CN103614779A - 一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法。以化学气相淀积生长技术为基础，使用偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，采用硅烷和丙烷作为生长源，氯化氢作为抑制硅组份气相成核的辅助气体，氢气作为载气和稀释气体，氮气作为n型掺杂剂。在基座气浮气体中加入少量工艺气体硅烷或者丙烷，再通过气浮气体作为载气将少量工艺气体推至衬底边缘，以微调衬底边缘碳硅比，进而改变衬底边缘n型掺杂源掺杂效率，有效降低外延片由于非线性耗尽带来的边缘点与中心点掺杂浓度偏差，在不改变关键工艺参数前提下，有效优化了外延片片内掺杂浓度均匀性。加大了关键工艺参数选择窗口，为高质量碳化硅外延材料生长提供了技术支持。

Description

一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法

技术领域

本发明提出的是一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，在不改变外延关键工艺参数的前提下，提高了碳化硅外延片片内掺杂浓度均匀性，降低了碳化硅外延片中心点和边缘点的掺杂浓度偏差。属于半导体材料技术领域。

背景技术

碳化硅（SiC）器件耐高温、节能、系统小型化的特点让其在PFC电源、空调等白色家电、混和动力及纯电动汽车、马达控制、太阳能风能发电、铁路运输和智能电网等领域具有广泛的应用。

碳化硅外延材料的厚度和掺杂浓度均匀性严重影响碳化硅器件性能，良好的材料均匀性不仅可以降低器件性能的离散，同时也可以提高器件的可靠性。因此，目前国际上研究的热点之一就是如何提高碳化硅外延片厚度及浓度均匀性，这也是碳化硅外延中需要突破和掌握的关键技术，也是目前国际上研究的热点。

源在外延片直径方向上的耗尽导致了外延片上局部各点的生长速率及掺杂浓度是个随位置变化的量，因此造成了外延片厚度及浓度的不均匀性。由于源本身性质及反应方式的不同，各类源在反应腔内的耗尽形式有所不同，总的说来主要有以下三种形式（理想状态）：1、线性耗尽、2、指数型耗尽、3、二次函数型耗尽。通过引入基座气浮旋转可以降低由于源耗尽所造成的源分布的不均匀性。图1-(a)- 图1-(c)是引入基座旋转前后三种耗尽方式下，源沿衬底方向的分布曲线。从图1-(a)- 图1-(c)可以看出，如果源耗尽方式接近于线性耗尽，通过引入基座旋转可以有效消除源分布的不均匀性，生长源的耗尽就比较接近线性耗尽，因此只需要气浮旋转就可以实现较好的厚度均匀性。而掺杂源的耗尽则比较接近后两种的非线性耗尽方式，基座旋转并不能完全消除掺杂浓度的不均匀性。

目前文献及专利报道的掺杂浓度均匀性优化的方法主要针对关键工艺参数的优化如氯硅比、碳硅比、主氢流量、生长温度、各路气体喷嘴载气比等。然而此类参数的改变还会带来诸如背景浓度、表面形貌、缺陷密度等外延片重要指标的变化。寻找一个合适的工艺窗口非常困难。

发明内容

本发明提出的是一种提高碳化硅外延片片内掺杂浓度均匀性的方法，其目的旨在针对如何在不改变外延关键工艺参数的基础下改善碳化硅外延片片内掺杂浓度均匀性。在典型工艺条件下，由于掺杂浓度沿衬底直径方向的非线性耗尽，造成了外延片中心点掺杂浓度和边缘点掺杂浓度存在较大的差异，即使使用气浮旋转技术。竞位理论表明n型掺杂效率和工艺气体的碳硅比成反比。根据以上原理，本发明通过在基座气浮气体中加入少量工艺气体硅烷或者丙烷，通过气浮气体带出的少量工艺气体以微调衬底边缘的碳硅比进而改变衬底边缘n型掺杂源的掺杂效率，有效降低外延片边缘点与中心点的掺杂浓度偏差，在不改变关键工艺参数的前提下，有效优化了外延片的片内掺杂浓度均匀性。

本发明的技术解决方案：一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，包括如下工艺步骤：

1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底晶型4H或者6H，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

2）系统升温至1400-1500℃，设置反应室压力80-200mbar，氢气流量60-120slm，选用氩气气浮条件选用氩气气浮实现均匀的基座温场分布，对衬底表面进行原位氢气刻蚀处理，以去除表面的损伤和沾污，根据衬底偏角不同，氢气刻蚀处理工艺有所不同；

