在单晶硅上生长外延3C‑SiC制造技术

公开了一种用于在单晶硅上生长外延3C‑SiC的方法。该方法包括在冷壁化学气相沉积反应器(7)中提供单晶硅基板(2)，将基板加热到大于或等于700℃且小于或等于1200℃的温度，当基板处于所述温度时，将气体混合物(41)引入反应器中，所述气体混合物包括硅源前体(16)、碳源前体(18)和载气(24)，以在单晶硅上沉积3C‑SiC的外延层(图1；4)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在单晶硅上生长外延3C-SiC
本专利技术涉及一种用于在单晶硅上，尤其但并不仅仅在同轴001取向的单晶硅上生长外延3C-碳化硅的方法和系统。
技术介绍
碳化硅是宽带隙化合物半导体材料，其由于具有高的热导率、击穿场强和饱和速度，而非常适合在高功率和高频电子设备中使用。根据硅和碳的双层堆叠的顺序，存在几种不同结晶形式(或“多型”)的碳化硅。在这些多型中，3C-碳化硅(3C-SiC)、4H-碳化硅(4H-SiC)和6H-碳化硅(6H-SiC)最常用于电子设备以及微机电系统(MEMS)和传感器中，以及用作生长诸如氮化镓(GaN)的其他材料的低成本平台。4H-SiC和6H-SiC基板是商业可得的，并且在这些类型的基板上可生长高质量的4H-SiC和6H-SiC的同质外延层。然而，4H-SiC和6H-SiC基板的生产比硅基板要贵得多，并且小得多。虽然3C-SiC基板不可得，但可在硅上生长异质外延3C-SiC。这允许使用更大更便宜的硅片。然而，目前，使用热壁化学气相沉积(CVD)反应器来在硅上生长3C-SiC外延层。据称，高温冷壁CVD反应器已用于在硅上生长3C-SiC外延层，但是不清楚在不损坏反应器或位于反应器内部的组分的情况下，在这样的反应器中如何实现超过1,300℃的温度。此外，大部分(即便不是全部)对3C-SiC/Si异质外延的研究往往是在小基板，例如50mm直径的晶片或10mm冲模上进行的。这会对给定的异质外延工艺是否已成功且是否适于生产造成误导性印象，因为横跨小基板容易实现均匀的温度。因此，小的异质结构可能无法反映关于晶片之间缺乏均匀性、空隙和晶片弯曲度(waferbow)的问题。例如，R.Anzalone等人：“Heteroepitaxyof3C-SiCondifferenton-axisorientedsiliconsubstrates”，JournalofAppliedPhysics，第105卷，第084910页(2009)描述了在1350℃的生长温度下，使用三氯硅烷(SiHCl3)作为硅供应、乙烯(C2H4)作为碳供应以及氢气(H2)作为载气，在热壁低压化学气相(LPCVD)反应器中，在2英寸的硅片上生长外延膜。热壁CVD反应器往往具有低的吞吐量并需要定期昂贵的维护。Wei-YuChen等人：“CrystalQualityof3C-SiCInfluencedbytheDiffusionStepintheModifiedFour-StepMethod”，JournalofTheElectrochemicalSociety，第157卷，第H377-H380页(2010)描述了在1420℃的生长温度下，使用硅烷(SiH4)作为硅供应、丙烷(C3H8)作为碳供应以及氢气(H2)作为载气，在水平冷壁型LPCVD系统中，在1cm×cm基板上生长外延膜。虽然使用冷壁反应器，但也使用复杂的3步或4步沉积工艺，采用接近硅熔点的温度。然而，不清楚该工艺是否可重复，是否可在不损坏腔和腔内部的组分的情况下实现，以及是够可用于生产大量的大直径晶片。Y.Gao等人：“Low-temperaturechemical-vapordepositionof3C-SiCfilmsonSi(100)usingSiH4-C2H4-HCl-H2”，JournalofCrystalGrowth，第191卷，第439至445页(1998)描述了使用HCl在硅上沉积3C-SiC膜以抑制纯硅成核。然而，该文章省略了几处细节，例如晶片碎料和尺寸，并且没有提及沉积之后基板是否遭受翘曲或弯曲。此外，SiC膜看起来非常粗糙。从文章所示的显微图可见，SiC膜的RMS表面粗糙度值似乎为几百纳米。另外，虽然使用较高浓度的HCl似乎改进了晶体质量，但其降低了生长速率，并且如果省略HCl，则SiC膜是多晶的。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种用于在单晶硅,例如单晶硅晶片或绝缘体上硅(silicon-on-insulator)晶片的硅单晶层等上生长外延3C-SiC的方法和系统。根据本专利技术的第一方面，提供了在单晶硅上生长外延3C-SiC的方法。该方法包括在冷壁化学气相沉积反应器中提供单晶基板(例如单晶硅晶片或绝缘体上硅片)。该方法包括将基板加热到大于或等于700℃且小于或等于1200℃的温度，并在基板在该温度下时将气体混合物引入反应器中，以在单晶硅上沉积3C-SiC的外延层。气体混合物包括硅源前体、碳源前体和载气。因此，可以更便宜地生产3C-SiC外延层，不仅是因为可以使用本身较便宜的硅，而且也因为可以使用大得多的晶片(例如，具有至少100mm的直径)，这可以使3C-SiC外延层生产更便宜。此外，一种具有石英腔和红外灯热源的通常用于硅加工(但其经过适当改进)的商业上可用的冷壁减压或大气压化学气相沉积反应器可用于在单晶硅上生长外延3C-SiC。3C-SiC生长速率可为至少1μm/h。生长速率可为至少10μm/h。生长速率可高达20μm/h或更大。然而，可使用更低的生长速率，例如以生长薄层3C-SiC(例如<100nm)。该方法可包括在晶片上生长3C-SiC。晶片可具有至少100mm、至少200mm或至少450mm或更大的直径。晶片优选地为单晶晶片。