专利名称：图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种图形衬底上生长碳化硅 厚膜的方法。
背景技术：
碳化硅具有宽带隙，高击穿场强，高热导率，高饱和电子漂移速率， 极好的物理化学稳定性等特性，在高温、高频、大功率、抗辐射等应用领 域有着得天独厚的优势。碳化硅可以在硅衬底上外延生长得到，硅衬底具 有极高的晶体质量，大面积且价格低廉，可以克服碳化硅同质外延所需衬
底价格昂贵的不足；同时又可以与成熟的硅基大规模集成电路工艺相兼 容。所以硅衬底上异质外延生长碳化硅成为目前国内外研究的热点。
然而，由于碳化硅和硅之间具有大的晶格失配(20%)和热失配(8%)，
硅上外延生长碳化硅会存在大量的失配位错、堆垛层错、线缺陷、孪晶等， 影响碳化硅的晶体质量；且由于大失配引起的应力的存在，在实现碳化硅 大面积和厚膜生长时极易引起晶片翘曲或膜层脱落。
图形衬底生长碳化硅厚膜是在硅衬底上做出图形，然后在图形化的衬 底上进行碳化硅生长。在硅衬底上刻蚀图形后，硅衬底上包括台面区域和 窗口区域。碳化硅生长时，在台面区域和窗口区域的纵向生长和横向合并 可以有效地抑制位错等的延伸，降低外延层缺陷密度，提高晶体质量；横 向合并后在窗口区域产生的中空结构可以有效地释放应力。
本发明采用图形衬底技术解决碳化硅在硅衬底上异质外延生长时由于 大的晶格失配和热失配产生的晶片翘曲和膜层脱落问题，应用于碳化硅材 料生长和器件研制领域是一项十分有效的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用图形衬底生长碳化硅(SiC)厚膜的方法。
本发明的技术解决方案首先在硅衬底上采用光刻技术刻蚀出图形， 图形为平行长条状或正方形台面或它们的组合图形；采用一种低压化学气 相沉积装置在该图形化的硅衬底上生长碳化硅厚膜。
本发明的机理和技术特点图形衬底技术是在衬底上刻蚀出图形，图 形由窗口区域和台面区域组成。外延生长时，气体原子在台面上反应成核， 衬底上被刻蚀的部分即窗口区域由于原子的迁移需要一定的时间，所以不 易成核。膜层沿垂直台面方向生长，在纵向生长的同时，也进行横向生长， 随着厚膜的生长，相邻台面的横向生长区域可以达到合并，当横向生长达 到一定程度后外延层便能覆盖整个衬底表面。图形衬底技术利用纵向生长 和横向生长的合并，可以降低或抑制位错在外延层的延伸，从而提高外延 层的晶体质量。在窗口区域横向合并后形成的中空结构可以释放应力，降 低或抑制衬底和外延层大的失配引起的晶片翘曲问题，尤其适合应用于碳 化硅大面积生长和快速厚膜生长技术中，得到高质量的碳化硅外延层。
采用本发明进行硅衬底上碳化硅厚膜的异质外延生长，可以得到高晶 体质量、不翘曲、膜层无脱落的碳化硅厚膜。本发明为碳化硅材料的相关 器件研制提供了一项十分有效的材料生长技术。
图la是本发明中平行长条状掩模版结构的平面示意图lb是本发明图形衬底上碳化硅外延生长的截面结构示意图2a和图2b是本发明的图形化硅衬底上生长的碳化硅的扫描电镜图3是本发明的图形化硅衬底上生长的碳化硅的X射线衍射测试结果。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明采用一种图形化衬底技术在硅衬底上生长碳化硅(SiC)厚膜， 包括以下步骤
晶向为111或100的硅衬底经过标准的硅湿式化学清洗方法清洗后釆用光刻技术在衬底上刻蚀出图形，掩模版图形为平行长条状图形或正方形 台面或它们的组合图形，其中平行长条状结构图可参阅图la所示。图形 的窗口区域宽度为1 20ixm，刻蚀深度为1 10um，台面区域宽度为l 20ixm;其中平行长条状图形中图形长度为50 200nm。
将图形化的硅衬底放入低压化学气相沉积装置中，在氢气环境中升温 进行氢气刻蚀处理，温度为IIO(TC;氢气流量为5 20标准升/分钟；氢 气刻蚀压力为5000 15000帕斯卡；氢气刻蚀时间为4 6分钟。
氢气刻蚀结束后升温进行碳化硅外延生长，生长温度为1200 1350。C; 源气体为乙烯(或丙垸)和硅烷；乙烯(或丙烷)的流量为1.5 6标准毫 升/分钟，硅烷的流量为0.5 2标准毫升/分钟；生长时压力为5000 1500() 帕斯卡。
