CN100497760C - 高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种N型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：11)衬底的准备；12)对衬底的原位预处理；13)缓冲层的生长；14)通入含碳生长源、含硅生长源和掺杂剂，进行碳化硅外延的生长，其特征在于，所述步骤14)进一步包括，通入含碳生长源的流量在5ml/min至25ml/min之间，通入含硅生长源的流量在10ml/min至50ml/min之间，并且通入掺杂剂的流量在5ml/min至2000ml/min之间。本发明还提供一种P型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法。该方法，能够在保持较小掺杂剂流量的情况下，有效的提高碳化硅外延单晶薄膜掺杂浓度，不会形成记忆效应，得到的外延材料晶格质量好，缺陷密度低，工艺重复性和一致性好，适合规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的制造，特别是高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法。
背景技术
近年来，由于大功率和高频电路的增加，相应增加了对既能处理较大功率负载又能在更高频率下工作的晶体管的需求。人们除了在器件结构设计上不断改进以外，更基本的是器件工作参数更依赖于材料本身的特性。
电子迁移率是电场存在情况下电子加速到它的饱和速度的快慢程度的测量值，饱和电子漂移速度是在半导体材料中电子获得的最大速度。因为较高速度使得器件从源到漏得时间较短，所以对于高频应用来说，优先选用具有较高电子饱和漂移速度的材料。击穿场强是肖特基结击穿和穿过器件的栅的电流突然增加时的电场强度，由于较大的电场比较小的电场更快的加速电子，对较快的瞬变过程选择较大的电场。因为给定的材料尺寸可以接受较大的电场，所以大功率和高频晶体管优先选用高击穿场强的材料。导热系数是半导体材料散热能力的体现，任何晶体管在工作中都会产生热，大功率和高频晶体管产生热量更是高于小信号晶体管产生的热量。当半导体材料的温度增加时，其电子迁移率会降低，导致结漏电流增加，并且通过场效应晶体管的电流也会降低。如果材料具有较好的散热特性，器件可维持较低的温度并以较低的漏电流承载较大的工作电流。
相对于Si和GaAs来说，SiC具有更好的材料特性。比如4H-SiC，大约4×106V/cm击穿场强，大约2×107cm/s电子漂移速度和大约4.9W/cm·K的热导率，同时具有高化学稳定性和抗辐射性能。这些优异的材料特性表明SiC适合于高功、高温和高频应用。因此，制作在SiC基上的电子器件具有高击穿电压、响应时间快和尺寸小等特点，减小甚至除去了冷却装置所占的空间和重量，降低了器件制作成本和提高了功率器件的集成度。
因为MESFET(金属半导体场效应晶体管，Metal Semiconductor FieldEffect Transistor)的肖特基栅结构可以使MESFET更适合于高频应用，SiCMESFET器件越来越受到人们的重视。MESFET结构中除衬底外的半导体层都是外延形成的，生长在SiC衬底上的每个外延层都将直接影响到制作器件的特性。在优选的SiC MESFET结构中，最上面一层就是高浓度掺杂的外延层，以获得较小的欧姆接触电阻，如图1所示，SiC材料可分为三层：SiC衬底、缓冲层和SiC外延层。
目前，提高碳化硅外延单晶薄膜掺杂浓度的方法，主要是都是通过改变掺杂剂的流量来控制掺杂浓度的，因此高的掺杂浓度需要大流量的掺杂剂。
大流量的掺杂剂在外延生长的高温过程中会有部分杂质渗入到反应室部件里面和黏附在反应室内壁的淀积层中，在下一炉次生长时，这些杂质在高温状态下逸出参与外延化学反应，导致外延时掺杂剂浓度偏高，造成得到的外延浓度结果高于预期浓度，也使得制造工艺条件无法控制，这就是所谓的记忆效应。因此在外延过程中应尽量避免使用大流量掺杂剂，以免造成严重的记忆效应。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供的高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，通过调整生长源的流量比例，而不需要增加掺杂剂的流量，从而不会形成记忆效应。
本发明提供的N型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：
11)衬底的准备；
12)对衬底的原位预处理；
13)缓冲层的生长；
14)通入含碳生长源、含硅生长源和掺杂剂，进行碳化硅外延的生长，其特征在于，所述步骤14)进一步包括，通入含碳生长源的流量在5ml/min至25ml/min之间，通入含硅生长源的流量在10ml/min至50ml/min之间，并且通入掺杂剂的流量在5ml/min至2000ml/min之间。
