SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法

摘要

本发明涉及一种SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法，其特征在于，方法包括：将加工SiC衬底放置到外延炉中，并将外延炉抽取真空；通入氢气保持气压为100mbar并对外延炉加热，开始对加工SiC衬底开始原位刻蚀；温度保持在1600度，通入SiH4量为3ml/min,C3H8量为1.1ml/min；载气氢气量为4500ml/min，加工SiC衬底在刻蚀图形内角处进行悬臂生长生成SiC外延片，生长出的悬臂为无缺陷的碳硅双原子层结构。本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜实现了在正轴碳化硅衬底最顶端的刻蚀台面上外延薄的一层完全无缺陷的悬臂，并且有效缩短外延时间并提高薄膜生长面积。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种碳化硅SiC衬底同质外 延碳硅双原子层薄膜的方法。

背景技术

碳化硅SiC作为宽禁带半导体材料的代表之一，具有禁带宽度大，击穿 电场高，热导率大，电子饱和漂移速度高，抗辐射能力强和良好的化学稳定 性等优越性质，成为继锗、硅、砷化镓之后制造新一代微电子器件和电路的 关键半导体材料。SiC基的器件与同等条件下的Si基器件相比，可以承受高 很多的电压和微波功率，例如SiC MESFET的ft高达到12-15GHz。

然而SiC内存在着各种缺陷对器件性能产生严重影响。碳化硅衬底在同 质或异质外延过程中通常会继承这些缺陷。如何降低缺陷的影响成为目前研 究的热点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种SiC衬底同质外延碳硅 双原子层薄膜的方法，可以在正轴碳化硅衬底最顶端的刻蚀台面上外延薄的 一层完全无缺陷的悬臂，并且有效缩短外延时间并提高薄膜生长面积。

为实现上述目的，本发明提供了一种SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄 膜的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，将利用正轴4H或6H的原始SiC衬底加工成的加工SiC衬底放置 到外延炉中，并将所述外延炉抽取真空；

步骤2，当所述外延炉真空度低于6×10^-7mbar时通入氢气保持气压为 100mbar并对外延炉加热，当温度达到1600度时氢气开始对所述加工SiC 衬底开始原位刻蚀，刻蚀时间保持5分钟以去除所述加工SiC衬底上的表 面缺陷；

步骤3，将外延炉中的压力控制在100-200mbar间，温度保持在1600 度，通入SiH₄量为3ml/min,C₃H₈量为1.1ml/min；载气氢气量为4500 ml/min，在高温、低反应源条件下进行同质外延，表面成核过程将被抑制；

步骤4，所述加工SiC衬底在刻蚀图形内角处进行悬臂生长生成SiC外延 片，生长出的悬臂为无缺陷的碳硅双原子层结构；生长出的悬臂愈合形成一 层碳硅双原子层薄膜覆盖刻蚀所述台面区域；悬臂生长时间为20--40分钟；

步骤5，当所述外延炉温度降低到700℃以后，停止通入氢气，并抽取 真空到低于1×10^-7mbar；

步骤6，向所述外延炉通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延 层的所述加工SiC衬底在氩气环境下继续冷却；

步骤7，缓慢提高所述外延炉气压到常压，使所述加工SiC衬底自然冷 却至室温，取出所述SiC外延片。

所述步骤1之前还包括：选取正轴4H或6H的原始SiC衬底；将所述原 始SiC衬底进行显影处理和干刻蚀工艺处理，处理为加工SiC衬底；所述SiC 衬底成为台面，刻蚀面积为所需制造器件的面积，刻蚀深度为5um到20um， 所述台面具有六个主轴。

所述台面的六个主轴方向为（1-100）、（10-10）、（01-10）的同向晶 向和反向晶向；刻蚀轴由内向外变窄以使得所述主轴形成的夹角为64-68度； 刻蚀的次轴距离所述主轴近的一侧为（1-100）、（10-10）、（01-10）同向 晶向和反向晶向，使所述主轴与所述次轴间形成凹槽距离由中心向外略增大； 刻蚀的所述次轴离所述主轴远的一侧为近（1-100）、（10-10）、（01-10） 同向晶向和反向晶向，以使得所述次轴与所述主轴间夹角同样为64-68度。 所述台面间的凹槽均未（1-100）、（10-10）、（01-10）相同或相反的方向； 所述台面的刻蚀图案内侧均为近（1-100）晶向。

