專利名稱：低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體薄膜材料的制備領(lǐng)域，特別是一種外延生長碳化硅薄膜的 生長技術(shù)。
背景技術(shù)：
在過去的二十年中，以單晶硅技術(shù)為基礎(chǔ)的晶閘管、二極管雖在電力系統(tǒng)中得到 了廣泛應(yīng)用，但是在阻斷電壓、開關(guān)頻率、更高的效率和可靠性方面遇到了發(fā)展瓶頸。硅材料為間接帶隙，帶隙寬度較小，SiC作為寬禁帶半導(dǎo)體材料中典型代表，具有 硅材料無可比擬的電氣性能，將在不久的將來代替硅材料，廣泛應(yīng)用于電力電子器件。近年 來SiC單晶體制備技術(shù)上的突破，促進了 SiC器件的應(yīng)用開發(fā)研究。但是單晶體材料的高 成本仍然是實用化的障礙。一般情況下，半導(dǎo)體器件生長在半導(dǎo)體薄膜上，促使碳化硅薄膜 的應(yīng)用十分廣泛。碳化硅在不同物理化學(xué)環(huán)境下能形成不同的晶體結(jié)構(gòu)，這些成分相同，形態(tài)，構(gòu)造 和物理特性有差異的晶體稱為同質(zhì)多相變體，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的SiC多相變體有200多種。 SiC最常見的結(jié)構(gòu)有3C-SiC (閃鋅礦結(jié)構(gòu))；2H-SiC (纖鋅礦結(jié)構(gòu))，4H-SiC，6H-SiC。3C-SiC是非平衡相，通常在低于1000°C下形成。而4H型SiC是一個高溫穩(wěn)定相， 生長溫度在1800°C左右。由SiC相圖可以看出，2H型SiC是在1300°C -1600°C下的平衡相。 薄膜的生長溫度按照3C型、2H型、4H型的順序上升。通常狀態(tài)下生長4H-SiC至少要達到 1750°C以上的高溫。中國專利CN 1594648A公開了一種采用磁控濺射方法制備SiC薄膜的工藝，包括 如下步驟(1)選擇硅(Si)單晶為襯底，選擇SiC為靶材；(2)將Si單晶襯底送入磁控濺 射儀(3)加溫，生長SiC薄膜；(4)退火；(5)完成制備SiC薄膜。但該方法在控制生長溫 度、工作氣體的成分、壓力參數(shù)方面具有很大的困難。并且所需生長溫度依然過高。中國專利CN 02106^9. 4公開了一種制造SiC薄膜半導(dǎo)體器件的方法，采用了可 以很容易去除蝕刻阻止膜的工藝，其具體的方法是。在半導(dǎo)體襯底上形成第一膜，第一膜由 蝕刻抗力不同于SiC的絕緣材料制成。在第一膜上形成由加氫的SiC制成的第二膜。第二 膜上形成具有開口的光刻膠膜。通過以光刻膠掩膜作為蝕刻掩膜，對第二膜進行蝕刻；并且 使用第二膜作為掩膜對第一膜進行蝕刻。該方法操作復(fù)雜生長參數(shù)難以控制，消耗成本高。綜上所述，制備SiC薄膜仍然存在一些技術(shù)問題，主要有生長溫度過高且易引入 雜質(zhì)，并且造成襯底摻雜重新分布；襯底和SiC薄膜間的晶格失配造成缺陷密度較大；難以 對其膜層質(zhì)量進行有效控制等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以硅、藍寶石、碳化硅等為襯底，利用磁控濺射以及激 光脈沖沉積技術(shù)生長碳化硅薄膜的方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，將襯底表面溫度分為三個部分第一部分是由加熱系統(tǒng)對襯底加熱所顯示的溫度，濺 射出來的粒子攜帶有大量的能量，濺射出來的粒子沉積在襯底上提供了第二部分能量，第 三部分是在生長過程的同時，使用外部光源照射在襯底片上，對襯底表面進行光催化，提高 襯底表面的活性；具體步驟如下第一步根據(jù)應(yīng)用需要選擇合適的襯底，在適合的襯底上生長碳化硅薄膜； 第二步將選用的襯底及靶材的表面清洗干凈送入真空生長腔，使用機械泵和分子泵 對真空生長腔抽真空；第三步對襯底使用加熱器加熱；第四步在襯底加熱的同時輔助添加外部光源，并使外部光源直接照射襯底，對襯底進 行輔助光催化，提高襯底表面活性；第五步使用磁控濺射或激光脈沖生長碳化硅薄膜，使靶材物質(zhì)濺射出來沉積在襯底 上，沉積過程通過控制沉積頻率控制生長的碳化硅晶型； 第六步對襯底進行退火，退火時可用氣氛保護。