生长结束后，关闭硅垸和乙烯(或丙烷)，在氢气环境下降温至室温。 本发明的关键在于采用图形化的硅衬底进行碳化硅外延生长，提高了 硅基碳化硅异质外延生长的晶体质量，同时该图形化衬底上的横向合并生 长区域产生的中空结构可以用来释放大失配引起的应力，减少或抑制厚膜 生长中晶片的翘曲和膜层的脱落问题，为进一步增加碳化硅外延层厚度和 提高外延层晶体质量提供可能。
以下为一具体实施例，步骤如下
选取Si (100)衬底，采用标准的硅湿式化学清洗方法清洗硅衬底。 采用光刻技术和干法刻蚀技术在硅衬底上刻蚀出图形，采用的掩模版 图形为平行长条状图形，长度为100 um，窗口区域尺寸为2um， 3 li m 禾口5um，台面区域尺寸为2ym， 3 u m和5 u m，窗口区域刻蚀深度为5 卩m。
将图形化的硅衬底放入低压化学气相沉积系统中，升温至IIO(TC进行 氢气刻蚀处理5分钟，氢气流量为5标准升/分钟，刻蚀时压力为5300帕。
升温至1300°C，通入乙烯和硅烷，进行碳化硅层外延生长。其中乙烯 和硅烷的流量分别为3标准毫升/分钟和1标准毫升/分钟。
生长结束后，关闭硅垸和乙烯，氢气保护下降温至室温。
采用此技术在硅衬底上外延生长的碳化硅厚膜表面平整，光亮如镜面， 晶片没有明显翘曲现象，显微镜下观察无大量裂纹。图形衬底上碳化硅外延生长横向合并截面结构示意图如图lb所示。采用场发射扫描电镜观察
的图形衬底上生长的碳化硅的扫描电镜图如图2a和图2b所示。采用X射 线衍射测试的图形衬底上生长的碳化硅如图3所示。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改 变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由 所附权利要求所限定。
权利要求
1. 一种图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法，其特征在于，包括如下步骤1)采用光刻技术刻蚀硅衬底得到图形化的硅衬底；2)采用化学气相沉积方法生长碳化硅厚膜；
2. 根据权利要求l所述的图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法，其特征在于，所述硅衬底的晶向为iii或ioo。
3. 根据权利要求l所述的图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法，其特征 在于，采用光刻技术和湿法或干法刻蚀技术刻蚀所述硅衬底。
4. 根据权利要求3所述的图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法，其特征 在于，所述光刻技术和湿法或干法刻蚀技术中，掩模版图形为平行长 条状或正方形台面或它们的组合图形，窗口区域宽度为1 20um，刻 蚀深度为l 10um，台面区域宽度为1 20um;其中平行长条状图形 中图形长度为50 200um。
5. 根据权利要求l所述的图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法，其特征 在于，生长所述碳化硅厚膜采用低压化学气相沉积方法。
6. 根据权利要求5所述的图形衬底上生长碳化硅厚膜的方法，其特征 在于，所述低压化学气相沉积方法中，生长压力为5000 15000帕斯 卡，生长温度为1200 1350°C，乙烯流量为1.5 6标准毫升/分钟， 硅垸流量为0. 5 2标准毫升/分钟。
全文摘要
本发明是一种在图形衬底上生长碳化硅(SiC)厚膜的方法。该方法通过采用光刻技术在硅衬底上获得图形，掩模版图形为平行长条状或正方形台面或它们的组合图形；然后在该图形化的硅衬底上采用化学气相沉积方法生长碳化硅厚膜。该发明生长的碳化硅膜在垂直台面方向纵向生长的同时在窗口区域进行横向合并生长，可以降低碳化硅外延层缺陷，提高外延碳化硅晶体质量；同时，在窗口区域合并后形成的中空结构可以释放应力，解决硅衬底和碳化硅之间大的失配带来的晶片翘曲问题，在碳化硅的大面积厚膜生长和快速生长技术中有着重要的应用价值。
文档编号H01L21/365GK101442010SQ20071017778
公开日2009年5月27日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者刘兴昉, 孙国胜, 曾一平, 李晋闽, 亮 王, 雷 王, 赵万顺, 赵永梅 申请人:中国科学院半导体研究所