所述步骤1之前还包括：对刻蚀后的所述加工SiC衬底进行表面清洗。 所述步骤10具体包括：将加工SiC衬底利用超声进行清洗；利用碱性混合剂 将所述加工SiC衬底在85度温度下煮浴20分钟，然后用去离子水冲洗；利 用浓硫酸混合液将所述加工SiC衬底在85度温度下煮浴20分钟，然后用去 离子水冲洗；利用酸性混合液将所述加工SiC衬底在85度温度下浸泡20分 钟，然后用去离子水冲洗；利用5%的氢氟HF酸溶液将所述加工SiC衬底浸浴 10分钟，然后用热去离子水和冷去离子水冲洗。

本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法，实现了在正轴碳化 硅衬底最顶端的刻蚀台面上外延薄的一层完全无缺陷的悬臂，并且有效缩短 外延时间并提高薄膜生长面积。

附图说明

图1为本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法实施例1的流 程图；

图2为本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法实施例2的流 程图；

图3A为本发明使用的碳化硅刻蚀图案之一；

图3A为本发明使用的碳化硅刻蚀图案之二。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法实施例1的流程 图；如图所示，本实施例具体包括：

步骤101，将利用正轴4H或6H的原始SiC衬底加工成的加工SiC衬底放 置到外延炉中，并将外延炉抽取真空；

步骤102，当外延炉真空度低于6×10^-7mbar时通入氢气保持气压为 100mbar并对外延炉加热，当温度达到1600度时氢气开始对加工SiC衬底 开始原位刻蚀，刻蚀时间保持5分钟以去除加工SiC衬底上的表面缺陷；

步骤103，将外延炉中的压力控制在100-200mbar间，温度保持在1600 度，通入SiH₄量为3ml/min,C₃H₈量为1.1ml/min；载气氢气量为4500 ml/min，在高温、低反应源条件下进行同质外延，表面成核过程将被抑制；

步骤104，加工SiC衬底在刻蚀图形内角处进行悬臂生长生成SiC外延片， 生长出的悬臂为无缺陷的碳硅双原子层结构；生长出的悬臂愈合形成一层碳 硅双原子层薄膜覆盖刻蚀台面区域；悬臂生长时间为20--40分钟；

步骤105，当外延炉温度降低到700℃以后，停止通入氢气，并抽取真 空到低于1×10^-7mbar；

步骤106，向外延炉通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层 的加工SiC衬底在氩气环境下继续冷却；

步骤107，缓慢提高外延炉气压到常压，使加工SiC衬底自然冷却至室 温，取出SiC外延片。

本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法，实现了在正轴碳化 硅衬底最顶端的刻蚀台面上外延薄的一层完全无缺陷的悬臂，并且有效缩短 外延时间并提高薄膜生长面积。

图2为本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法实施例2的流 程图，如图所示，本实施例具体包括：

步骤201，选取正轴4H或6H的原始SiC衬底；

步骤202，将原始SiC衬底进行显影处理和干刻蚀工艺处理，处理为加工 SiC衬底；SiC衬底成为台面，刻蚀面积为所需制造器件的面积，刻蚀深度为 5um到20um，台面具有六个主轴；

如图3A和图3B所示，台面的六个主轴方向为（1-100）、（10-10）、 （01-10）的同向晶向和反向晶向；刻蚀轴由内向外变窄以使得主轴形成的夹 角为64-68度；刻蚀的次轴距离主轴近的一侧为（1-100）、（10-10）、（01-10） 同向晶向和反向晶向，使主轴与次轴间形成凹槽距离由中心向外略增大；刻 蚀的次轴离主轴远的一侧为近（1-100）、（10-10）、（01-10）同向晶向和 反向晶向，以使得次轴与主轴间夹角同样为64-68度。依次类推，次次轴与 次轴间夹角也为64-68度。