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點通過使用本發(fā)明中的技術(shù)方案，提高濺射過 程濺射頻率，利用光源對襯底進行光催化，可以降低碳化硅薄膜生長過程中襯底加熱溫度， 只需要改變幾個容易控制工藝參數(shù)，就可以同時得到多型的高質(zhì)量的碳化硅薄膜，解決了 通常狀態(tài)下生長碳化硅薄膜所需溫度過高的問題。


圖1是本發(fā)明實施例1、2、3所制備得到的樣品XRD測試圖像。圖2是在激光脈沖頻率分別為IHz、5Hz和IOHz的情況下，藍寶石襯底與薄膜沉積 分解面處的TEM圖像。圖3是本發(fā)明碳化硅薄膜的制備流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。在利用激光脈沖沉積技術(shù)以及磁控濺射技術(shù)生長碳化硅薄膜時，通常狀況下襯底 的溫度要加熱到1600°C以上，但整個生長過程中只有襯底表面的溫度對生長過程具有影 響。結(jié)合圖3，本發(fā)明低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，將襯底表面溫度分為三 個部分第一部分是由加熱系統(tǒng)對襯底加熱所顯示的溫度，記為。第二部分是由濺射過 程中大量粒子攜帶的能量提供的，記為T181^第三部分，在生長過程的同時，使用外部光源 照射在襯底片上，對襯底表面進行光催化，提高襯底表面的活性，記為，碳化硅薄膜生長 溫度T=Tp絲+1 帛+1^。本發(fā)明通過增加第二、第三部分，從而在包括樣品臺較低溫度的條 件下，顯著提高樣品襯底表面的溫度。本發(fā)明低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，包括以下步驟第一步，根據(jù)應(yīng)用需要選擇合適的襯底，在適合的襯底上生長碳化硅薄膜，包括硅、藍 寶石、碳化硅。選用高純碳化硅為靶材。第二步，將選用的襯底及靶材清洗干凈表面送入真空生長腔，使用機械泵和分子 泵等抽真空設(shè)備對真空室抽真空，使真空生長腔內(nèi)真空度保持氣壓在10_3以下。
第三步，對襯底使用加熱器加熱，控制該加溫過程溫度在800°C -1300°C范圍內(nèi)。第四步，在襯底加熱的同時輔助添加外部光源，并使外部光源直接照射襯底，對襯 底進行輔助光催化，提高襯底表面活性。第五步，使用Ar離子或激光脈沖轟擊靶材，使靶材物質(zhì)濺射出來沉積在襯底上， 沉積過程通過控制沉積頻率控制控制生長的碳化硅晶型。第六步，進行退火，退火溫度500-160(TC，可控制退火有無氣氛保護。本發(fā)明低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，第三步中襯底溫度控制在 800oC -1000°c范圍內(nèi)，第五步中用磁控濺射生長碳化硅薄膜時，調(diào)節(jié)射頻到100—350W，使 用激光脈沖沉積生長碳化硅薄膜時以激光濺射靶材，激光頻率1-10HZ，激光波長以 下，在經(jīng)過退火后即得碳化硅非晶薄膜。本發(fā)明低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，第三步中襯底溫度控制在 IOOO0C -1300°C范圍內(nèi)，第五步中用磁控濺射生長碳化硅薄膜時，調(diào)節(jié)射頻到100—350w， 使用激光脈沖沉積生長碳化硅薄膜時以激光濺射靶材，激光頻率1-10HZ，激光波長以下，在經(jīng)過退火后即得碳化硅外延薄膜。