CN102646578A - 提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法。以化学汽相淀积生长技术为基础，对偏向<11-20>方向8°的(0001)硅面碳化硅衬底预处理后，使用纯硅烷和纯丙烷作为生长源，氢气作为载气和稀释气体，选择氮气作为掺杂剂实现n型掺杂。采用低速外延的方法，并结合低进气端碳硅比，增加氮气掺杂效率，采用较低的氮气流量在碳化硅衬底上外延生长高掺杂浓度的薄外延层，生长高阻厚层外延时，则加大进气端C/Si比，并采用高速外延的方法生长所需浓度及厚度的沟道层，以降低背景记忆效应。优点可以提高外延工艺的重复性，为碳化硅多层结构外延材料，特别是肖特基二级管结构外延材料的批量生产提供技术支持。

Description

提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法

技术领域

本发明提出的是一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法，提高外延工艺的重复性。属于半导体材料技术领域。

背景技术

电力电子技术是能源与电能变换领域的核心技术，能源的高效率转化是实现节能、环保、低碳经济的重要原动力，能源高效率转换高压大容量电力电子器件是其中的关键元件和基础；长期以来,硅器件几乎在所有的电力电子系统的应用中占有统治地位；毫无疑问,成熟的工艺技术是硅器件的最大的优势；但是，硅器件的性能已经接近由其材料特性决定的理论极限，通过继续完善硅器件来提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限；为了进一步提高能源转换效率，保证我国节能减排国策在能源领域有效自主地实施，我国有着发展新型高压大容量功率器件的迫切需求；碳化硅（SiC）作为新型半导体材料，具有非常优异的材料特性；SiC的禁带宽度将近是硅的3倍,可以大幅度提高器件的工作温度；SiC的击穿场强比硅高一个数量级，SiC器件的外延材料有较小的厚度和更高掺杂浓度，大大降低器件的导通电阻；SiC还具有比硅高3倍的热导率，SiC器件可以在温度更高的环境下长时间稳定地工作；另外，SiC的饱和电子漂移速率是硅的2倍以上，器件能够工作于更高的频率；总而言之，SiC电力电子器件可以实现比硅功率器件更加优越的性能，被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件，将为电力电子技术带来革命性的巨变；其中碳化硅肖特基势垒二极管（SiC SBD）具有很高的额定阻断电压，并能提供非常低的导通电阻和极低的开关损耗；在开关电源的应用中，能够在保证功率因数校正（PFC）效率的同时显著提高开关频率，从而大大缩小系统中电感的尺寸；使用SiC SBD还大幅度降低了热量的产生，显著减小了热沉的体积。无源器件尺寸和热沉体积的缩小弥补了SiC器件本身成本较高的不足，降低了开关电源的最终成本。

碳化硅电力电子器件所用外延材料一般由多层外延层组成，比如碳化硅肖特基势垒二极管结构外延材料为了保证高的阻断电压，需要高阻厚层外延，同时为了缓解N⁺ 衬底和高阻厚度外延之间由于掺杂浓度不同带来的晶格失陪，需要在衬底和高阻厚层外延之间加入缓冲层；在高外延速率下，实现缓冲层所需掺杂浓度势必需要加大氮气流量，因此会造成较强的背景记忆效应；相同的外延工艺的条件下，外延材料沟道层掺杂浓度会随着炉数增加逐渐上漂，导致批次间掺杂浓度均匀性下降；如果要消除该记忆效应，需要进行长时间的烘烤，导致工艺时间变长，降低产能。

发明内容

本发明提出的是一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法，其目的旨在针对如何改善碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性。碳化硅n型掺杂效率随着外延生长速率的增加而降低，同时由于竞位理论，n型掺杂效率和生长源进气端的碳硅比成反比，根据以上原理，本发明采用不同的生长速率和进气端碳硅比生长每个外延层，有效降低生长高掺层时使用的氮气流量以及生长高阻厚层外延时的背景记忆效应，提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度的均匀性，为可重复的批次间生长提供技术支持。