优选地，所述含碳生长源为C3H8，所述含硅生长源为SiH4，所述掺杂剂为N2。
优选地，通入C3H8的流量在5ml/min至10ml/min之间，通入SiH4的流量在15ml/min至30ml/min之间，通入N2的流量在1000ml/min至1500ml/min之间。
优选地，通入C3H8的流量为5ml/min，通入SiH4的流量为25ml/min，通入N2的流量为1500ml/min。
本发明还提供一种P型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：
51)衬底的准备；
52)衬底的原位预处理；
53)缓冲层的生长；
54)通入含碳生长源、含硅生长源和掺杂剂，进行碳化硅外延的生长，所述步骤54)进一步包括，通入含碳生长源的流量在5ml/min至50ml/min之间，通入含硅生长源的流量在10ml/min至50ml/min之间，并且通入掺杂剂的流量在3.65 x 10-5ml/min至50ml/min之间。
优选地，所述含碳生长源为C3H8，所述含硅生长源为SiH4，所述掺杂剂为三甲基铝。
优选地，通入C3H8的流量在5ml/min至15ml/min之间，通入SiH4的流量在15ml/min至35ml/min之间，通入三甲基铝的流量在3.65 x 10-5ml/min至0.2ml/min。
优选地，通入C3H8的流量为10ml/min，通入SiH4的流量为20ml/min，通入三甲基铝的流量为0.01374ml/min。
与现有技术相比，本发明提供的高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，在碳化硅外延生长中，N型掺杂剂和P型掺杂剂被认为分别进入晶格中的C位和Si位，对于N型外延生长，如果减小丙烷流量即降低碳硅比例而保持N型掺杂剂流量不变，此时C原子的浓度降低，导致表面Si原子悬挂键的饱和程度降低，有利于N原子进入晶格中本属于C原子的位置与Si原子结合，提高了N原子的利用效率，也即是提高了薄膜中的N型掺杂浓度。对P型外延刚好相反，保持掺杂剂流量不变而提高碳硅比，可起到提高外延薄膜外延浓度的效果。
总而言之，本发明高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，能够在保持较小掺杂剂流量的情况下，有效的提高碳化硅外延单晶薄膜掺杂浓度，不会形成记忆效应，得到的外延材料晶格质量好，缺陷密度低，工艺重复性和一致性好，适合规模生产。
附图说明
图1所示为SiC材料结构剖面图；
图2所示为本发明实施例的原子力显微镜测试结果图；
图3所示为本发明实施例的摇摆曲线FWHM结果图。
具体实施方式
以下为本发明提供的第一实施例。
本发明实施例提供的N型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：
1)选择4H-SiC半绝缘衬底Si面外延生长，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；
2)徐徐升温至1450℃，设置压力为100mbar，在H2(流量80L/min)和C3H8(流量10ml/min)气氛下在线对衬底表面进行处理30min，去除表面的损伤和沾污；
3)徐徐升温至1550℃，设置压力为100mbar，通入SiH4(流量22.5ml/min)、C3H8(流量5ml/min)和三甲基铝(TMA)生长0.5μm的缓冲层；
4)设置生长压力为100mbar，通入生长源SiH4流量和C3H8流量分别为25ml/min和5ml/min，通入掺杂剂流量为1.5L/min的N2生长高掺杂浓度外延层；
5)关闭生长源和掺杂源，降温。
本发明实施例提供的高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，步骤4)中生长源SiH4流量和C3H8流量分别为25ml/min和5ml/min，碳硅比为3:5，此时C原子的浓度降低，导致表面Si原子悬挂键的饱和程度降低，有利于N原子进入晶格中本属于C原子的位置与Si原子结合，提高了N原子的利用效率，也即是提高了薄膜中的N型掺杂浓度。同时，掺杂剂N2的流量为1.5ml/min，如此小流量的掺杂剂在外延生长的高温过程中也不会有很多杂质渗入到反应室部件里面和黏附在反应室内壁的淀积层中，从而不会产生记忆效应，不会影响下一炉次的生长。
原子力显微镜(AFM)技术可以测定SiC外延薄膜的粗糙度(Rms)来表征薄膜的表面质量。如图2所示为本发明实施例的原子力显微镜测试结果图，利用本实施例生长的外延薄膜表面形貌在散光灯下观察呈镜面，AFM测试结果表明薄膜的粗糙度(Rms)低于0.3nm。X射线衍射(XRD)技术可以测定半导体单晶薄膜的摇摆曲线半高宽(FWHM)来表征晶体质量。如图3所示为本发明实施例的摇摆曲线FWHM结果图，本实施例方法制作的样品面摇摆曲线FWHM小于30arcsec。
