CN104465721B - 一种碳化硅外延材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅外延材料。所述碳化硅外延材料包括：N+碳化硅单晶衬底层，位于衬底下面的P+支撑层和位于衬底表面的N‑漂移层，其制备方法包括以下步骤：1、N+型衬底的准备；2、对N+型衬底的背面化学机械抛光；3、在背面进行P+支撑层的生长；4、N+型衬底正面的减薄；5、正面化学机械抛光；6、在正面进行N‑型漂移层的生长。相对于传统碳化硅外延材料而言，采用本发明提供的外延材料P+支撑层电阻率低并且均匀性高，满足高压器件的需求。同时，该外延材料缺陷少，制作方法简单，工艺重复性好，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体材料，具体讲涉及一种碳化硅外延材料及其制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是继第一代半导体材料硅、锗和第二带半导体材料砷化镓、磷化铟后发展起来的第三代半导体材料。碳化硅材料的禁带宽度是硅和砷化镓的2～3倍，使得半导体器件能在500℃以上的温度下工作以及具有发射蓝光的能力；碳化硅材料比硅和砷化镓均要高一个数量级的高击穿电场，决定了碳化硅半导体器件具有高压、大功率的性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；导热率是硅的3.3倍，砷化镓的10倍，意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积。因此，随着碳化硅材料和器件工艺的不断完善，部分硅领域渐渐被碳化硅所替代。由于碳化硅具有宽带隙、高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和飘逸速率等特点，特别适合大功率、高电压电力电子器件，成为当前电力电子领域的研究热点。
穿通型绝缘栅双击型晶体管(PT-IGBT)一般是在均匀掺杂的厚度为数百微米的P+衬底上外延生长N+缓冲掺和N-基区，然后再于N-层上制作所需的正面结构而形成。但是，传统升华法生长碳化硅晶体时，由于在B掺杂或Al掺杂时，4H-SiC的活化能过大，难以实现电阻率低于0.5Ωcm的水平，高达200Ωcm或更高，不能用来制作P+碳化硅衬底，因而也无法得到具有N-基区的外延材料，所以基于SiC材料无法实现PT-IGBT器件是目前一技术难点。
发明内容
为克服现有技术上的不足，本发明提供了一种碳化硅外延材料及其制备方法，制备出缺陷少，P+支撑层电阻率低并且均匀性高的外延材料，制作方法简单，工艺重复性好，适合工业化生产。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种碳化硅外延材料，所述碳化硅外延材料包括由下到上排布的P+支撑层、N+衬底层和N-漂移层。
优选的，所述的P+支撑层包括的的掺杂浓度为1×1018cm-3～8×1019cm-3。所述的P+支撑层的掺杂剂为三甲基铝。所述的P+支撑层的厚度为50μm～100μm。
另一优选的，所述N+衬底的掺杂浓度为1×1017cm-3～9×1018cm-3。掺杂剂为氮气。所述N+衬底的厚度为0.5μm～5μm。
再一优选的，所述的N-漂移层的厚度为10μm～300μm，掺杂剂为氮气，掺杂浓度为5×1013cm-3～9×1015cm-3。
为了实现以上技术方案，本发明还提供了一种碳化硅外延材料的制造方法，包括以下步骤：
a.选取N+型衬底；
b.用化学机械抛光、机械研磨或化学腐蚀来处理N+型衬底背面；
c.在N+衬底的背面用化学气相沉积法生长P+支撑层；
d.减薄N+型衬底层正面；
e.化学机械抛光处理N+型衬底层正面；
f.在N+型衬底层正面采用化学气相沉积法生长N-型漂移层。
优选的，所述步骤c和f中的化学气相沉积法的沉积温度为1600～1750℃。
另一优选的，所述步骤c中，P+支撑层化学气相沉积速度为50-90μm/h；步骤f中，N-漂移层的生长速率为20-50μm/h。
再一优选的，步骤b中对N+型衬底的背面进行化学机械抛光，具体步骤包括：采用碳化硼研磨浆料，将背面粗糙度减小到0.1nm之内，优选碳化硼直径小于0.5μm，碳化硼浆料pH值为8～10。
