ВЫРАЩИВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО 3C-SiC НА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ Российский патент 2022 года по МПК C30B25/02 C30B25/08 C30B25/10 C30B25/16 C30B25/18 C30B29/36 C01B32/956 C23C16/32 C23C16/52 H01L21/205 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и системе для выращивания эпитаксиального 3C-карбида кремния на монокристаллическом кремнии, в частности, но не исключительно, на ориентированном по оси 001 монокристаллическом кремнии.

Уровень техники

Карбид кремния - это композитный полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, который хорошо подходит для использования в мощных, высокочастотных электронных устройствах благодаря своим большим значениям теплопроводности, поля пробоя и скорости насыщения.

Карбид кремния существует в нескольких различных кристаллических формах (или "политипах") в зависимости от последовательности расположения в пакете двойных слоев кремния и углерода. Среди этих политипов, 3C-карбид кремния (3C-SiC), 4H-карбид кремния (4H-SiC) и 6H-карбид кремния (6H-SiC) обычно используются в электронных устройствах и в микроэлектромеханических системах (MEMS) и датчиках и как дешевая платформа для выращивания других материалов, таких как нитрид галлия (GaN).

Подложки 4H- и 6H-SiC являются коммерчески доступными и высококачественные гомоэпитаксиальные слои 4H-, и 6H-SiC могут быть выращены на этих типах подложек. Однако, 4H- и 6H-SiC подложки намного дороже в производстве, чем кремниевые подложки, и они имеют много меньшие размеры.

Хотя 3C-SiC подложки не доступны, на кремнии может быть выращен гетероэпитаксиальный 3C-SiC. Это позволяет использовать большие, более дешевые кремниевые подложки. Однако, в настоящее время для выращивания 3C-SiC эпитаксиальных слоев на кремнии используются реакторы химического осаждения из газовой фазы (CVD). Высокотемпературные CVD реакторы с холодными стенками вроде бы использовались для выращивания 3C-SiC эпитаксиальных слоев на кремнии, хотя и не ясно, как температуры выше 1300°C могут быть достигнуты в таких реакторах, без повреждения реактора или компонент, находящихся внутри реактора.

Кроме того, большинство, если не все, исследования гетероэпитаксии 3C-SiC/Si чаще проводятся на малых подложках, таких как кристаллические пластины диаметром 50 мм или кристаллы 10 мм. Это может дать ложное определение того, действительно ли данный гетероэпитаксиальный процесс был успешным и подходящим для производства, или же нет, поскольку проще достигнуть однородной температуры поперек малой подложки. Таким образом, малые гетероструктуры могут не создавать проблемы относительно недостаточной однородности поперек подложки, пористости, и искривления пластины.

Например, в работе R.Anzalone и др.:"Гетероэпитаксия 3C-SiC на различных ориентированных по оси кремниевых подложках", Journal of Applied Physics, v.105, p. 084910 (2009) описывается выращивание эпитаксиальных пленок на 2-дюймовых кремниевых подложках в реакторе химического осаждения из газовой фазы с горячими стенками и при пониженном давлении (LPCVD), используя трихлорсилан (SiHCl₃) как подачу кремния, этилен (C₂H₄) как подачу углерода и водород (H₂) как несущий газ при температуре выращивания 1350°C. Реактор CVD с горячими стенками обычно имеет низкую производительность и требует регулярного и дорогостоящего обслуживания.

В работе Wei-Yu Chen и др.: "Качество кристалла 3C-SiC под влиянием Этапа Диффузии в Модифицированном Способе с Четырьмя Этапами", Journal Electrochemical Society, v.157, p.H377-H380 (2010) описываетcя выращивание эпитаксиальных пленок на подложке 1см×см в горизонтальной системе LPCVD с холодными стенками, используя силан (SiH₄) как кремниевая подачу, пропан (C₃H₈) как подачу углерода и водород (H₂) как несущий газ при температуре выращивания 1420°C. Хотя используется реактор с холодными стенками, используется сложный 3- или 4-этапный процесс осаждения, используя температуры, которые близки к точке плавления кремния. Однако, неясно, повторяем ли процесс, может ли он быть выполнен без повреждения камеры и компонент в камере, и может ли он использоваться для получения больших объемов пластин большого диаметра.

