CN102064187B - 一种碳化硅同质pin微结构材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅PIN微结构材料，包括：N型碳化硅衬底；位于该N型碳化硅衬底上的N^-变浓度缓冲层；位于该N^-变浓度缓冲层上的本征层；以及位于该本征层上的P⁺帽层。本发明同时公开了一种碳化硅PIN微结构材料的制作方法。本发明能制备表面光亮、电阻率均匀的SiC外延材料，其本征外延层背景载流子浓度可低至10¹⁵数量级，适用于半导体大功率电子电力器件。

Description

一种碳化硅同质PIN微结构材料及其制作方法

技术领域

本发明涉及宽禁带半导体外延材料制备技术领域，特别是涉及一种碳化硅同质PIN微结构材料及其制作方法。

背景技术

碳化硅是一种优异的宽禁带半导体材料，它具有高的载流子迁移率和击穿电场，化学惰性好，耐高温，抗辐射，在大功率电力电子领域具有巨大的应用潜力，因此，设计和制作基于同质碳化硅的材料和器件具有重要现实意义。

PIN结构的碳化硅材料除了具有常规PIN性能外，还能根据I型本征层和P+帽层的特别设计实现更高的功率密度及更高频率的开关速度。

现有制作碳化硅同质PIN微结构材料的方法需要在I型层通过离子注入的方法制备P型层，具体为：先将I型层热氧化形成二氧化硅掩膜，将掩膜刻蚀出图形，然后将一定剂量的铝离子注入到相应I型层，最后将整个碳化硅材料置于退火炉进行退火，目的是激活注入的铝离子掺杂剂，从而制备出电学性能稳定的P型层。

现有技术在I型层和N型衬底之间采用的是突变N^-缓冲层，即外延缓冲层时通入微量N型掺杂剂，随后关闭N型掺杂剂进行I型层外延，这使得N型衬底与缓冲层之间、缓冲层与I型层之间存在掺杂突变。

与现有技术相比，本发明不使用离子注入而采用原位掺杂，可以避免因离子注入带来的碳化硅材料晶格损伤，并且P型层掺杂更均匀、可控，采用缓变N^-缓冲层有利于优化N型衬底与缓冲层之间、缓冲层与I型层之间的电流电压特性，从而取得更理想的电学性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种碳化硅同质PIN微结构材料及其制作方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种碳化硅同质PIN微结构材料，包括：

N型碳化硅衬底；

位于该N型碳化硅衬底上的N^-变浓度缓冲层；

位于该N^-变浓度缓冲层上的本征层；以及

位于该本征层上的P⁺帽层。

上述方案中，所述N型碳化硅衬底为N型六方相、棱方相或立方相碳化硅单晶体材料，载流子浓度大于或等于10¹⁸数量级。

上述方案中，所述N^-变浓度缓冲层的厚度小于或等于10微米，掺杂浓度随背离衬底的方向线性递减，靠近衬底表面处掺杂浓度小于或等于10¹⁷数量级，靠近本征层表面处掺杂浓度小于或等于10¹⁵数量级。

上述方案中，所述本征层的背景掺杂浓度小于或等于10¹⁵数量级，厚度大于或等于所述N^-变浓度缓冲层的厚度。

上述方案中，所述P⁺帽层的厚度小于或等于150纳米，其中P型载流子浓度大于或等于10¹⁸数量级。

上述方案中，所述N^-变浓度缓冲层、本征层和P⁺帽层三者的晶型、取向与所述N型碳化硅衬底一致。

一种碳化硅同质PIN微结构材料的制作方法，该方法包括：

采用氢气刻蚀N型碳化硅；

采用低压化学气相沉积方法在N型碳化硅上依次外延生长N^-变浓度缓冲层和本征层；以及

对外延生长的本征层进行P⁺掺杂。

上述方案中，所述采用氢气刻蚀N型碳化硅的步骤中，采用的刻蚀压力为40毫托～100托，温度为1350～1550℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时间为10～60分钟。

