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N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1×1019cm-3以上的碳化硅外延层,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)把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,对衬底进行原位刻蚀,时间为10~30min;
(4)设置反应室气压为100~700mbar,温度1580℃,在10~20L/min的氢气流中加入SiH4、C3H8和用作掺杂源的N2,通入反应室,生长掺杂浓度在1×1019cm-3以上的N型重掺杂外延层,其中加入的SiH4流量为15~24mL/min,C3H8流量在5~8mL/min,N2流量为2000mL/min;
(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)把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,对衬底进行原位刻蚀,时间为10~30min;
4)设置反应室气压为100~700mbar,温度1580℃,在10~20L/min的氢气流中加入SiH4、C3H8和用作掺杂源的N2,通入反应室,生长掺杂浓度在1×1019cm-3以上的N型重掺杂外延层,其中加入的SiH4流量为15~24mL/min,C3H8流量在5~8mL/min,N2流量为2000mL/min;
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N2作为掺杂源,掺入的氮原子可以有效的替换碳化硅材料中碳原子,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1×1019cm-3以上,最高达到6×1019cm-3,满足器件重掺杂的要求。
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,当反应室温度高于1400℃后,在氢气流中加入流量为5mL/min的C3H8。
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,在氢气流中加入流量为5mL/min的C3H8,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N2的开关,在氢气流中同时加入流量为5mL/min的C3H8、流量为15mL/min的SiH4和流量为2000mL/min的N2,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N2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。
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,原位刻蚀衬底20min。
步骤4,在反应室气压为300mbar,温度为1580℃下,向反应室通入20L/min的氢气;打开C3H8、SiH4和N2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2000mL/min的N2,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30min后,关闭C3H8、SiH4和N2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。
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10mL/min的C3H8,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700mbar,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N2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2000mL/min的N2,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N2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。
实施例4
第1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2步,保持反应室气压在100mbar,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。
第3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,原位刻蚀衬底10min。
第4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10L/min;
(4.3)打开C3H8、SiH4和N2的开关,在氢气流中同时加入流量为6mL/min的C3H8、流量为15mL/min的SiH4和流量为2000mL/min的N2,开始生长碳化硅外延层。
第5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N2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6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。
实施例5
步骤A,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。
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。
步骤C,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,原位刻蚀衬底30min。
步骤D,在反应室气压为300mbar,温度为1580℃下,向反应室通入15L/min的氢气;打开C3H8、SiH4和N2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2000mL/min的N2,开始生长碳化硅外延层。
步骤E,当外延生长时间达到设定的30min后,关闭C3H8、SiH4和N2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F,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。
实施例6
步骤a,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。
步骤c,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,原位刻蚀衬底20min。
步骤d,在反应室气压为700mbar,温度为1580℃下,向反应室通入20L/min的氢气;打开C3H8、SiH4和N2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2000mL/min的N2,开始生长碳化硅外延层。
步骤e,当外延生长时间达到设定的30min后,关闭C3H8、SiH4和N2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f,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。
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和6H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,原位刻蚀可以消除了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1×1019cm-3以上,掺入的杂质分布均匀,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,表面形貌如图4所示,测试得到的表面的平整度均方根Rms为2.67nm。
从图4中可以看出,本发明制备的外延材料表面形貌良好。
由测试结果可以见,本发明制备的外延材料平整度高。