В работе Y.Gao и др.: "Низкотемпературное химическое осаждение из газовой фазы пленок 3C-SiC на Si (100) с использованием SiH₄-C₂H₄-HCl-H₂", Journal of Crystal Growth, v.191, p.439-445 (1998) описывается осаждение 3C-SiC пленок на кремнии с использованием HCl для подавления чистого зародышеобразования кремния. Однако, в статье опускаются некоторые детали, такие как формат и размер подложки, и не упоминается, подвержена ли подложка деформации или искривлению после осаждения. Кроме того, SiC пленки обычно бывают очень шероховатыми. Из показанных в статье микрофотографий, RMS поверхностная шероховатость SiC пленок обычно составляет несколько сотен нанометров. Кроме того, хотя использование более высокой концентрации HCl может и улучшить качество кристалла, это уменьшает скорость выращивания и если HCl исключен, то SiC пленки оказываются поликристаллическими.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение претендует на предоставление улучшенного способа и системы для выращивания эпитаксиального 3C-SiC на монокристаллическом кремнии, таком как монокристаллическая кремниевая пластина или монокристаллический слой кремния пластины кремний-на-изоляторе, или подобном.

В соответствии с первым объектом настоящего изобретения предоставляется способ выращивания эпитаксиального 3C-SiC на монокристаллическом кремнии. Способ содержит предоставление монокристаллической подложки (такой как монокристаллическая кремниевая пластина или пластина кремний-на-изоляторе) в реакторе химического осаждения из газовой фазы с холодными стенками. Способ содержит нагрев подложки до температуры, равной или большей, чем 700°C и равной или меньшей, чем 1200°C, и введение газовой смеси в реактор, тогда как подложка находится при данной температуре для осаждения эпитаксиального слоя 3C-SiC на монокристаллическом кремнии. Газовая смесь содержит прекурсор источника кремния, прекурсор источника углерода и несущий газ.

Таким образом, 3C-SiC эпитаксиальные слои могут быть произведены более дешево не только потому, что может быть использован кремний, который сам по себе более дешев, но также и потому что могут быть использованы намного большие пластины (например, имеющие диаметр, по меньшей мере, 100 мм), что может сделать производство эпитаксиального слоя 3C-SiC еще более дешевым. Кроме того, для выращивания эпитаксиального 3C-SiC на монокристаллическом кремнии может быть использован коммерчески-доступный реактор химического осаждения из газовой фазы с холодными стенками и при пониженном или атмосферном давлении, такой как обычно используется при обработке кремния (но который соответственно модифицирован), имеющий кварцевую камеру и источники нагрева в виде инфракрасной лампы.

Скорость выращивания 3C-SiC может составлять, по меньшей мере, 1 мкм/час. Скорость выращивания может быть, по меньшей мере, 10 мкм/час. Скорость выращивания может быть до 20 мкм/час или более. Однако, более низкие скорости выращивания могут быть использованы, например, для выращивания тонких слоев (например <100 нм) 3C-SiC.

Способ может содержать выращивание 3C-SiC на пластине. Пластина может иметь диаметр, который составляет, по меньшей мере, 100 мм, по меньшей мере, 200 мм или, по меньшей мере, 450 мм или более. Пластина - это предпочтительно монокристаллическая пластина. Однако, пластина может быть пластиной кремний-на-изоляторе (SOI) или пластиной кремний-на-сапфире (SoS) или другой, подобного типа подложкой.

Прекурсор источника углерода может быть кремнийорганическим соединением. Прекурсор источника углерода может быть содержащим метил силаном. Предпочтительно, прекурсор источника углерода - это триметилсилан (C₃H₁₀Si).

Прекурсор источника кремния и прекурсор источника углерода предпочтительно различаются, то есть единственный прекурсор, служащий источником и кремния, и углерода, не используется.

Прекурсор источника углерода может иметь расход, по меньшей мере, 1 см³/мин или, по меньшей мере, 10 см³/мин.

Прекурсор источника кремния может быть силаном, или содержащим хлор силаном.

Предпочтительно, прекурсор источника кремния - это дихлорсилан (SiH₂Cl₂). Прекурсор источника кремния может быть трихлорсиланом. Прекурсор источника кремния может содержать первый и второй компоненты прекурсора. Например, прекурсор источника кремния может содержать смесь газов, например, силан или дисилан и хлорид водорода (HCl).

Прекурсор источника кремния может иметь расход, по меньшей мере, 1 см³/мин или, по меньшей мере, 10 см³/мин.