3）系统升温至1550-1650℃，通入硅烷、丙烷、氯化氢、掺杂剂n型掺杂选用氮气开始外延生长，设定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5-5，切换基座气浮气体至氢气选用氢气以避免载气和气浮气体在衬底边缘处形成气相界面，并根据该工艺条件下典型外延片掺杂浓度沿衬底直径方向的分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型；

4）在完成所需外延生长之后，关闭生长源和掺杂源，将气浮气体切换至氩气，降温；

5）系统降温至100摄氏度时，将反应室抽真空，并充入氩气至大气压后取出外延材料。

本发明的优点：与通常的外延技术相比，本发明并没有通过改变关键工艺参数如氯硅比、碳硅比、主氢流量、生长温度、各路气体喷嘴载气比等来实现外延片掺杂浓度均匀性的优化。从而加大了关键工艺参数的选择窗口，以实现更加优秀的背景浓度、表面形貌、缺陷密度等关键指标。

附图说明

附图1-(a)是引入基座旋转前后线性耗尽下，源沿衬底方向的分布曲线示意图。

附图1-(b)是引入基座旋转前后指数型耗尽下，源沿衬底方向的分布曲线示意图。

附图1-(c)是引入基座旋转前后二次函数型耗尽下，源沿衬底方向的分布曲线示意图。

附图2是在硅烷流量64sccm、丙烷流量32sccm、氯化氢流量128sccm、生长温度1550℃、反应室压力100mbar、氢气气浮流量1500sccm的典型工艺条件下，外延片n型掺杂浓度沿衬底直径方向的分布图。

附图3在气浮气体中加入不同流量的丙烷后，外延片掺杂浓度沿径向分布变化的示意图。

附图4是实施例中100mm外延片的掺杂浓度测试结果示意图。

具体实施方式

一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，包括如下工艺步骤：

1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底晶型4H或者6H，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

2）系统升温至1400-1500℃，设置反应室压力80-200mbar，氢气流量60-120slm，选用氩气气浮条件选用氩气气浮实现均匀的基座温场分布，对衬底表面进行原位氢气刻蚀处理，以去除表面的损伤和沾污，根据衬底偏角不同，氢气刻蚀处理工艺有所不同；

3）系统升温至1550-1650℃，通入硅烷、丙烷、氯化氢、掺杂剂n型掺杂选用氮气开始外延生长，设定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5-5，切换基座气浮气体至氢气选用氢气以避免载气和气浮气体在衬底边缘处形成气相界面，并根据该工艺条件下典型外延片掺杂浓度沿衬底直径方向的分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型；

4）在完成所需外延生长之后，关闭生长源和掺杂源，将气浮气体切换至氩气，降温；

5）系统降温至100摄氏度时，将反应室抽真空，并充入氩气至大气压后取出外延材料。

所述的工艺步骤2）原位氢气刻蚀工艺中采用氩气气浮条件以实现均匀的基座温场分布，保证氢气刻蚀的均匀性。

所述的工艺步骤2）中的根据衬底偏角不同，氢气刻蚀处理工艺有所不同：即

针对4°偏轴的衬底，刻蚀工艺则需要采用纯氢气刻蚀，刻蚀时间为30分钟左右，以避免外延层台阶形貌的生成；

针对8°偏轴的衬底，刻蚀处理时需要通入少量的丙烷（5-20sccm）辅助氢气刻蚀，以避免氢气过度刻蚀产生硅滴，刻蚀时间10分钟左右；

外延层生长时将基座气浮气体至氢气以避免工艺气体和气浮气体在衬底边缘形成界面。

所述的工艺步骤3）分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型，其具体选择方法如下：

当工艺条件下，外延片n型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布时气浮气体中加入的工艺气体选用丙烷；

当工艺条件下，外延片n型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥状分布时气浮气体中加入的工艺气体选用硅烷；

气浮气体中加入的工艺气体的流量根据关键工艺条件设定，实际数值需要通过多次实验对比决定，以实现平坦的掺杂浓度径向分布为选择标准；

外延生长时间根据实际的外延速率及所需外延层厚度设定。

实施例

提供的在偏向<11-20>方向4°的100mm硅面4H晶型碳化硅衬底上外延生长高均匀性外延材料的方法包括以下步骤：

1)选择偏向<11-20>方向4°的100mm硅面4H晶型碳化硅衬底，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，选用氩气气浮（气浮流量1000sccm），在氢气(流量80slm）气氛下，对衬底表面进行原位氢气刻蚀，以去除衬底表面的损伤和沾污，并抑制台阶的形成，处理时间为30分钟；