以下为本发明提供的第二实施例。
本发明实施例提供的P型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：
1)选择4H-SiC导电衬底Si面外延生长，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；
2)徐徐升温至1450℃，设置压力为100mbar，在H2(流量80L/min)和C3H8(流量10ml/min)气氛下在线对衬底表面进行处理30min，去除表面的损伤和沾污；
3)徐徐升温至1575℃，设置压力为100mbar，通入SiH4(流量10ml/min)、C3H8(流量5ml/min)生长1μm的本征缓冲层；
4)设置生长压力为100mbar，通入生长源SiH4流量和C3H8流量分别为20ml/min和10ml/min，通入掺杂剂流量为0.01374ml/min的三甲基铝(TMA)生长高掺杂P型浓度外延层；
5)关闭生长源和掺杂源，降温。
本发明实施例提供的高掺杂P型浓度的碳化硅外延生长的方法，步骤4)中生长源SiH4流量和C3H8流量分别为20ml/min和10ml/min，碳硅比为3:2，此时反应物中C原子的浓度增加，有利于Al原子进入晶格中与C原子结合，提高了Al原子的利用效率，也即是提高了薄膜中的P型掺杂浓度。同时，掺杂剂三甲基铝(TMA)的流量为0.01374ml/min，如此小流量的掺杂剂在外延生长的高温过程中也不会有很多杂质渗入到反应室部件里面和黏附在反应室内壁的淀积层中，从而不会产生记忆效应，不会影响下一炉次的生长。
本发明中所涉碳化硅衬底包括N型、P型或半绝缘的3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等。
本发明实施例提供的高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，能够在保持较小掺杂剂流量的情况下，有效的提高碳化硅外延单晶薄膜掺杂浓度，不会形成记忆效应，得到的外延材料晶格质量好，缺陷密度低，工艺重复性和一致性好，适合规模生产。
Claims (6)
1、一种N型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：
11)衬底的准备；
12)对衬底的原位预处理；
13)缓冲层的生长；
14)通入C3H8、SiH4和N2，进行碳化硅外延的生长，其特征在于，所述步骤14)进一步包括，通入C3H8的流量在5ml/min至25ml/min之间，通入SiH4的流量在10ml/min至50ml/min之间，并且通入N2的流量在5ml/min至2000ml/min之间。
2、根据权利要求2所述的N型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，其特征在于，通入C3H8的流量在5ml/min至10ml/min之间，通入SiH4的流量在15ml/min至30ml/min之间，通入N2的流量在1000ml/min至1500ml/min之间。
3、根据权利要求3所述的N型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，其特征在于，通入C3H8的流量为5ml/min，通入SiH4的流量为25ml/min，通入N2的流量为1500ml/min。
4、一种P型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，包括以下步骤：
51)衬底的准备；
52)衬底的原位预处理；
53)缓冲层的生长；
54)通入C3H8、SiH4和三甲基铝，进行碳化硅外延的生长，
其特征在于，所述步骤54)进一步包括，通入C3H8的流量在5ml/min至50ml/min之间，通入SiH4的流量在10ml/min至50ml/min之间，并且通入三甲基铝的流量在3.65 x 10-5ml/min至50ml/min之间。
5、根据权利要求6所述的P型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，其特征在于，通入C3H8的流量在5ml/min至15ml/min之间，通入SiH4的流量在15ml/min至35ml/min之间，通入三甲基铝的流量在3.65 x 10-5ml/min至0.2ml/min。
6、根据权利要求7所述的P型高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法，其特征在于，通入C3H8的流量为10ml/min，通入SiH4的流量为20ml/min，通入三甲基铝的流量为0.01374ml/min。
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