Несущий газ - это предпочтительно водород (H₂).

Несущий газ может иметь расход, по меньшей мере, 1 см³/мин или, по меньшей мере, 10 см³/мин.

Отношение расхода прекурсора источника углерода и прекурсора источника кремния может быть меньше, чем 3 и больше, чем 0,33. Отношение расхода прекурсора источника углерода и прекурсора источника кремния может быть меньше, чем 2 и больше, чем 0,5. Расходы прекурсора источника углерода и прекурсора источника кремния могут быть одинаковыми или по существу одинаковыми (например, отношение расхода прекурсора источника углерода и прекурсора источника кремния - меньше, чем 1,2 и больше, чем 0,8).

Газовая смесь предпочтительно состоит из прекурсора источника кремния, прекурсора источника углерода и несущего газа, или из прекурсора источника кремния, прекурсора источника углерода, несущего газа и прекурсора источника примеси.

Газовая смесь предпочтительно исключает (то есть не включает в себя или не состоит из) газ хлористый водород (HCl).

Температура может быть равной или большей, чем 900°C, равной или большей, чем 900°C, или равной или большей, чем 1000°C. Температура предпочтительно равна или больше, чем 1100°C.

Давление в реакторе во время осаждения может быть равным или большим, чем 66,7 Па (0,5 торр) и равным или меньшим, чем 26,7 кПа (200 торр) или равным или меньшим, чем 80 кПа (600 Тор), то есть химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении. Давление в реакторе во время осаждения равно или больше, чем 13,3 кПа (100 торр) и равно или меньше, чем 13,3 кПа (760 торр).

Монокристаллический кремний имеет (001) ориентацию поверхности. Монокристаллический кремний может иметь (110) ориентацию. Монокристаллический кремний может иметь (111) ориентацию. Эпитаксиальный слой 3C-SiC, имеющий (111) ориентацию (то есть, выращенный на (111) Si) может использоваться как подложка для очень быстрого выращивания нитрида галлия (GaN).

Предпочтительно, поверхность монокристаллического кремния является плоской, то есть неструктурированной. Монокристаллический кремний может быть ориентирован по кристаллической оси. Монокристаллический кремний может быть вне кристаллической оси.

Использование низкой температуры для эпитаксии может способствовать выборочной эпитаксии. Например, если кремниевая поверхность покрыта областями диэлектрического материала, такого как оксид кремния или нитрид кремния, или другим маскирующим материалом для формирования маски, то 3C-SiC может быть выращен выборочно на кремнии без роста на маске.

В соответствии со вторым объектом настоящего изобретения, предоставляется гетероструктура, содержащая область монокристаллического кремния, имеющего верхнюю поверхность (такую как монокристаллическая подложка) и слой эпитаксиального 3C-SiC, расположенный на верхней поверхности. Слой эпитаксиального 3S-SiC может иметь толщину, по меньшей мере, 1 нм или 10нм или, по меньшей мере, 500 нм.

Для гетероструктуры, имеющей диаметр, по меньшей мере, 100 мм, по существу нет никакого искривления пластины. Поверхность эпитаксиального 3C-SiC может иметь RMS поверхностной шероховатости, измеренную посредством атомного силового микроскопа (AFM), равную или меньшую, чем 20 нм, и предпочтительно равную или меньшую, чем 10 нм.

В соответствии с третьим объектом настоящего изобретения, предоставляется полупроводниковое устройство (такое как MOSFET или IGBT), содержащее гетероструктуры второго объекта.

В соответствии с четвертым объектом настоящего изобретения, предоставляется устройство MEMS, содержащее гетероструктуры второго объекта.

В соответствии с пятым объектом настоящего изобретения, предоставляется систему химического осаждения из газовой фазы для выращивания эпитаксиального 3C-SiC на монокристаллическом кремнии. Система содержит корпус реактора с холодными стенками, опору для подложки, подачу прекурсора источника кремния, подачу прекурсора источника углерода, подачу несущего газа, ряд контроллеров массового расхода, причем каждый контроллер массового расхода выбирает флюидную связь с соответствующей подачей, манифольд для приема газа от контроллеров массового расхода и подачи газовой смеси на реактор, нагреватель для нагрева подложки, температурный датчик для измерения температуры подложки, датчик давления измерения давления в реакторе, вакуумный насос, находящийся в выбираемой флюидной связи с реактором, система управления, сконфигурированная, когда подложка предоставлена в реакторе, для выполнения осаждения эпитаксиального слоя 3C-SiC на поверхности монокристаллической кремниевой подложки при температуре, равной или большей 700°C и равной или меньшей 1200°C.