本发明的技术解决方案：该方法包括如下工艺步骤：

该方法包括如下工艺步骤：

一、选取偏向<11-20>方向8°的硅面碳化硅衬底（1），将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

二、系统升温至1400℃，设置压力为100mbar，在氢气流量80L/min、氩气流量3L/min和丙烷流量10ml/min气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤和沾污，处理时间为温度从1400℃升温到实际生长温度1570℃所需时间在30分钟之内；

三、当反应室温度升温至外延生长温度1570℃时，通入生长源硅烷及丙烷进行生长，并根据外延层的掺杂浓度及厚度选择不同的生长源流量、进气端碳硅比以及掺杂源氮气流量；

当外延层厚度处于0-1微米区间，掺杂浓度大于10¹⁸ cm^-3时选用硅烷和丙烷流量分别为5-10ml/min和1.75-3.5ml/min，进气端碳硅比为1.05，氮气流量为600-1800ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；

当外延层厚度处于1-5微米区间，掺杂浓度位于5×10¹⁶-10¹⁸ cm^-3区间，选用硅烷和丙烷流量分别为10-20ml/min和5-10ml/min，进气端碳硅比为1.5，氮气流量200ml/min至600ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；

当外延层厚度大于5微米，掺杂浓度小于5×10¹⁶时，选用硅烷和丙烷流量分别为20-50ml/min和12-30ml/min，进气端碳硅比大于等于1.8，氮气流量0ml/min至200ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；

四、在上层碳化硅外延完成生长之后，使用步骤三的方法选择下一层碳化硅外延层所用的生长源流量、进气端碳硅比以及掺杂源氮气流量，并通过爬坡的方法将生长源及掺杂源调节至所需要的流量，期间硅烷及氮气通向排外气路，丙烷通向反应室，爬坡过程为1分钟；

五、当生长源及掺杂源爬坡至所需要的流量后，将硅烷及氮气通入反应室进行碳化硅外延层的生长；

六、根据外延结构的层数重复步骤四和步骤五；

七、在完成所需外延结构生长之后，关闭生长源和掺杂源，降温。

本发明的优点：与通常外延技术相比，本发明根据碳化硅多层结构中每个外延层的厚度及掺杂浓度设定不同的生长速率及进气端碳硅比，采用低速外延的方法结合降低进气端碳硅比的方法生长高掺杂浓度的薄层外延，采用高速外延结合提高进气端碳硅比的方法生长高阻厚层外延，该方法可以降低生长高掺杂浓度外延层时的氮气流量以及高阻厚层外延层时的背景记忆效应，提高实现多层结构外延材料每一层外延厚度及掺杂浓度的精确可控，并提高多层结构外延材料外延工艺的重复性。

附图说明

附图1是相同氮气流量下，碳化硅同质外延层掺杂浓度随硅烷流量变化示意图。

附图2是600V碳化硅肖特基二极管结构外延材料示意图。

附图3是工艺优化前后600V 碳化硅肖特基势垒二极管结构外延材料批次间浓度偏差变化示意图。

附图4是1200V碳化硅结型场效应晶体管结构外延材料示意图。

具体实施方式

对照附图1，碳化硅外延速率和通入反应室的生长源流量成正比，伴随硅烷流量的加大，n型掺杂效率伴显示出下降的趋势。

对照附图2，其结构是三层结构，SiC衬底1、SiC缓冲层2和SiC沟道层3，其中缓冲层2外延层厚度为0.5μm，掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3，SiC沟道层3外延厚度为6μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3。

对照附图4，其结构是四层结构，SiC衬底1、SiC缓冲层2和SiC沟道层3，SiC帽层4，其中SiC缓冲层2外延层厚度为1μm，掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3，SiC沟道层3外延厚度为12μm，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3，SiC帽层4外延厚度为0.3μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

实施例1

提供的在偏向<11-20>方向8°的(0001)硅面碳化硅衬底外延生长600V 肖特基二极管结构外延材料的方法包括以下步骤：

1)选择偏向<11-20>方向8°的(0001)硅面4H-SiC导电衬底外延生长，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

