CN102592976B - P型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种P型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，主要解决现有技术无法实现碳化硅高质量重掺杂的问题，其实现步骤是：先将碳化硅衬底放入反应室；在氢气流中加热反应室，当温度达到1400℃后，在氢气流中加入C₃H₈；当温度达到1580℃后，对衬底进行原位刻蚀10～30min；其后保持反应室温度1580℃，气压100mbar，在20L/min的氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH₄，流量为5～10mL/min的C₃H₈和流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝，生长外延层；生长结束后，在氢气流中冷却；最后向反应室充入氩气至常压。本发明制备的碳化硅外延层掺杂浓度在4×10¹⁹cm^-3～4.6×10¹⁹cm^-3，掺杂均匀，表面平整，可用于制作碳化硅器件。

Description

P型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种利用现有的碳化硅材料MOCVD生长工艺，制备P型重掺杂碳化硅外延层的方法。

背景技术

碳化硅材料具有良好的物理和电学特性，在高温、高压、高频、抗辐照电子器件方面有着极其重要的应用前景。

碳化硅属于宽禁带半导体，本征载流子在高温下仍能保持较低的浓度，因而能工作在很高的温度下。在不产生雪崩击穿的情况下，碳化硅可以承受的最大电场强度是硅材料的8倍以上，这使得碳化硅可以用于制作高压，高功率的半导体器件，如PiN二级管，功率晶体管，晶闸管，或者高功率的微波器件。从另一方面看，这些特性也对器件封装有益处，使器件可以封装的更加紧密，提高电路的集成度。碳化硅同时也是极为良好的热导体，在室温下，碳化硅的热导率为3.7Wcm^-1℃^-1(4H-SiC)，比常见的金属都高，因而碳化硅半导体材料能很好的将自身产生的热量传导出去，极为适合制作功率器件。碳化硅的饱和电子迁移速度很高，这一特性也使它可以用于射频或者微波器件，从而提高器件工作速度。

近年来，有关碳化硅材料相关工艺进展非常迅速，4英寸的碳化硅单晶衬底片已经实现商业化，碳化硅材料的外延、氧化、掺杂、刻蚀、半导体金属接触等方面都逐步成熟。

碳化硅具有高的化学和物理稳定性，使其高温单晶生长和化学及机械处理都非常困难。因此，目前应用于制造器件的碳化硅材料都是由薄膜制备技术生长的外延薄膜材料。由于碳化硅的键强度高，杂质扩散所要求的温度大于1800℃，大大超过标准器件工艺的条件，所以器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制掺杂和高温离子注入掺杂。

采用高温离子注入，注入离子对晶格损伤很大，造成大量晶格缺陷，即使退火也很难完全消除，严重影响了器件的性能，同时离子注入效率很低，因而不适合做大面积掺杂。在碳化硅的MOCVD外延工艺中，通常采用SiH₄和C₃H₈作为反应物，N₂作为N型掺杂源，氢气作为载气，需要控制各个反应物的比例、反应条件，才能达到高质量，高速率的生长，并达到所需要的掺杂水平。只有通过合理调整生长参数，生长出缺陷少，掺杂达到预定要求的外延层，才能制作出性能符合要求的器件，因而碳化硅外延层的掺杂控制是目前器件制造中的一个很大的难点。

李哲洋等人的专利《高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法》，提出了关于高掺杂半导体外延生长工艺方法，但是在其给出的工艺条件下，生长的外延层浓度在1×10¹⁸cm^-3左右，一些半导体器件，如BJT的发射区，需要用到重掺杂的外延层，浓度要在1×10¹⁹cm^-3以上，上述方法不能满足制备这些器件的要求，因而需要研究新的工艺条件，实现了更高浓度的外延层掺杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种P型重掺杂碳化硅的制备方法，利用碳化硅的CVD设备，制备出掺杂浓度在4×10¹⁹cm^-3～4.6×10¹⁹cm^-3的碳化硅外延层，满足了制备重掺杂外延层的要求。

