CN103199008A - 零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法，主要解决现有技术对材料的浪费的问题并且提高了SiC外延层质量，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SH4；当温度达到1580℃-1620℃后，对衬底进行原位刻蚀20min；其后保持反应室温度和气压不变，向反应室通入流量为0.6mL/min～0.75mL/min的C3H8和流量为3mL/min～3.75mL/min的SH4，并保持30分钟；将SiH4逐渐增至15mL/min，将C3H8的流量逐渐增至3mL/min，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，取出长有碳化硅外延层的衬底。本发明制备的碳化硅外延层继承了衬底的晶型，表面平整，结晶完整性好，消除了4H-SiC同质外延层中的基面位错，可用于SiC的器件制造。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法，生长出的外延层可用于SiC的器件制造。
技术背景
SiC具有宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高饱和电子漂移速度和高键合能等优点，是制作高温、高压、高频、大功率、抗辐照等半导体器件的原材料，也是制作“极端电子学器件”和极端条件下微机电系统MEMS的主要材料；此外，SiC是一种优良的发光半导体材料，不仅适于制作光电子半导体器件，也可利用其宽带隙和低电流的特性制作紫外敏感器件。由于SiC材料具有这些优越的特性，使它在化学工业、航空航天工程、汽车制造业、矿物加工与开采、核动力工程等领域都有着广泛的应用前景。
目前同质外延的方法生长SiC主要使用两种衬底：有偏角的衬底和零偏衬底。随着SiC晶锭直径的增大，采用有偏角的衬底从轴向生长偏离轴向切割会使材料的浪费现象更加严重，大大增加了生产成本。与此同时，在有偏角的衬底上生长SiC会使衬底上的基面位错向外延层中繁殖。在高功率双极器件中由于通过基面位错为堆垛层错的产生提供成核位，因而在正向载流子注入情况下会引起堆垛层错在有源区的成核与扩展。堆垛层错的扩展会引起电学特性的退化或正向电压的降低，使器件在其漂移增加几十伏后失效。而且在有偏角的SiC衬底上进行同质外延在生长过程中当台阶流生长与螺位错附近的螺旋形生长相互作用时，可能会在外延层中产生新的结构缺陷。这些从衬底上寄生而来的大面积扩展的缺陷对于器件性能有致命性的影响。
在零偏4H-SiC衬底上进行同质外延可以克服上述问题，但容易引起异质结晶和表面粗糙。衬底的偏离定向对于SiC的生长方式有非常大的影响，SiC在竖直定向衬底上的生长是通过在平台上二维成核实现的，它需要很大的激活能，生长将受到诸如硅的吸附之类的表面反应的控制，而且在生长过程中对结晶类型没有约束，因此生长得到的SiC晶体不完全与衬底晶型相同，在衬底和外延层的交界处容易形成3C-SiC。而衬底的表面损伤则刚好为3C-SiC提供了成核位置，而且这些表面损伤也会导致生长出的外延层表面粗糙度的升高，这对后续的器件制造和器件性能都会造成很大影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法，以解决有偏角衬底对材料的浪费和基面位错的繁殖问题，同时克服零偏衬底生长过程中的异质结晶的问题。
为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：
（1）将零偏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）向反应室通入H2直至反应室气压到达100mbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量逐渐增至25l/min，继续向反应室通气；
（3）打开高频线圈感应加热器RF，逐渐增大该加热器的功率，使反应室温度升高逐渐至1580℃～1620℃，再将3mL/min的SiH4通入反应室，使碳化硅衬底在SiH4与H2的混合气体中进行20分钟的原位刻蚀；
（4）维持原位刻蚀的温度，向反应室通入C3H8和SiH4，将H2的流量增至65L/min并保持30分钟；然后，将SiH4的流量逐渐增至15mL/min，C3H8的流量逐渐增至3mL/min，进行2小时的外延生长，获得长有碳化硅外延层的衬底片；
（5）停止生长后，继续向反应室中通入H2，使衬底片在氢气流中降温；
（6）当温度降低到700℃以下后，再将反应室抽成真空，并充入Ar，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。
本发明具有如下优点：
1．本发明采用碳化硅的CVD外延设备，在零偏碳化硅衬底上生长出碳化硅外延层，相对于通常所用的在有偏角的衬底上同质外延，很大程度上节约了生产成本，减少了资源的浪费。
2．本发明采用原位刻蚀工艺，不仅在改善衬底表面质量的基础上完全消除了外延层中的基面位错，提高了外延层的质量，而且生长出的外延层克服了零偏外延异质结晶的问题，生长出的外延层基本消除了其他晶型。
附图说明
图1是本发明使用的碳化硅CVD设备结构图；
图2是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细描述。
参照图1，本发明使用的碳化硅CVD设备，主要由主体生长系统、RF感应加热源、尾气处理系统、循环水系统、电压稳源系统和界面操作系统组成。
参照图2，本发明给出以下三种实施例。
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）选取零偏的4H-SiC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H2开关，控制其流量逐渐增大到25L/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RF加热源的功率，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）将3mL/min的SiH4通入反应室，将衬底在SiH4与H2的混合气体中进行20分钟的原位刻蚀。
步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