2)系统升温至1400℃，设置压力为100mbar，在氢气(流量80L/min)、氩气（流量3L/min)和丙烷(流量10ml/min)气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤和沾污，处理时间为温度从1400℃升温到实际生长温度1570℃所需时间；

3)温度稳定在1570℃,设置压力为100mbar，通入硅烷和丙烷流量分别为10ml/min和3.5ml/min，进气端碳硅比1.05，通入掺杂剂量为500ml/min的氮气，生长时间设定为12分钟，生长0.5μm n型掺杂浓度10¹⁸cm^-3的碳化硅缓冲层；

4)将硅烷及氮气通向排外气路，并采用爬坡的方法将硅烷、丙烷及氮气的流量改变至50ml/min、30ml/min和20ml/min，爬坡时间设定为1分钟，外延温度及反应室压力分别稳定为1570℃和100mbar；

5)当硅烷、丙烷及氮气的流量通过爬坡流程达到50ml/min、30ml/min和20ml/min后，将硅烷及氮气通入反应室开始生长，掺杂剂氮气流量为20ml/min，进气端碳硅比为1.8，生长时间设定为30分钟，外延温度及反应室压力分别稳定为1570℃和100mbar，生长6μm n型掺杂浓度10¹⁶cm^-3的碳化硅沟道层；

6)关闭生长源和掺杂源，降温。

上述步骤3)中生长源SiH₄和C₃H₈的流量在本实施例中分别为10ml/min和3.5ml/min，通过低速外延结合降低进气端碳硅比，能够有效提高氮气的掺杂效率，大大降低了生长过渡层时使用的氮气流量，降低了背景记忆效应，提高了肖特基二极管结构外延材料批次间掺杂浓度的均匀性。

采用汞探针C-V技术可以测定碳化硅外延薄膜的掺杂浓度。对比常规工艺，采用变源流量及C/Si比的方法，将10炉次外延批次间掺杂浓度不均匀性由19.21%优化至3.45%。

能够有效降低生长过渡层时使用的氮气流量，降低了背景记忆效应，提高了肖特基二极管结构外延材料批次间掺杂浓度的均匀性，为可重复的批次间生长提供技术支持，外延工艺重复性和一致性好，适合规模生产。

实施例2

提供的在偏向<11-20>方向8°的(0001)硅面碳化硅衬底外延生长1200V 结型场效应晶体管外延材料的方法包括以下步骤：

1)选择偏向<11-20>方向8°的(0001)硅面4H-SiC导电衬底外延生长，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

2)系统升温至1400℃，设置压力为100mbar，在氢气(流量80L/min)、氩气（流量3L/min)和丙烷(流量10ml/min)气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤和沾污，处理时间为温度从1400℃升温到实际生长温度1570℃所需时间；

3)温度稳定在1570℃,设置压力为100mbar，通入硅烷和丙烷流量分别为20ml/min和10ml/min，进气端碳硅比为1.5，通入掺杂剂量为900ml/min的氮气，生长时间设定为12分钟，生长1μm n型掺杂浓度10¹⁸cm^-3的碳化硅缓冲层；

4)将硅烷及氮气通向排外气路，并采用爬坡的方法将硅烷、丙烷及氮气的流量改变至50ml/min、30ml/min和20ml/min，爬坡时间设定为1分钟，外延温度及反应室压力分别稳定为1570℃和100mbar；

5)当硅烷、丙烷及氮气的流量通过爬坡流程达到50ml/min、30ml/min和20ml/min后，将硅烷及氮气通入反应室开始生长，进气端碳硅比为1.8，外延温度及反应室压力分别稳定为1570℃和100mbar，生长时间设定为60分钟，生长12μm n型掺杂浓度5×10¹⁵cm^-3的碳化硅沟道层；

6)将硅烷及氮气通向排外气路，并采用爬坡的方法将硅烷、丙烷及氮气的流量改变至10ml/min、3.5ml/min和1800ml/min，爬坡时间设定为1分钟，外延温度及反应室压力分别稳定为1570℃和100mbar；