为实现上述目的，本发明提供了两种制备上述重掺杂外延层的技术方案。

技术方案1，包括如下步骤：

(1)将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；

(2)保持反应室气压为100mbar，在20L/min的氢气流中，使用加热源逐渐加热衬底，使其温度缓缓上升，当温度超过1400℃后，在氢气流中加入流量为5～10mL/min的C₃H₈；

(3)当反应室温度到达到1580℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和氢气流中加入的C₃H₈流量不变，采用H₂和C₃H₈混合气体对衬底进行10～30min的原位刻蚀；

(4)保持反应室气压和温度恒定，在10～20L/min的氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH₄和流量为5～10mL/min的C₃H₈，并通入反应室；将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min的H₂通入鼓泡器中，使H₂携带流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝通入反应室中，生长掺杂浓度为4×10¹⁹cm^-3～4.6×10¹⁹cm^-3的重掺杂外延层；

(5)当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片在氢气流中降温；

(6)当温度降低到700℃以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。

技术方案2，包括如下步骤：

1)将碳化硅衬底放置到碳化硅的CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；

2)保持反应室气压为100mbar，在20L/min的氢气流中，使用加热源逐渐加热衬底，使其温度缓缓上升；

3)当反应室温度到达到1580℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和通入的氢气流不变，采用纯H₂对衬底进行10～30min的原位刻蚀；

4)保持反应室气压和温度恒定，在10～20L/min的氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH₄和流量为5～10mL/min的C₃H₈，并通入反应室；将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min的H₂通入鼓泡器中，使H₂携带流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝通入反应室中，生长掺杂浓度为4×10¹⁹cm^-3～4.6×10¹⁹cm^-3的重掺杂外延层；

5)当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片在氢气流中降温；

6)当温度降低到700℃以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用碳化硅的CVD外延设备，在碳化硅衬底或已有外延层的碳化衬底进行外延，通过生长参数控制掺杂浓度，使器件的制备工艺简化。

2.本发明采用三甲基铝作为掺杂源，掺入的铝原子能有效的替换碳化硅材料中硅原子，形成替位杂质，相对于离子注入工艺，制备的重掺杂碳化硅材料晶格完整，缺陷少，有利于提高器件性能。

3.本发明相对于已有的碳化硅外延工艺条件，制备的外延层掺杂浓度更高，实验表明，外延层掺杂浓度可以达到4×10¹⁹cm^-3以上，最高达到4.6×10¹⁹cm^-3，满足器件重掺杂的要求。

附图说明

图1是本发明技术方案1的工艺流程图；

图2是本发明技术方案2的工艺流程图；

图3是对本发明实施例2的二次离子质谱测试结果图；

图4是对本发明实施例2的原子力显微镜测试结果图。

具体实施方式

以下参照附图1和附图2，对本发明的技术方案作进一步详细描述，以下给出六种实施例。

实施例1

步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。

(1.1)选取偏向

晶向8°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；

(1.2)将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10^-7mbar。

步骤二，在氢气流中加热反应室。

(2.1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到20L/min；

(2.2)打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在100mbar；

(2.3)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高。

步骤三，对衬底进行原位刻蚀。

(3.1)当反应室温度达到1580℃以后，保持反应室温度恒定；

(3.2)继续向反应室通入流量为20L/min的氢气，在纯H₂中原位刻蚀衬底10min。

步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。

(4.1)在反应室气压为100mbar，温度为1580℃下，向反应室通入10L/min的氢气；

(4.3)打开C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，在氢气流中加入流量为5mL/min的C₃H₈、流量为15mL/min的SiH₄和流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝，开始生长碳化硅外延层。

步骤五，在氢气流中冷却衬底。

(5.1)当外延生长时间达到设定的30min后，关闭C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，停止生长；

(5.2)设置通向反应室的氢气流量为20L/min，保持反应室气压为100mbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；

(5.3)将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。

步骤六，在氩气中冷却衬底。

(6.1)当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的氢气开关；

(6.2)将反应室抽真空，直到气压低于1×10^-7mbar；

(6.3)打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；

(6.4)缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。

实施例2

步骤1，选取偏向

晶向8°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10^-7mbar。

步骤2，打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到20L/min，同时打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在100mbar；逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度高于1400℃后，在氢气流中加入流量为7mL/min的C₃H₈。