（4.1）控制反应室气压为100mbar，保持温度为1580℃；
（4.2）打开C3H8和SiH4的开关，通入3mL/min的SiH4和0.6mL/min的C3H8，并将H2的流量增至65L/min，进行30分钟的低速生长，
（4.3）在接下来的20分钟里逐渐增加SiH4和C3H8的流量分别至15mL/min和3mL/min，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2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；
（5.2）设置通向反应室的H2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H2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Ar，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，选取零偏的4H-SiC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H2开关，控制氢气流量逐渐增大到25L/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RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度到达1400℃后，在氢气流中加入流量为3mL/min的SH4。
步骤3，当反应室温度达到1600℃以后，保持反应室温度恒定，保持反应室通入流量为25L/min的H2和流量为3mL/min的SiH4，采用H2与SiH4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1600℃下，打开C3H8和SiH4的开关，加入流量为0.7mL/min的C3H8、流量为3.5mL/min的SiH4，H2的流量增至65L/min，进行30分钟的低速生长；然后在接下来的20分钟内逐渐增加SiH4和C3H8的流量分别至15mL/min和3mL/min，生长碳化硅外延层。
步骤5，当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；然后设置通向反应室的H2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H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于1×10-7mbar，再打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，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，与实施例1的步骤一相同。
第二步，与实施例1的步骤二相同。
第三步，对衬底进行原位刻蚀。
（3.1）当反应室温度达到1620℃以后，保持反应室温度恒定；
（3.2）继续向反应室通入流量为25L/min的H2和流量为3mL/min的SiH4，采用H2与SiH4的混合气体原位刻蚀衬底20min。
第四步，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
（4.1）保持反应室气压为100mbar，温度为1620℃；
（4.2）打开C3H8和SiH4的开关，在氢气流中同时加入流量为0.75mL/min的C3H8、流量为3.75mL/min的SiH4，并将H2的流量增至65L/min，进行30分钟的低速生长，然后在接下来的20分钟里逐渐增加SiH4和C3H8的流量分别至15mL/min和3mL/min，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2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；
（5.2）设置通向反应室的H2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H2开关；
（6.2）将反应室抽真空，直到气压低于1×10-7mbar；
（6.3）打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，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。
Claims (3)
1.一种零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法，包括以下步骤：
（1）将零偏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）向反应室通入H2直至反应室气压到达100mbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量逐渐增至25L/min，继续向反应室通气；
（3）打开高频线圈感应加热器RF，逐渐增大该加热器的功率，使反应室温度升高逐渐至1580℃～1620℃，再将3mL/min的SiH4通入反应室，使碳化硅衬底在SiH4与H2的混合气体中进行20分钟的原位刻蚀；
（4）维持原位刻蚀的温度，向反应室通入C3H8和SiH4，将H2的流量增至65L/min并保持30分钟；然后，将SiH4的流量逐渐增至15mL/min，C3H8的流量逐渐增至3mL/min，进行2小时的外延生长，获得长有碳化硅外延层的衬底片；
（5）停止生长后，继续向反应室中通入H2，使衬底片在氢气流中降温；
（6）当温度降低到700℃以下后，再将反应室抽成真空，并充入Ar，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所述的零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法，其特征在于所述步骤（4）中通入的C3H8和SiH4，其流量分别是：C3H8为0.6mL/min～0.75mL/min，SiH4为3mL/min～3.75mL/min。
3.根据权利要求1所述的零偏4H-SiC衬底上的同质外延方法，其特征在于所述步骤（6）中通入Ar的流量为12L/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130710 |