7)当硅烷、丙烷及氮气的流量通过爬坡流程达到10ml/min、3.5ml/min和1800ml/min后，将硅烷及氮气通入反应室开始生长，进气端碳硅比为1.05，外延温度及反应室压力分别稳定为1570℃和100mbar，生长时间设定为13分钟，生长0.3μm n型掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3的碳化硅沟道层；

8)关闭生长源和掺杂源，降温。

该方法能够有效降低生长过渡层及帽层时使用的氮气流量，降低了背景记忆效应，提高了结型场效应晶体管结构外延材料批次间掺杂浓度的均匀性，为可重复的批次间生长提供技术支持，外延工艺重复性和一致性好，适合规模生产。

Claims (8)

1.一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、选取偏向<11-20>方向8°的硅面碳化硅衬底（1），将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

二、系统升温至1400℃，设置压力为100mbar，在H₂流量80L/min、Ar流量3L/min和C₃H₈流量10ml/min气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤和沾污，处理时间为温度从1400℃升温到实际生长温度1570℃所需时间在30分钟之内；

三、当温度升温至外延生长温度1570℃时，通入生长源硅烷及丙烷进行生长，并根据外延层的掺杂浓度及厚度选择不同的生长源流量、进气端碳硅比以及掺杂源氮气流量；

当外延层厚度处于0-1微米区间，掺杂浓度大于10¹⁸ cm^-3时选用硅烷和丙烷流量分别为5-10ml/min和1.75-3.5ml/min，进气端碳硅比为1.05，氮气流量为600-1800ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；

当外延层厚度处于1-5微米区间，掺杂浓度位于5×10¹⁶-10¹⁸ cm^-3区间，选用硅烷和丙烷流量分别为10-20ml/min和5-10ml/min，进气端碳硅比为1.5，氮气流量200ml/min至600ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；

当外延层厚度大于5微米，掺杂浓度小于5×10¹⁶时，选用硅烷和丙烷流量分别为20-50ml/min和12-30ml/min，进气端碳硅比大于等于1.8，氮气流量0ml/min至200ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；

四、在上层碳化硅外延完成生长之后，使用步骤三的方法选择下一层碳化硅外延层所用的生长源流量、进气端碳硅比以及掺杂源氮气流量，并通过爬坡的方法将生长源及掺杂源调节至所需要的流量，期间硅烷及氮气通向排外气路，丙烷通向反应室，爬坡过程为1分钟；

五、当生长源及掺杂源爬坡至所需要的流量后，将硅烷及氮气通入反应室进行碳化硅外延层的生长；

六、根据外延结构的层数重复步骤四和步骤五；

七、在完成所需外延结构生长之后，关闭生长源和掺杂源，降温。

2.如权利要求1所述的一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是所述硅面碳化硅衬底（1）选自4H、6H的多型碳化硅。

3.如权利要求1所述的一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是所述硅面碳化硅衬底（1）为n⁺导电碳化硅衬底。

4.如权利要求1所述的一种提高碳化硅肖特基二极管结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征所述外延碳化硅使用硅烷（SiH₄）和丙烷（C₃H₈）作为生长源物质，分别采用氮气（N₂）作为n型掺杂剂。

5.如权利要求1所述的一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是根据外延层的掺杂浓度及厚度，每一层外延选择不同的生长源流量、进气端碳硅比以及掺杂源氮气流量。

6.如权利要求1所述的一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是当外延层厚度处于0-1微米区间，掺杂浓度大于10¹⁸ cm^-3时选用硅烷和丙烷流量分别为5-10ml/min和1.75-3.5ml/min，进气端碳硅比为1.05。

7.如权利要求1所述的一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是当外延层厚度处于1-5微米区间，掺杂浓度位于5×10¹⁶-10¹⁸ cm^-3区间，选用硅烷和丙烷流量分别为10-20ml/min和5-10ml/min，进气端碳硅比为1.5。

8.如权利要求1所述的一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性的方法，其特征是当外延层厚度大于5微米，掺杂浓度小于5×10¹⁶时，选用硅烷和丙烷流量分别为20-50ml/min和12-30ml/min，进气端碳硅比大于等于1.8。

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