Система химического осаждения из газовой фазы предпочтительно имеет возможность обрабатывать подложки в форме пластины, имеющей диаметр, по меньшей мере, 100 мм. Система может иметь возможность обрабатывать пластину, имеющую диаметр, равный или больший, чем 200 мм или равный или больший, чем 450 мм.

Краткое Описание Чертежей

Некоторые варианты реализации настоящего изобретения описываются ниже посредством примера в связи с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1 изображает слой 3C-SiC на ориентированной по оси 001 монокристаллической подложке;

Фиг.2 - схематическая диаграмма устройства для эпитаксиального выращивания 3C-SiC на подложке, имеющей монокристаллическую кремниевую поверхность;

Фиг.3 - блок-схема последовательности операций для способа эпитаксиального выращивания 3C-SiC на монокристаллическом кремнии;

Фиг.4 - температурный профиль процесса эпитаксиального выращивания 3C-SiC;

Фиг.5 - температурный профиль модифицированного процесса эпитаксиального выращивания 3C-SiC;

Фиг.6 - графики ω-2θ симметричной рентгеновской дифракции для четырех гетероструктур 3C-SiC/Si, имеющих различные отношения углерода к кремнию; и

Фиг.7 - темно-полевая микрофотография в просвечивающем электронном микроскопе (TEM) сечения в плоскости 220 слоя кристаллического 3C-SiC на Si (001), показывающая наличие дефектов упаковки и отсутствие пустот на границе раздела 3C-SiC/Si.

Подробное Описание Некоторых Вариантов реализации

3C-SiC/Si гетероструктура 1

Относительно Фиг.1, показана гетероструктура 1 3C-карбид кремния /кремний (3C-SiC/Si), которая произведена процессом эпитаксиального выращивания в соответствии с настоящим изобретением.

Гетероструктура 1 3C-SiC/Si содержит подложку 2 монокристаллического кремния, имеющую верхнюю поверхность 3 и монокристаллический слой 4 (здесь также обозначаемый как "эпитаксиальный слой" или просто "слой") 3C-SiC, расположенный непосредственно на верхней поверхности 3 кремниевой подложки 2. Однако, монокристаллическая кремниевая подложка 2 не должна использоваться. Может быть использована подложка (не показана), имеющая область или слой монокристаллического кремния на ее верхней поверхности, такая как кремний на изоляторе.

Кремниевая подложка 2 выбирается в форме кремниевой пластины с ориентацией по оси (001), имеющей диаметр, d, который составляет 100 мм. Однако, диаметр, d, может составлять 450 мм или более. Поверхность 3 кремниевой подложки 2 не структурирована. Иначе говоря, поверхность 3 не должна быть специально сконфигурирована для обеспечения эпитаксии.

Слой 4 3C-SiC имеет толщину, t_epi, которая может быть больше или равной 1 нм, больше или равной 10 нм, больше или равной 100 нм или больше или равной 500 нм. Слой 4 3C-SiC может иметь толщину, t_epi, имеющую порядок величины 1 мкм, 10 или даже 100 мкм.

Система 6 химического осаждения из газовой фазы

На Фиг.2 показана система 6 химического осаждения из газовой фазы для эпитаксиального выращивания кристаллического слоя 3C-SiC на кремнии в соответствии с настоящим изобретением. Система CVD 6 имеет форму (RP-CVD) системы химического осаждения из газовой фазы с пониженным давлением. В частности, система 6 имеет форму системы RP-CVD ASM Epsilon 2000. Различные клапаны, такие как вентильные клапаны, и линии, такие как обходные линии, опущены на Фиг.2 для ясности.

Система 6 химического осаждения из газовой фазы содержит реактор 7 горизонтального типа с холодными стенками, имеющий охлаждаемые водой кварцевые стенки реактора (не показаны) и ряд внешних нагревателей 9, которые представляют собой инфракрасные лампы. Могут быть использованы другие типы нагревателей 9, например, индукционные катушки.

Реактор 7 заключает в себе опору 10 подложки для одной или нескольких кремниевых пластин 2, которые могут быть загружены в реактор через загрузочный шлюз 11. Температура, T, пластины(-ин) 2 измеряется с использованием температурного датчика 12 в виде пирометра. Нагреватель 9, и, таким образом, температура, T, управляется с использованием температурного контроллера 13.