步骤3，当反应室温度达到1580℃以后，保持反应室温度恒定，继续向反应室通入流量为20L/min的氢气，在氢气流中加入流量为7mL/min的C₃H₈，采用H₂与C₃H₈的混合气体原位刻蚀衬底20min。

步骤4，在反应室气压为100mbar，温度为1580℃下，向反应室通入20L/min的氢气；打开C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，在氢气流中同时加入流量为10mL/min的C₃H₈、流量为20mL/min的SiH₄和流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝，开始生长碳化硅外延层。

步骤5，当外延生长时间达到设定的60min后，关闭C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，停止生长；然后设置通向反应室的氢气流量为20L/min，保持反应室气压为100mbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；再将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。

步骤6，当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的氢气开关；将反应室抽真空，直到气压低于1×10^-7mbar，再打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。

实施例3

第一步，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。

(1.1)选取偏向晶向4°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；

(1.2)将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10^-7mbar。

第二步，在氢气流中加热反应室。

(2.1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到20L/min；

(2.2)打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在100mbar；

(2.3)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度高于1400℃后，在氢气流中加入流量为10mL/min的C₃H₈。

第三步，对衬底进行原位刻蚀。

(3.1)当反应室温度达到1580℃以后，保持反应室温度恒定；

(3.2)继续向反应室通入流量为20L/min的氢气，在氢气流中加入流量为5mL/min的C₃H₈，采用H₂与C₃H₈的混合气体原位刻蚀衬底30min。

第四步，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。

(4.1)在反应室气压为100mbar，温度为1580℃下，设置通向反应室的氢气流量为15L/min；

(4.3)打开C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，在氢气流中同时加入流量为8mL/min的C₃H₈、流量为16mL/min的SiH₄和流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝，开始生长碳化硅外延层。

第五步，在氢气流中冷却衬底。

(5.1)当外延生长时间达到设定的30min后，关闭C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，停止生长；

(5.2)设置通向反应室的氢气流量为20L/min，保持反应室气压为100mbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；

(5.3)将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。

第六步，在氩气中冷却衬底。

(6.1)当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的氢气开关；

(6.2)将反应室抽真空，直到气压低于1×10^-7mbar；

(6.3)打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；

(6.4)缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。

实施例4

第1步，选取偏向晶向4°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10^-7mbar。

第2步，打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到20L/min；打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在100mbar；逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高。

第3步，当反应室温度达到1580℃以后，保持反应室温度恒定，继续向反应室通入流量为18L/min的氢气，在纯H₂中原位刻蚀衬底10min。

第4步，在反应室气压为100mbar，温度为1580℃下，设置通向反应室的氢气流量为15L/min；打开C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，在氢气流中同时加入流量为7mL/min的C₃H₈、流量为20mL/min的SiH₄和流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝，开始生长碳化硅外延层。

第5步，当外延生长时间达到设定的90min后，关闭C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，停止生长；设置通向反应室的氢气流量为20L/min，保持反应室气压为100mbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。

第6步，当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的氢气开关；将反应室抽真空，直到气压低于1×10^-7mbar；打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。

实施例5

步骤A，与实施例2的步骤1一致。

步骤B，打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到20L/min，同时打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在100mbar；逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度高于1400℃后，在氢气流中加入流量为10mL/min的C₃H₈。

步骤C，与实施例2的步骤3一致。

步骤D，在反应室气压为100mbar，温度为1580℃下，向反应室通入20L/min的氢气；打开C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，在氢气流中同时加入流量为7mL/min的C₃H₈、流量为21mL/min的SiH₄和流量为3.2×10^-5mold/min的三甲基铝，开始生长碳化硅外延层。