3)系统升温至1550℃，当温度稳定在1550℃之后,向反应室通入硅烷（64sccm）、丙烷（32sccm）、氯化氢（128sccm）、氮气（200sccm）开始n型外延层的生长，切换气浮气体至氢气（气浮流量1500sscm），气浮气体中加入丙烷（10sccm）以提高外延片的n型掺杂浓度均匀性，生长时间设定为30分钟；

4) 在完成所需外延生长之后，关闭生长源和掺杂源，将气浮气体切换至氩气，降温；

5) 系统降温至100摄氏度时，将反应室抽真空，并充入氩气至大气压后取出外延材料。

上述步骤3)中在氢气气浮载气中选择加入10sccm丙烷。选择原因如下：

在硅烷流量64sccm、丙烷流量32sccm、氯化氢流量128sccm、生长温度1550℃、反应室压力100mbar、氢气气浮流量1500sccm的典型工艺条件下，外延片n型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布，如图2所示。根据本发明提出的方法选择在气浮气体中加入丙烷。图3是在气浮气体中加入不同流量的丙烷后，外延片掺杂浓度沿径向分布的对比图。可以看出该工艺条件下，选用10sccm的丙烷流量可以实现较为平坦的n型掺杂浓度。

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。图4是实施例中外延片的掺杂浓度测试结果。100mm外延片片内n型掺杂浓度不均匀性2.7%。

通过在气浮气体中加入少量的工艺气体，在不改变关键工艺参数的条件下，可以有效优化外延片的片内掺杂浓度均匀性。从而加大了关键工艺参数的窗口，以实现更加优秀的背景浓度、表面形貌、缺陷密度等关键指标。

以上制作实例为本发明的一般实施方案，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种提高碳化硅外延片片内n型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：

1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底晶型4H或者6H，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

2）系统升温至1400-1500℃，设置反应室压力80-200mbar，氢气流量60-120slm，选用氩气气浮条件选用氩气气浮实现均匀的基座温场分布，对衬底表面进行原位氢气刻蚀处理，以去除表面的损伤和沾污，根据衬底偏角不同，氢气刻蚀处理工艺有所不同；

3）系统升温至1550-1650℃，通入硅烷、丙烷、氯化氢、掺杂剂n型掺杂选用氮气开始外延生长，设定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5-5，切换基座气浮气体至氢气选用氢气以避免载气和气浮气体在衬底边缘处形成气相界面，并根据该工艺条件下典型外延片掺杂浓度沿衬底直径方向的分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型；

4）在完成所需外延生长之后，关闭生长源和掺杂源，将气浮气体切换至氩气，降温；

5）系统降温至100摄氏度时，将反应室抽真空，并充入氩气至大气压后取出外延材料。

2.如权利要求1所述的一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，其特征是所述的工艺步骤2）原位氢气刻蚀工艺中采用氩气气浮条件以实现均匀的基座温场分布，保证氢气刻蚀的均匀性。

3.如权利要求1所述的一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，其特征是所述的工艺步骤2）中的根据衬底偏角不同，氢气刻蚀处理工艺有所不同：即

针对4°偏轴的衬底，刻蚀工艺则需要采用纯氢气刻蚀，刻蚀时间为30分钟左右，以避免外延层台阶形貌的生成；

针对8°偏轴的衬底，刻蚀处理时需要通入少量的丙烷（5-20sccm）辅助氢气刻蚀，以避免氢气过度刻蚀产生硅滴，刻蚀时间10分钟左右。

4.如权利要求1所述的一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，其特征是外延层生长时将基座气浮气体至氢气以避免工艺气体和气浮气体在衬底边缘形成界面。

5.如权利要求1所述的一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，其特征是所述的工艺步骤3）分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型，其具体选择方法如下：

当工艺条件下，外延片n型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布时气浮气体中加入的工艺气体选用丙烷；

当工艺条件下，外延片n型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥状分布时气浮气体中加入的工艺气体选用硅烷；

气浮气体中加入的工艺气体的流量根据关键工艺条件设定，实际数值需要通过多次实验对比决定，以实现平坦的掺杂浓度径向分布为选择标准；

外延生长时间根据实际的外延速率及所需外延层厚度设定。

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