Система 6 химического осаждения из газовой фазы включает в себя систему 14 подачи газа, содержащую подачу 15 прекурсора 16 источника кремния, подачу 17 прекурсора 18 источника углерода, дополнительную подачу 19 прекурсора 20 примеси n-типа, дополнительную подачу 21 прекурсора 22 примеси n-типа, подачу 23 несущего газа 24 в виде газа водорода (H₂) и подачу 25 продувочного газа 26 в виде газа азота (N₂), ряд соответствующих клапанов 27, 28, 29, 30, 31, 32 и ряд соответствующих контроллеров 33, 34, 35, 36, 37, 38, массового расхода которые используются для подачи газов при соответствующих заданных расходах (измеряемых в стандартах литров в минуту или стандартов кубических сантиметров в минуту) в манифольд 39, который связан с газовым впуском 40 реактора 7.

Как будет пояснено более подробно ниже, система 14 подачи газа используется для подачи газовой смеси 41, содержащей прекурсор 16 источника кремния, прекурсор 18 источника углерода, опционально прекурсор 20, 22 примеси и несущий газ 24 на реактор 7 для эпитаксии 3C-SiC.

Система 6 химического осаждения из газовой фазы включает в себя насосную систему 42 во флюидной связи с выпуском 43, который может быть использован для извлечения смеси 44 продукта реакции. Насосная система 42 содержит один или несколько вакуумных насосов 45, связанных с выпуском 43 через параллельную структуру высокопроизводительной линии 46 и соответствующего клапана 47, которая может быть использована для быстрой откачки реактора 7 до базового давления, и малопроизводительной линии 48 и соответствующего управляющего потоком клапана 49, которая может быть использована во время выращивания. Давление, P, в реакторе 7 измеряется с использованием датчика 50 давления, например, в виде манометра Пирани. Насос(-ы) 45, управляемый клапан 49 и, таким образом, давление, P, контролируются с использованием контроллера 51 давления.

Система 6 химического осаждения из газовой фазы включает в себя главный контроллер 53, который может быть в виде компьютерной системы, используемой для управления температурным контроллером 13, контроллерами 33, 34, 35, 36, 37, 38, массового расхода и контроллером 51 давления, например, посредством регулировки устанавливаемых рабочих точек.

Прекурсор 16 источника кремния выбирается в форме дихлорсилана (который может обозначаться как "DCS"), имеющего химическую формулу SiH₂Cl₂, и прекурсор 18 источника углерода выбирается в форме триметилсилана (который может обозначаться как "TMS"), имеющего химическую формулу C₃H₁₀Si. Прекурсор 20 примеси n-типа может иметь форму арсина (AsH₃) или фосфина (PH₃). Прекурсор 22 примеси p-типа может иметь форму диборана (B₂H₆).

Низкотемпературное (≤1200°C) эпитаксиальное выращивание кристаллического 3C-SiC на Si

Используя дихлорсилан 16 и триметилсилан 18, система 6 химического осаждения из газовой фазы может быть использована для выращивания кристаллических эпитаксиальных слоев 3C-SiC на чистых (то есть, неструктурированных) кремниевых подложках 2, таких как ориентированные по оси (001) кремниевые пластины, при температуре осаждения, T_EPI, или ниже 1200°C и могут быть достигнуты скорости выращивания выше 10 мкм/час. Если это необходимо, то могут быть использованы более низкие скорости выращивания.

На Фиг.3 показана блок-схема последовательности операций способа выращивания эпитаксиального 3C-SiC на ориентированной по оси (001) кремниевой пластине 2.

Обращаясь к Фиг.2, 3 и 4, ориентированная по оси (001) кремниевая пластина 22 очищается и ее изначальная оксидная поверхность (не показана) удаляется с использованием погружения во фтористоводородную кислоту (HF) (этап S1). Пластина 2 загружается в реактор 7 при температуре ожидания, T_SB, через загрузочный шлюз 11 при атмосферном давлении (этап S2). Температура ожидания, T_SB, составляет 900°C. Однако, температура ожидания, T_SB, может иметь значение между комнатной температурой и 1200°C.