上述方案中，所述采用低压化学气相沉积方法在N型碳化硅上外延生长N^-变浓度缓冲层时，生长压力为40毫托～100托，生长温度为1500～1550℃，在低于生长温度20～50℃时通入流量为1～10标准毫升/分钟的碳源，所用碳源为含碳的无氧高纯气体，衬底以5～20℃/分钟的速率加热至生长温度；按碳、硅原子摩尔比为1～2的比例通入硅源，所用硅源为含硅的无氧高纯气体，缓冲层生长时氢气流量为5～20标准升/分钟；非故意掺杂时外延层电学性能表现为N^-型，随着外延时间的持续，N^-型外延层非故意掺杂效果越来越弱，外延层导电性趋向I型本征层的导电性，这样就在N型衬底和随后的I型层之间制作了一个N^-型变浓度缓冲层。

上述方案中，所述采用低压化学气相沉积方法在N型碳化硅上外延生长本征层时，生长条件同N^-变浓度缓冲层的生长条件，生长时间是N^-变浓度缓冲层生长时间的2倍及以上。

上述方案中，所述对外延生长的本征层进行P⁺掺杂的步骤中，生长条件同N^-变浓度缓冲层的生长条件，所用掺杂剂为含硼的无氧高纯气体或含铝的有机源。

(三)有益效果

1)、本发明能制备表面光亮、电阻率均匀的SiC外延材料，其本征外延层背景载流子浓度可低至10¹⁵数量级，适用于半导体大功率电子电力器件。

2)、缓冲层是一个掺杂浓度线性渐变层，在N型衬底和本征层之间引入一个缓变过渡层，有利于承受更高的功率密度；

3)、采用原位P型重掺杂，有利于帽层的单晶完整无注入缺陷，提高电接触性能；

4)、P⁺帽层厚度很小，在保证P型欧姆接触良好的前提下，有利于减少空穴迁移长度，提高开关速度。

附图说明

图1是本发明提供的制作碳化硅同质PIN微结构材料的工艺示意图；

图2是本发明提供的碳化硅同质PIN微结构材料的AFM形貌示意图；

图3是本发明提供的碳化硅同质PIN微结构材料的示意图；

图4是本发明提供的碳化硅同质PIN微结构材料的Raman谱。

具体实施方式

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。

本发明是在碳化硅衬底上进行同质外延制备PIN微结构材料。碳化硅是一种多型体材料，常见晶型主要分为立方相、棱方相和六方相等几类晶型。在制备碳化硅过程中容易引入其它碳化硅晶型或由于化学配比不均匀引入硅滴、碳丛集，形成夹杂，造成材料缺陷。

本发明通过优化工艺方法制备出无夹杂的、表面光滑无缺陷的碳化硅单晶PIN微结构材料，具体步骤为：先将碳化硅衬底在高温下经氢气刻蚀，以进一步清除表面自然氧化层及化学机械抛光引入的划痕；然后在一定生长压力及温度下按一定比例通入碳源和硅源进行低压化学气相沉积外延生长缓冲层和本征层，其中本征层生长时间是缓冲层生长时间的2倍及以上；最后通入P型掺杂剂进行P⁺帽层生长，控制生长时间保证P⁺帽层厚度不大于150纳米。

如图1所示，图1是本发明提供的制作碳化硅同质PIN微结构材料的工艺示意图，包括以下步骤：

1)、准备碳化硅衬底，化学抛光外延生长表面，采用标准RCA工艺清洗干净后置于低压化学气相沉积设备中，在氢气氛下升温(对应于图1中的区间50)；

2)、衬底表面升温到指定温度，对衬底进行氢气刻蚀(对应于图1中的区间60)；

3)、刻蚀结束后继续升温至缓冲层生长温度(对应于图1中的区间70)，然后按一定比例通入碳源130和硅源140进行缓冲层的生长(对应于图1中的区间80)，其中碳源130在略低于生长温度时先行通入；