然而，晶片可为绝缘体上硅(SOI)晶片或蓝宝石上硅(SoS)晶片或其他相似类型的基板。碳源前体可为有机硅化合物。碳源前体可为含甲基的硅烷。优选地，碳源前体为三甲基硅烷(C3H10Si)。优选硅源前体和碳源前体是不同的，即，不使用同时用作硅和碳源的单一前体。碳源前体可具有至少1sccm或至少10sccm的流速。硅源前体可为硅烷或含氯硅烷。优选地，硅源前体为二氯硅烷(SiH2Cl2)。硅源前体可为三氯硅烷。硅源前体可包括第一和第二前体组分。例如，硅源前体可包括诸如硅烷或乙硅烷和氯化氢(HCl)的气体混合物。硅源前体可具有至少1sccm或至少10sccm的流速。载气优选为氢气(H2)。载气可具有至少1sccm或至少10sccm的流速。碳源前体和硅源前体的流速的比率可小于3且大于0.33。碳源前体和硅源前体的流速的比率可小于2且大于0.5。碳源前体的硅源前体的流速可以相同或基本上相同(例如碳源前体和硅源前体的流速的比率小于1.2且大于0.8)。气体混合物优选由硅源前体、碳源前体和载气，或者硅源前体、碳源前体、载气和掺杂剂源前体组成。气体混合物优选排除(即，不包括或不由其组成)氯化氢(HCl)气体。温度可大于或等于900℃，大于或等于900℃，或大于或等于1000℃。温度优选大于或等于1100℃。沉积过程中反应器中的压力可大于或等于66.7Pa(0.5托)且小于或等于26.7kPa(200托)或小于或等于80kPa(600托)，即，亚大气压(sub-atmospheric)化学气相沉积。沉积过程中反应器中的压力大于或等于13.3kPa(100托)且小于或等于13.3kPa(760托)。单晶硅具有(001)表面取向。单晶硅可具有(110)取向。单晶硅可具有(111)取向。具有(111)取向(即，在(111)Si上生长)的3C-SiC的外延层可用作用于氮化镓(GaN)过度生长的基板。优选地，单晶硅的表面是平坦的，即，未图案本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在单晶硅上生长外延3C‑SiC的方法，所述方法包括：在冷壁化学气相沉积反应器(7)中提供单晶硅基板(2)；将所述基板加热到大于或等于700℃且小于或等于1200℃的温度；当所述基板处于所述温度时，将气体混合物(33)引入所述反应器中，所述气体混合物包括硅源前体(16)、碳源前体(18)和载气(20)，以在所述单晶硅上沉积3C‑SiC的外延层(4)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.23 GB 1513014.9;2015.09.29 GB 1517167.11.一种在单晶硅上生长外延3C-SiC的方法，所述方法包括：在冷壁化学气相沉积反应器(7)中提供单晶硅基板(2)；将所述基板加热到大于或等于700℃且小于或等于1200℃的温度；当所述基板处于所述温度时，将气体混合物(33)引入所述反应器中，所述气体混合物包括硅源前体(16)、碳源前体(18)和载气(20)，以在所述单晶硅上沉积3C-SiC的外延层(4)。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳源前体(18)包括有机硅化合物。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述碳源前体(18)包括含甲基的硅烷。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述碳源前体(18)包括三甲基硅烷。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳源前体(18)的流速为至少1sccm。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳源前体(18)的流速为至少10sccm。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述硅源前体(16)包括硅烷或含氯硅烷。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述硅源前体(16)包括二氯硅烷。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述硅源前体(16)包括两种或更多不同的前体组分。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述硅源前体(16)的流速为至少1sccm。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述硅源前体(16)的流速为至少10sccm。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳源前体(18)和所述硅源前体(16)的流速的比率小于1.2且大于0.8。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳源前体(18)和所述硅源前体(16)的流速相同。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该温度T大于或等于1100℃。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中沉积过程中所述反应器(7)中的压力大于或等于66.7...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·米罗诺夫，G·科尔斯顿，S·黑德，
申请(专利权)人：华威大学，
类型：发明
国别省市：英国,GB