Несущий газ 24, в данном случае водород, вводится в реактор 7 при расходе 10 л/мин и при давлении 100 торр (этап S3). Нагреватели 9 включаются и контролируются так, чтобы температура пластины 2 достигала и поддерживалась при заданном значении, что в данном случае составляет 1190°C (этап S4).

Смесь 41 дихлорсилана 16, триметилсилана 18 и водорода 24 вводится в реактор 7, имеет расходы 10 см³/мин, 10 см³/мин и 10000 см³/мин, соответственно, тогда как температура поддерживается при 1190°C, и давление поддерживается при 13,3 кПа (100 торр) (этап S5). Таким образом, парциальные давления дихлорсилана 16 и триметилсилана 18 составляют 13,3 Па, 13,3 Па, соответственно. Скорость выращивания для данной газовой смеси 41 и данных газовых расходов, и при данной температуре и давлении, составляет приблизительно 20 мм/час.

Газовая смесь 41 продолжает протекать, пока желаемая толщина 3C-SiC не будет наращена (этап S6). Как только желаемая толщина достигнута, поток дихлорсилана 16 и триметилсилана 18 прекращается (этап S7), но несущий газ 24 продолжает течь (этап S8). Нагреватели 9 выключаются (этап S19) и пластине 1 3C-SiC/Si (Фиг.1) предоставляется возможность охлаждения. Это может занять приблизительно 5-10 минут. Как только пластина 1 (Фиг.1) охладилась, поток несущего газа 20 останавливается и реактор 7 продувается (этап S10). Пластина 1 3C-SiC/Si (Фиг.1) затем удаляется из реактора 7 (этап S11).

Пластина 1 3C-SiC/Si может быть обработана для формирования мощных электронных устройств, таких как SiC MOSFET и/или SiC IGBT (не показано), используя 3C-SiC для формирования слоя дрейфа, легированных областей кармана и областей истока и стока.

Пластина 1 3C-SiC/Si может быть обработана для формирования устройств MEMS.

Относительно Фиг.5, процесс может быть модифицирован посредством формирования in-situ тонкого зародышевого слоя (не показан) до эпитаксии. Зародышевый слой (не показанный) содержит слой карбида кремния (Si_1-xC_x, где x составляет приблизительно 0,01), имеющий толщину до 10 нм.

После загрузки пластины 2 в реактор 7 при температуре ожидания, T_SB, через загрузочный шлюз 11 при атмосферном давлении, пластина 2 охлаждается приблизительно до 600°C. Выполняется короткий цикл осаждения (например, продолжающийся несколько минут) с использованием тех же самых прекурсоров, тех же самых расходов и того же самого давления. Однако, вследствие более низкой температуры, процесс не приводит к эпитаксии.

Безотносительно к теории, зародышевый слой (не показан) считается способствующим предотвращению формирования пустот на поверхности кремния во время эпитаксии.

Описание характеристик

Искривления подложки не наблюдается для гетероструктуры 1 3C-SiC/Si, содержащей эпитаксиальный слой 3C-SiC, выращенный на ориентированной по оси (100) монокристаллической кремниевой пластине диаметром 100 мм при 1190°C с использованием дихлорсилана и триметилсилана и используя выше описанный процесс. Кроме того, гетероструктура 1 3C-SiC/Si имеет RMS поверхностную шероховатость (10±1) нм, измеренную с использованием атомного силового микроскопа.

На Фиг.6 показаны графики зависимости от ω-2θ интенсивности симметричной рентгеновской дифракции для первой, второй, третьей и четвертой гетероструктур 3C-SiC/Si, имеющих отношения углерода к кремнию 4:1, 3:1, 6:4 и 3: 4 соответственно.

Пики от подложки Si(001) и эпитаксиальных слоев 3C-SiC ясно видимы при 34,5° и 45°, соответственно. Графики показывают, что эпитаксиальные слои 3C-SiC являются кристаллическими.

На Фиг.7 показано сечение TEM изображения гетероструктуры 1 3C-SiC/Si(001), выращенной с использованием вышеописанного процесса при температуре 1190°C. TEM изображение подтверждает кристалличность и качество выращенного при низкой температуре эпитаксиального слоя 3C-SiC.

При использовании различных прекурсоров, таких как источники кремния и углерода, оказывается возможным регулировать отношение углерода к кремнию и блокировать обратную диффузию кремния из подложки и предотвратить формирование пустот.

Модификации

Следует отметить, что может быть выполнено много модификаций к вышеописанным вариантам реализации.

