[发明专利]具有原子级台阶形貌的4H-SiC材料及其刻蚀方法

说明书

本发明属于半导体材料技术领域，公开了一种具有原子级台阶形貌的4H‑SiC材料及其刻蚀方法，在4H‑SiC材料的(0001)晶面上，利用特殊设计的石墨坩埚，采用两步氢刻蚀方法进行刻蚀，从而对4H‑SiC(0001)晶面形貌进行调控，能够在该晶面上得到大面积覆盖且均匀分布的原子级台阶形貌。本发明能够解决刻蚀有效区域难以提升、刻蚀区域内形貌分布无序的问题，实现刻蚀有效区域的最大化与均匀分布；经处理后的SiC表面无划痕且具有覆盖样品表面70‑80％分布均匀的原子级台阶形貌，能够用以制备性能优异的SiC功率器件及高频射频器件，也可作为制备具有均匀可控形貌的外延生长材料的优良衬底。

技术领域

本发明属于半导体器件的制造或处理技术领域，具体的说，是涉及一种具有均匀原子级台阶形貌的4H-SiC材料以及其刻蚀方法。

背景技术

现代微电子技术的发展，对超高频与光电子器件性能提出了更高的要求。受Si材料本身性质的制约，Si基器件很难在高频、高温、大功率和强辐射环境等工作条件下正常运行。第三代宽禁带半导体SiC材料由于其具有的宽禁带、高热导率、高结合能、高临界击穿场强以及高电子饱和漂移速率等特点，适合制作工作于上述条件下的器件。同时，由于与Ⅲ族氮化物有很小的晶格失配，SiC用以作为AlN、GaN等材料的生长衬底制备器件；利用SiC做衬底生长石墨烯避免了CVD法的转移工艺并与传统半导体加工工艺兼容，是制备石墨烯器件的有效方法。

现有商业SiC在生长过程中会产生诸如空洞、微管、位错与硅滴等缺陷，在晶圆切割、磨抛过程中表面产生诸多划痕。以上提到的SiC表面形貌问题，对获得SiC器件的理想电学性能造成阻碍，且会导致SiC外延生长得到的材料质量下降，严重影响SiC的诸多应用。T.L.Chu与R.B.Campbell在1965年提出将SiC置于氢气气氛中高温刻蚀，即氢刻蚀工艺，利用氢气与SiC表面直接反应得到气态产物，可以消除SiC表面划痕并得到光滑的表面；Fredrik Owman等人进一步改良该工艺，在适当的工艺条件下消除SiC表面划痕同时得到了原子级高度(1nm)的台阶形貌；中国专利申请文件CN108183064A公开了应用于SiC热解制备石墨烯的衬底可控台阶形貌预处理方法，主要包括将SiC衬底置于化学气相沉积CVD设备中，在氢气气氛下高温刻蚀的同时通入小流量工艺气体辅助刻蚀，来得到可控平直的台阶。

上述氢刻蚀工艺均采用直接对样品通入氢气气氛，受限于工艺温度及工艺气流分布，刻蚀区域面积难以提升；同时刻蚀区域台阶形貌沿气流方向有明显分界难以控制，因而，目前的氢刻蚀工艺难以适用于工业级SiC晶圆的表面处理。迄今为止，利用氢刻蚀得到可控均匀全覆盖样品的原子级台阶形貌这一应用需求尚未见报道。

发明内容

本发明要解决的是现有氢气刻蚀面积难以提升、刻蚀区域内形貌分布无序的技术问题，提供了一种两步氢刻蚀方法，并得到了具有70-80％覆盖率且台阶形貌均匀分布的SiC材料；该刻蚀方法具有进一步推广于工业级SiC晶圆表面处理的潜力，且得到的SiC样品可制备性能出色的SiC器件或用作生长均匀外延材料的优异衬底。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种具有原子级台阶形貌的4H-SiC材料，包括4H-SiC，其特征在于，所述4H-SiC的(0001)晶面上具有均匀分布的原子级台阶形貌，所述原子级台阶形貌的台阶宽度为0.5-2.5μm，台阶高度为1-1.3nm。

进一步地，所述原子级台阶形貌覆盖70％-80％的所述(0001)晶面。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述4H-SiC材料的刻蚀方法，该方法按照以下步骤进行：

(1)对4H-SiC利用有机试剂进行预处理，并吹干；

对石墨坩埚进行预处理；所述石墨坩埚包括相互连通的刻蚀气孔与导气气孔，所述刻蚀气孔与所述导气气孔均与外界相通；