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。1)使用激光脈沖沉積技術(shù)生長3C_SiC單晶薄膜使用藍寶石單晶(0001)面做襯底，將單晶放置在激光脈沖沉積系統(tǒng)的襯底臺上固定， 使用6H-SiC做為靶材放入生長腔內(nèi)。將選用的襯底送入真空生長腔，真空生長腔內(nèi)真空度 10_3以上。對襯底加溫至1100°C，使用激光濺射靶材，激光頻率1HZ，生長3600個脈沖，降 溫。即可得到3C-SiC單晶薄膜。其XRD曲線見圖2，其TEM以及ED圖像見附圖2。2)使用激光脈沖沉積技術(shù)生長2H-SiC單晶薄膜使用藍寶石單晶(0001)面做襯底，將單晶放置在激光脈沖沉積系統(tǒng)的襯底臺上固定， 使用6H-SiC做為靶材放入生長腔內(nèi)。將選用的襯底送入真空生長腔，真空生長腔內(nèi)真空度 10_3以上。對襯底加溫至1100°C，使用激光濺射靶材，激光頻率5HZ，生長3600個脈沖，降溫。 即可得到3C-SiC單晶薄膜。其XRD曲線同見圖1，其TEM以及ED圖像見附圖2。在θ-2 θ 角度范圍內(nèi)通過XRD掃描觀察，如圖所示所有掃描底片顯示晶體類型完全為單軸型。在所 有Si-C四面體雙層間距相同的多型SiC中，X射線衍射圖案幾乎相同，因此材料的晶體類 型無法完全通過通過XRD掃描確定。3)使用激光脈沖沉積技術(shù)生長6H-SiC單晶薄膜使用藍寶石單晶(0001)面做襯底，將單晶放置在激光脈沖沉積系統(tǒng)的襯底臺上固定， 使用6H-SiC做為靶材放入生長腔內(nèi)。將選用的襯底送入真空生長腔，真空生長腔內(nèi)真空度 10_3以上。對襯底加溫至1100°C，使用激光濺射靶材，激光頻率10HZ，生長3600個脈沖，降 溫。即可得到3C-SiC單晶薄膜。其XRD曲線同見圖1，其TEM以及ED圖像見附圖2。晶格 圖像和ED花樣清楚的顯示了薄膜的晶體類型分別為立方3C、六方2H和4H。3C晶型的SiC 中出現(xiàn)的雙衍射ED花樣是由于沿著多重{111}晶面的孿生的結(jié)果，這種多重晶面的孿生在 3C晶型SiC中非常顯著。2H和4H晶體類型的SiC薄膜的低倍率HRTEM顯微圖像顯示柱狀 晶粒在基底表面正常生長。，由于其他晶型并沒有觀察到近一步生長的斑點，這意味著每一 層薄膜是由單相晶型組成的。當(dāng)激光脈沖頻率從IHz增加到IOHz時，薄膜連接處的晶型也 按照3C、2H、4H的順序變化。4)使用激光脈沖沉積技術(shù)生長碳化硅非晶薄膜使用藍寶石單晶(0001)面做襯底，將單晶放置在激光脈沖沉積系統(tǒng)的襯底臺上固定， 使用6H-SiC做為靶材放入生長腔內(nèi)。將選用的襯底送入真空生長腔，真空生長腔內(nèi)真空度 10_3以上。對襯底加溫至800°C，使用激光濺射靶材，激光頻率1HZ，生長3600個脈沖，降溫。 即可得到碳化硅非晶薄膜。5)使用磁控濺射技術(shù)生長碳化硅外延薄膜使用碳化硅單晶做襯底，將單晶放置在磁控濺射系統(tǒng)的襯底臺上固定，使用高純碳化 硅做為靶材放入生長腔內(nèi)。將選用的襯底送入真空生長腔，真空生長腔內(nèi)真空度10_3以上。 對襯底加溫至1100°C，調(diào)節(jié)直流射頻功率100W、250W、300W，進行磁控濺射lh，退火，降溫。 即可得到碳化硅3C-SiC、2H-SiC、6H-SiC薄膜。6)使用磁控濺射技術(shù)生長碳化硅非晶薄膜使用碳化硅單晶做襯底，將單晶放置在磁控濺射系統(tǒng)的襯底臺上固定，使用高純碳化 硅做為靶材放入生長腔內(nèi)。將選用的襯底送入真空生長腔，真空生長腔內(nèi)真空度10_3以上。 對襯底加溫至800°c，調(diào)節(jié)直流射頻功率100W，進行磁控濺射lh，退火，降溫。即可得到碳化 硅非晶薄膜。
權(quán)利要求