台面间的凹槽均未（1-100）、（10-10）、（01-10）相同或相反的方向； 台面的刻蚀图案内侧均为近（1-100）晶向。

步骤203，对刻蚀后的加工SiC衬底进行表面清洗；

具体包括如下步骤：

步骤2031，将加工SiC衬底利用超声进行清洗；

具体为用适量丙酮超声10分钟，冲洗后，再用乙醇超声10分钟，冲洗 后吹干；

步骤2032，利用碱性混合剂将加工SiC衬底在85度温度下煮浴20分钟， 然后用去离子水冲洗；

具体就是利用三号液清洗，即浓碱性混合剂（NH₄OH：H₂O₂，比例为1:2） 在85度温度下煮浴20分钟，完成后，用去离子水（DI）冲洗5到6遍；

步骤2033，利用浓硫酸混合液将加工SiC衬底在85度温度下煮浴20分 钟，然后用去离子水冲洗；

具体就是利用一号液清洗，即浓硫酸混合液（H₂SO₄:H₂O₂:H₂O比例为1:1:8） 在85度温度下煮浴20分钟，完成后，用去离子水冲洗5到6遍；

步骤2034，利用酸性混合液将加工SiC衬底在85度温度下浸泡20分钟， 然后用去离子水冲洗；

具体就是二号液清洗，即浓酸性混合液（HCl：H₂O₂：DI，比例为1:1:5） 在85度温度下浸泡20分钟。完成后，用去离子水冲洗若干遍；

步骤2035，利用5%的氢氟HF酸溶液将加工SiC衬底浸浴10分钟，然后 用热去离子水和冷去离子水冲洗；

具体就是利用HF酸去氧化。即用5%的HF酸溶液浸浴10分钟，完成后， 先后用热去离子水和冷去离子水冲洗若干遍（一般和清洗样品数目等同）。

步骤2036，利用氮气吹干加工SiC衬底。

步骤204，将加工SiC衬底放置到外延炉中，打开真空泵抽取反应室的气 体，当外延炉真空度低于6×10-7mbar时通入氢气保持气压为100mbar并对 外延炉加热，当温度达到1600度时氢气开始对加工SiC衬底开始原位刻蚀， 刻蚀时间保持5分钟以去除加工SiC衬底上的表面缺陷；

步骤205，将外延炉中的压力控制在100-200mbar间，温度保持在1600 度，通入SiH₄量为3ml/min，C₃H₈量为1.1ml/min；载气氢气量为4500 ml/min，在高温、低反应源条件下进行同质外延，表面成核过程被抑制；

步骤206，加工SiC衬底在刻蚀图形内角处进行悬臂生长生成SiC外延片， 生长出的悬臂为无缺陷的碳硅双原子层结构；生长出的悬臂愈合形成一层碳 硅双原子层薄膜覆盖刻蚀台面区域；悬臂生长时间为20--40分钟；

步骤207，当外延炉温度降低到700℃以后，停止通入氢气，并抽取真 空到低于1×10^-7mbar；

具体的，当外延炉反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的 H2开关，将反应室抽真空，直到气压低于1×10-7mbar。

步骤208，向外延炉通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层 的加工SiC衬底在氩气环境下继续冷却；

具体的，打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，使长有 碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min。

步骤209，缓慢提高外延炉气压到常压，使加工SiC衬底自然冷却至室 温，取出SiC外延片。

本发明SiC衬底同质外延碳硅双原子层薄膜的方法，实现了在正轴碳化硅 衬底最顶端的刻蚀台面上外延薄的一层完全无缺陷的悬臂，并且有效缩短外延 时间并提高薄膜生长面积。制备的碳硅双原子层薄膜可有效隔断衬底存在微 管、螺旋错位对后续外延的影响。为以后的同质或异质外延提供完美无缺 陷的（0001）晶面。采用六角对称刻蚀，可以同时在在SiC三个对称晶向、 六个方向上生长双原子层悬臂。C、Si双原子层生长的方向均为（1-100）、 （10-10）、（01-10）相同或相反的方向。该六个晶向为原子表面迁移速 率快的晶向。可以提高C、Si双原子层悬臂生长速率。刻蚀图案内侧均为 近（1-100）晶向，台面内侧形成角度约为64～68度,可以提高外延悬臂面 积。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的 各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来 实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能 一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来 执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每 个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为 超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理 器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器 （RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、 寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式 的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。