步骤E，与实施例2的步骤5一致。

步骤F，与实施例2的步骤6一致。

实施例6

步骤a，与实施例4的第1步一致。

步骤b，与实施例4的第2步一致。

步骤c，与实施例4的第3步一致。

步骤d，在反应室气压为100mbar，温度为1580℃下，向反应室通入20L/min的氢气；打开C₃H₈、SiH₄和三甲基铝的开关，在氢气流中同时加入流量为8mL/min的C₃H₈、流量为24mL/min的SiH₄和流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝，开始生长碳化硅外延层。

步骤e，与实施例4的第5步一致。

步骤f，与实施例4的第6步一致。

本发明使用的衬底不限于上述实施例中的衬底，也包括N型、P型或半绝缘的4H碳化硅衬底。

本发明中的原位刻蚀，是指高温下衬底表面升华出来的部分原子不断被氢气流带走，造成表面原子流失的效应，原位刻蚀可以消除表面的划痕和部分缺陷。

本发明技术方案的选用，是根据在1400℃以上，碳化硅衬底表面碳原子和硅原子的升华速度的差别进行选择。本发明实施例中，当衬底为偏向

晶向8°的4H碳化硅时，碳原子的升华速度比硅原子快，为防止碳原子的过度升华，造成表面硅原子聚集成簇，此时优先选用技术方案1，当衬底为偏向

晶向4°的4H碳化硅时，碳和硅的升华速度基本一致，此时优先选用技术方案2。

本发明的效果可通过如下测试结果进一步说明：

测试1：用二次离子质谱方法对本发明实施例2制备的碳化硅外延材料的掺杂浓度分布进行测试，测试结果如图3所示。从图3中可以看出，本发明制备的外延材料掺杂浓度达到4.5×10¹⁹cm^-3，掺入的杂质纵向分布均匀，且满足重掺杂要求。

测试2：用原子力显微镜对本发明实施例2制备的碳化硅外延材料的表面形貌及平整度进行测试，测试得到的表面的平整度均方根Rms为2.73nm，测试得到的表面形貌如图4所示，从图4中可以看出，本发明制备的外延材料表面形貌良好。

Claims (4)

1.一种P型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，包括如下步骤：

（1）将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；

（2）保持反应室气压为100mbar，在20L/min的氢气流中，使用加热源逐渐加热碳化硅衬底，使其温度缓缓上升，当温度超过1400℃后，在氢气流中加入流量为5～10mL/min的C₃H₈；

（3）当反应室温度达到1580℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和氢气流中加入的C₃H₈流量不变，采用H₂与C₃H₈的混合气体对碳化硅衬底进行10～30min的原位刻蚀；

（4）保持反应室气压和温度恒定，在10～20L/min的氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH₄和流量为5～10mL/min的C₃H₈，并通入反应室；将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min的H₂通入鼓泡器中，使H₂携带流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝通入反应室中，生长掺杂浓度为4×10¹⁹cm^-3～4.6×10¹⁹cm^-3的重掺杂外延层；

（5）当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使碳化硅衬底在氢气流中降温；

（6）当温度降低到700℃以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。

2.根据权利要求1所述方法，其中所述步骤（4）中的SiH₄和C₃H₈的流量，其比值C₃H₈/SiH₄控制在1/3～1/2之间。

3.一种P型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，包括如下步骤：

（1）将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；

（2）保持反应室气压为100mbar，在20L/min的氢气流中，使用加热源逐渐加热衬底，使其温度缓缓上升；

（3）当反应室温度到达到1580℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和通入的氢气流不变，采用纯H₂对衬底进行10～30min的原位刻蚀；

（4）保持反应室气压和温度恒定，在10～20L/min的氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH₄和流量为5～10mL/min的C₃H₈，并通入反应室；将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min的H₂通入鼓泡器中，使H₂携带流量为3.2×10^-5mol/min的三甲基铝通入反应室中，生长掺杂浓度为4×10¹⁹cm^-3～4.6×10¹⁹cm^-3的重掺杂外延层；

（5）当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片在氢气流中降温；

（6）当温度降低到700℃以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。

4.根据权利要求3中所述方法，其中所述步骤（4）中的SiH₄和C₃H₈的流量，其比值C₃H₈/SiH₄控制在1/3～1/2之间。

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