Кремниевая подложка может быть подложкой кремний-на-изоляторе (SOI), содержащей кремниевый основной слой, скрытый оксидный слой и верхний кремниевый слой. Кремниевая подложка не обязательно должна иметь кристаллическую ориентацию (001), но может иметь другие кристаллические ориентации, например (111) или (110).

Система CVD не обязательно должна быть системой RPCVD, но может быть системой химического осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении (APCVD). Реактор не обязательно должен быть реактором горизонтального типа, но может быть, например, реактором барабанного типа или вертикальным реактором.

Реактор химического осаждения из газовой фазы с холодными стенками, с пониженным или атмосферным давлением, обычно используемый в технологии обработки кремния промышленного масштаба (который может обрабатывать пластины, имеющие диаметр, по меньшей мере, 100 мм), и который снабжается подходящими прекурсорами, может быть использован для выращивания эпитаксиального 3C-SiC на монокристаллическом кремнии.

Могут быть использованы другие прекурсоры источники кремния. Например, могут быть использованы силаны, такие как силан (SiH₄) или содержащий хлор силаны, такие как трихлорсилан (SiHCl₃).

Могут быть использованы другие прекурсоры источники углерода. Например, могут быть использованы содержащие метил силаны, такие как метилсилан (CH₆Si) или пента-метилен метил силан (C₆H₁₄Si).

Могут быть использованы другие несущие газы, такие как аргон или гелий.

Изобретение относится к технологии выращивания эпитаксиального 3C-SiC на ориентированном монокристаллическом кремнии. Способ включает предоставление монокристаллической кремниевой подложки 2, имеющей диаметр по меньшей мере 100 мм, в реакторе 7 химического осаждения из газовой фазы с холодными стенками, содержащем кварцевую камеру; нагревание подложки до температуры, равной или большей чем 700°C и равной или меньшей чем 1200°C, с использованием внешних нагревателей 9, которые представляют собой инфракрасные лампы; введение газовой смеси 33 в реактор, тогда как подложка находится при данной температуре, причем газовая смесь содержит прекурсор 16 источника кремния, прекурсор 18 источника углерода, который отличается от прекурсора 16 источника кремния, и несущий газ 20, таким образом, чтобы осадить эпитаксиальный слой 3C-SiC на монокристаллический кремний, при этом прекурсор 16 источника кремния содержит силан или содержащий хлор силан, а прекурсор 18 источника углерода содержит содержащий метил силан. Способ осуществляют в системе химического осаждения из газовой фазы. Также предлагается гетероструктура, содержащая подложку, имеющую монокристаллическую кремниевую поверхность, имеющую диаметр по меньшей мере 100 мм; и слой эпитаксиального 3C-SiC, расположенный на монокристаллической кремниевой поверхности, имеющий толщину по меньшей мере 10 нм; при этом по существу нет никакого искривления подложки и поверхность эпитаксиального 3C-SiC имеет RMS поверхностную шероховатость, измеренную посредством атомного силового микроскопа (AFM), равную или меньшую чем 10 нм. Изобретение обеспечивает кристалличность и качество выращенного при низкой температуре эпитаксиального слоя 3C-SiC. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ выращивания эпитаксиального 3C-SiC на монокристаллическом кремнии, причем способ включает:

предоставление монокристаллической кремниевой подложки (2), имеющей диаметр по меньшей мере 100 мм, в реакторе (7) химического осаждения из газовой фазы с холодными стенками, содержащем кварцевую камеру;

нагревание подложки до температуры, равной или большей чем 700°C и равной или меньшей чем 1200°C, с использованием внешних нагревателей (9), которые представляют собой инфракрасные лампы;

введение газовой смеси (33) в реактор, тогда как подложка находится при данной температуре, причем газовая смесь содержит прекурсор (16) источника кремния, прекурсор (18) источника углерода, который отличается от прекурсора (16) источника кремния, и несущий газ (20), таким образом, чтобы осадить эпитаксиальный слой (4) 3C-SiC на монокристаллический кремний, при этом прекурсор (16) источника кремния содержит силан или содержащий хлор силан, а прекурсор (18) источника углерода содержит содержащий метил силан.

2. Способ по п. 1, причем прекурсор (18) источника углерода содержит триметилсилан.

3. Способ по п. 1 или 2, причем расход прекурсора (18) источника углерода составляет по меньшей мере 1 см³/мин.

