舱体、预处理冷却模块、预处理加热模块、第一干式真空泵、第一输送单元，其中预处理冷却模块、预处理加热模块、第一输送单元均内置在预处理舱体内，且所述第一干式真空泵与预处理舱体连通并对与预处理舱体进行预真空处理，且经过预真空处理以及预加温处理的硅晶片通过第一输送单元传送至反应室内。
[0016]进一步，该反应室内设置有制程气体分散直流喷头系统、用于承载硅晶片衬底的衬底载盘系统、设置在衬底载盘系统底部的冷却系统、设置在衬底载盘系统底部的加热系统；其中位于反应室外的气体供应单元与通过制程气体分散直流喷头系统与反应室连通，且所述制程气体分散直流喷头系统位于衬底载盘系统的正上方。
[0017]进一步，所述反应室内还设置有交互气体控制阀门，所述气体供应单元通过交互气体控制阀门与制程气体分散直流喷头系统连通，交互气体控制阀门控制将两种主要制程气体进行有序切换。
[0018]进一步，在步骤2中，气体供应单元以0.3sccm至2.5sccm的流速往反应室供应SiH4，经过30分钟后气体供应单元停止供应SiH4，同时位于反应室外的第二干式真空泵将多余的SiH4泵走。
[0019]进一步，在步骤3中，气体供应单元在2Pa的压力下以0.8sccm至10sccm的流速往反应室供应C3H6气流，经过5分钟后，然后气体供应单元再以40Pa的压力下以1.6sccm至10sccm连续流动H2和C3H6，经过30分钟后，气体供应单元停止供应气体，同时位于反应室外的第二
干式真空泵将多余的气体泵走。
[0020]进一步，在步骤4中，SiC层的厚度以每一次循环0.8nm的生长速率增加，其中步骤2
‑
步骤3为一次循环。
[0021]进一步，第二干式真空泵与反应室本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将硅晶片衬底通过自动输送单元传送到预处理单元进行预真空处理以及预加温处理；步骤2，经过预真空处理以及预加温处理的硅晶片传送至反应室内，再往反应室内送入SiH4，同时反应室温度上升至1000℃
±
100℃，使得硅晶片衬底表面添加一层薄外延Si层；步骤3，将反应室内温度冷却至750℃
±
100℃，再往反应室内送入C3H6气流,并将在硅衬底表面的薄外延Si层转化为SiC层；然后在加压状态下，往反应室内送入C3H6以及H2，使得温度上升到950℃
±
100℃；步骤4，依次循环进行步骤2以及步骤3工艺以使得SiC层厚度达到预设数值，并得到产品；步骤5，经过步骤4处理的产品传送至预处理单元进行冷却处理；步骤6，经过步骤5冷却处理后的产品传送至自动输送单元。2.根据权利要求1所述的一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，其特征在于：所述预处理单元包括预处理舱体、预处理冷却模块、预处理加热模块、第一干式真空泵、第一输送单元，其中预处理冷却模块、预处理加热模块、第一输送单元均内置在预处理舱体内，且所述第一干式真空泵与预处理舱体连通并对与预处理舱体进行预真空处理，且经过预真空处理以及预加温处理的硅晶片通过第一输送单元传送至反应室内。3.根据权利要求1所述的一种在硅衬底上形成单晶碳化硅薄膜的方法，其特征在于：该反应室内设置有制程气体分散直流喷头系统、用于承载硅晶片衬底的衬底载盘系统、设置在衬底载盘系统底部的冷却系统、设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：林健峯，
申请(专利权)人：林健峯，
类型：发明
国别省市：