1.一種低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于將襯底表面溫度分 為三個部分，第一部分是由加熱系統(tǒng)對襯底加熱所顯示的溫度，第二部分，濺射出來的粒 子沉積在襯底上，濺射出來的粒子攜帶有大量的能量，沉積的同時也提高了襯底表面的能 量，第三部分，在生長過程的同時，使用外部光源照射在襯底片上，對襯底表面進行光催化， 提高襯底表面的活性和能量；其中二、三部分的能量無法通過生長系統(tǒng)測試，通過增加第 二、第三部分的能量，降低生長碳化硅薄膜過程中加熱系統(tǒng)的溫度；具體步驟如下第一步根據(jù)應(yīng)用需要選擇合適的襯底，在適合的襯底上生長碳化硅薄膜；第二步將選用的襯底及靶材的表面清洗干凈送入真空生長腔，使用機械泵和分子泵 對真空生長腔抽真空；第三步對襯底使用加熱器加熱；第四步在襯底加熱的同時輔助添加外部光源，并使外部光源直接照射襯底，對襯底進 行輔助光催化，提高襯底表面活性；第五步在襯底加熱的同時，使用磁控濺射或激光脈沖生長碳化硅薄膜，使靶材物質(zhì)濺 射出來沉積在襯底上，通過增加濺射粒子的能量和薄膜生長速度，提高樣品表面的實際溫 度和表面活性，從而控制的碳化硅晶體類型；第六步對襯底進行退火，退火時可用氣氛保護。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于 第一步中選用的襯底包括單晶硅、藍寶石或碳化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于 第二步中真空生長腔內(nèi)保持氣壓10_3以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于 第三步中襯底溫度控制在800°C -1000°C范圍內(nèi)，第五步中用磁控濺射生長碳化硅薄膜時， 調(diào)節(jié)射頻到100— 350w，使用激光脈沖沉積生長碳化硅薄膜時以激光濺射靶材，激光頻率 1-10HZ，激光波長以下，在經(jīng)過退火后即得碳化硅非晶薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于 第三步中襯底溫度控制在1000°C -1300°c范圍內(nèi)，第五步中用磁控濺射生長碳化硅薄膜 時，調(diào)節(jié)射頻到100—350W，使用激光脈沖沉積生長碳化硅薄膜時以激光濺射靶材，激光頻 率1-10HZ，激光波長以下，在經(jīng)過退火后即得碳化硅外延薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其特征在于 第六步中的退火溫度為500-1600°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫制備碳化硅非晶薄膜及外延薄膜的方法，其工藝如下根據(jù)應(yīng)用需要選擇合適的襯底和靶材，在襯底上生長碳化硅薄膜；將襯底及靶材的表面清洗干凈送入真空生長腔，使用機械泵和分子泵對真空生長腔抽真空；對襯底使用加熱器加熱；在襯底加熱的同時輔助添加外部光源，并使外部光源直接照射襯底；使用磁控濺射或激光脈沖生長碳化硅薄膜，沉積過程通過控制沉積頻率控制生長的碳化硅晶型；對襯底進行退火，退火時可用氣氛保護。本發(fā)明極大地降低碳化硅薄膜的生長溫度，制備出包括非晶碳化硅薄膜或者3C-SiC、2H-SiC、4H-SiC和15R-SiC結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)取向的晶體薄膜，在半導(dǎo)體器件制造時可以應(yīng)用在光電子、微電子領(lǐng)域。
文檔編號C23C14/06GK102051589SQ201010559109
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者孫晨, 王海洋, 袁國亮 申請人:南京理工大學(xué)