4. Способ по любому из пп. 1-3, причем расход прекурсора (18) источника углерода составляет по меньшей мере 10 см³/мин.

5. Способ по любому из пп. 1-4, причем прекурсор (16) источника кремния содержит дихлорсилан.

6. Способ по любому из пп. 1-5, причем прекурсор (16) источника кремния содержит два или более различных компонентов прекурсора.

7. Способ по любому из пп. 1-6, причем расход прекурсора (16) источника кремния составляет по меньшей мере 1 см³/мин.

8. Способ по любому из пп. 1-7, причем расход прекурсора (16) источника кремния составляет по меньшей мере 10 см³/мин.

9. Способ по любому из пп. 1-8, причем отношение расхода прекурсора (18) источника углерода и прекурсора (16) источника кремния меньше чем 1,2 и больше чем 0,8.

10. Способ по любому из пп. 1-9, причем расходы прекурсора (18) источника углерода и прекурсора (16) источника кремния одинаковые.

11. Способ по любому из пп. 1-10, причем температура T равна или больше чем 1100°C.

12. Способ по любому из пп. 1-11, причем давление в реакторе (7) во время осаждения равно или больше чем 66,7 Па (0,5 торр) и равно или меньше чем 26,7 кПа (200 торр).

13. Способ по любому из пп. 1-11, причем давление в реакторе (7) во время осаждения равно или больше чем 13,3 кПа (100 торр).

14. Способ по любому из пп. 1-13, причем монокристаллический кремний имеет (001) ориентацию поверхности.

15. Способ по любому из пп. 1-14, причем монокристаллическая кремниевая подложка (2) имеет плоскую поверхность (3).

16. Способ по любому из пп. 1-15, причем монокристаллическая кремниевая подложка (2) содержит монокристаллическую кремниевую пластину.

17. Способ по любому из пп. 1-16, причем газовая смесь исключает газ хлористый водород (HCl).

18. Гетероструктура, содержащая:

подложку, имеющую монокристаллическую кремниевую поверхность, имеющую диаметр по меньшей мере 100 мм; и

слой эпитаксиального 3C-SiC, расположенный на монокристаллической кремниевой поверхности, имеющий толщину по меньшей мере 10 нм;

при этом по существу нет никакого искривления пластины и поверхность эпитаксиального 3C-SiC имеет RMS поверхностную шероховатость, измеренную посредством атомного силового микроскопа (AFM), равную или меньшую чем 10 нм.

19. Система химического осаждения из газовой фазы для выращивания эпитаксиального 3C-SiC на подложке, имеющей поверхность из монокристаллического кремния, содержащая:

реактор (7) с холодными стенками, содержащий кварцевую камеру, помещающую в себе опору (10) для поддержания подложки, имеющей диаметр по меньшей мере 100 мм;

подачу (15) прекурсора (16) источника кремния;

подачу (17) прекурсора (18) источника углерода, который отличается от прекурсора источника кремния;

подачу (23) несущего газа (24);

ряд контроллеров (33, 34, 37) массового расхода, причем каждый контроллер массового расхода находится в выбираемой флюидной связи с соответствующей подачей;

манифольд (39) для приема газа от контроллеров массового расхода и подачи газовой смеси (41) на реактор;

внешние нагреватели (9), которые представляют собой инфракрасные лампы, для нагрева подложки;

температурный датчик (12) для измерения температуры подложки;

датчик (50) давления для измерения давления в реакторе;

вакуумный насос (45), находящийся в выбираемой флюидной связи с реактором;

систему (13, 33, 34, 37, 51, 53) управления, сконфигурированную таким образом, что, когда подложка предоставляется в реакторе для осаждения эпитаксиального слоя 3C-SiC на указанной поверхности из монокристаллического кремния указанной подложки, подложка находится при температуре, равной или большей чем 700°C и равной или меньшей чем 1200°C, при этом эта система химического осаждения из газовой фазы пригодна для обработки подложки в форме пластины, имеющей диаметр по меньшей мере 100 мм;

причем прекурсор (16) источника кремния представляет собой силан или содержащий хлор силан, а прекурсор (18) источника углерода представляет собой содержащий метил силан.

20. Система химического осаждения из газовой фазы по п. 19, причем диаметр составляет по меньшей мере 200 мм или по меньшей мере 450 мм.

21. Система химического осаждения из газовой фазы по п. 19 или 20, в которой реактор представляет собой реактор горизонтального типа.