4)、不改变工艺条件，进行本征层的生长(对应于图1中的区间90)，生长时间是缓冲层生长(对应于图1中的区间80)时间的2倍及以上；

5)、本征层生长(对应于图1中的区间90)结束后，通入P型掺杂剂150进行P⁺帽层生长(对应于图1中的区间100)，控制生长时间保证p⁺帽层厚度不大于150纳米。整个过程保持相同的压力和氢气流量120，直至生长结束(对应于图1中的区间110)。

实施例

采用单晶4H-SiC衬底，其Si(0001)表面朝<1120>方向偏8°，经过化学抛光处理，清洗干净后放入低压化学气相沉积设备中，通入氢气，保持压力为40托，升温至1350℃后保温，用氢气对衬底表面进行刻蚀抛光，刻蚀30分钟。然后以40℃/分钟的升温速率升温至1500℃，通入1sccm流量的乙烯，当衬底表面升温至1550℃时，通入1sccm流量的硅烷，保持温度不变，生长180分钟，完成缓冲层和本征层的生长。保持生长条件不变，通入5sccm流量的硼烷进行P⁺帽层生长，时间为3分钟。依次关闭硼烷、硅烷和乙烯，在氢气氛下自然降温。整个过程压力保持在40托，氢气流量为3000sccm，直至生长结束。所制备的PIN材料表面形貌如图2所示，表面光滑，其表粗糙度为0.24纳米。制备的PIN材料晶体结构如图3所示，材料为4H-SiC单晶相，无其它夹杂相，结晶质量高。图4示出了碳化硅PIN微结构材料的Raman谱。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种碳化硅同质PIN微结构材料的制作方法，其特征在于，该方法包括：

采用氢气刻蚀N型碳化硅；

采用低压化学气相沉积方法在N型碳化硅上依次外延生长N^-变浓度缓冲层和本征层；以及

对外延生长的本征层进行P⁺掺杂；

其中，所述N^-变浓度缓冲层的厚度小于或等于10微米，掺杂浓度随背离衬底的方向线性递减，靠近衬底表面处掺杂浓度小于或等于10¹⁷数量级，靠近本征层表面处掺杂浓度小于或等于10¹⁵数量级；

所述采用低压化学气相沉积方法在N型碳化硅上外延生长N^-变浓度缓冲层时，生长压力为40毫托～100托，生长温度为1500～1550℃，在低于生长温度20～50℃时通入流量为1～10标准毫升/分钟的碳源，所用碳源为含碳的无氧高纯气体，衬底以5～20℃/分钟的速率加热至生长温度；按碳、硅原子摩尔比为1～2的比例通入硅源，所用硅源为含硅的无氧高纯气体，缓冲层生长时氢气流量为5～20标准升/分钟；非故意掺杂时外延层电学性能表现为N^-型，随着外延时间的持续，N^-型外延层非故意掺杂效果越来越弱，外延层导电性趋向I型本征层的导电性，这样就在N型衬底和随后的I型层之间制作了一个N^-型变浓度缓冲层。

2.根据权利要求1所述的碳化硅同质PIN微结构材料的制作方法，其特征在于，所述采用氢气刻蚀N型碳化硅的步骤中，采用的刻蚀压力为40毫托～100托，温度为1350～1550℃，氢气流量为5～20标准升/分钟，刻蚀时间为10～60分钟。

3.根据权利要求1所述的碳化硅同质PIN微结构材料的制作方法，其特征在于，所述采用低压化学气相沉积方法在N型碳化硅上外延生长本征层时，生长条件同N^-变浓度缓冲层的生长条件，生长时间是N^-变浓度缓冲层生长时间的2倍及以上。

4.根据权利要求1所述的碳化硅同质PIN微结构材料的制作方法，其特征在于，所述对外延生长的本征层进行P⁺掺杂的步骤中，生长条件同N^-变浓度缓冲层的生长条件，所用掺杂剂为含硼的无氧高纯气体或含铝的有机源。

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