再一优选的，所述步骤d包括首先进行粗研磨，采用pH值为9～11的碳化硼研磨浆料，将N+衬底厚度减小到小于10μm，更优选地选择碳化硼直径为50～60μm；然后进行精细研磨，采用pH值为9～11的碳化硼研磨浆料，将N+衬底厚度减小到小于5μm，更优选的选择碳化硼直径小于2μm。
再一优选的，所述步骤e包括采用pH值为9～11的碳化硼研磨浆料，将背面粗糙度减小到0.1nm之内，更优选的碳化硼直径为小于0.5μm。
本发明的有效效果：与现有技术相比，本发明克服了传统方法中P+支撑层电阻率高的问题，实现了制造穿通型绝缘栅双击型晶体管需要的外延材料。本发明提供的外延材料的P+支撑层电阻率低，并且分布均匀，制作方法简单，工艺重复性好，适合工业化生产。基于本发明提供的外延材料的漂移区缺陷少，可以提高器件的性能及可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为N+衬底示意图。
图2为完成P+支撑层生长后的结构示意图。
图3为N+衬底层减薄处理后的结构示意图。
图4为形成N-漂移层的结构示意图。
图5为实施例1的P+层电阻率分布图。
图6为实施例1的N-层缺陷分布密度图。
图7为实施例2的P+层电阻率分布图。
图8为实施例2的N-层缺陷分布密度图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
实施例1
如图4所示，本发明所述的一种碳化硅外延材料，包括由下到上排布的P+支撑层、N+衬底层和N-漂移层。
上述碳化硅外延材料制造方法步骤如下：
a.选择直径为4英寸，厚度350μm，掺杂剂为氮气，掺杂浓度为6×1017cm-3的N+型衬底；
b.用pH值为9，直径小于0.1μm的碳化硼研磨浆料，采用化学机械抛光方法处理所选衬底的背面，将背面粗糙度减小到0.1nm之内；
c.掺杂剂为三甲基铝，掺杂浓度为4×1019cm-3，在沉积温度为1650℃，生长速率为72μm/h的条件下，在背面通过化学气相沉积来完成P+支撑层的生长，P+支撑层的厚度为100μm；
d.对正面N+型衬底层研磨减薄，首先进行粗研磨，采用浆料pH值为10，碳化硼直径为53μm的研磨浆料，将N+衬底厚度减小到8μm；然后采用浆料pH值为10，碳化硼直径为1μm的研磨浆料精细研磨，将N+衬底厚度减小到小于1μm；
e.减薄之后采用浆料pH值为10，碳化硼直径为0.1μm的研磨浆料来化学机械抛光，完成表面处理；
f.在正面通过化学气相沉积进行同质碳化硅外延生长，其中掺杂剂为氮气，掺杂浓度为7×1014cm-3，生长速率为30μm/h，最终的N-层厚度为100μm。
通过P+支撑层的非接触电阻率测试，衬底的平均电阻率为0.138Ωcm，均匀性为4.4％，分布如图5所示；通过表面缺陷分析仪对N漂移层进行测试，结果显示缺陷密度为0.78cm-2，如图6所示。
实施例2
如图4所示，本发明所述的碳化硅外延材料包括由下到上排布的P+支撑层、N+衬底层和N-漂移层。
如图1-4所示，上述碳化硅外延材料制造方法步骤如下：
a.选择直径为6英寸，厚度350μm，掺杂剂为氮气，掺杂浓度为3×1017cm-3的N+型衬底；
b.用pH值为9，直径小于0.2μm的碳化硼研磨浆料，采用化学机械抛光方法处理所选衬底的背面，将背面粗糙度减小到0.1nm之内；
c.掺杂剂为三甲基铝，掺杂浓度为6×1019cm-3，在沉积温度为1650℃，生长速率为72μm/h的条件下，在背面通过化学气相沉积进行同质碳化硅外延生长，形成P+支撑层的厚度为80μm；
d.对正面N+型衬底层进行研磨，首先进行粗研磨，采用浆料pH值为10，碳化硼直径为55μm的研磨浆料，将N+衬底厚度减小到6μm；然后进行精细研磨，采用浆料pH值为10，碳化硼直径为2.5μm的研磨浆料，将N+衬底厚度减小到0.5μm；
e.减薄之后采用浆料pH值为10，碳化硼直径为0.1μm的研磨浆料来化学机械抛光，完成表面处理；
f.在正面通过化学气相沉积进行同质碳化硅外延生长，其中掺杂剂为氮气，掺杂浓度为5×1014cm-3，生长速率为37μm/h，最终的N-层厚度为150μm。
通过P+支撑层的非接触电阻率测试，衬底的平均电阻率为0.11Ωcm，均匀性为11％，分布如图7所示；通过表面缺陷分析仪对N漂移层进行测试，结果显示缺陷密度为0.65cm-2，如图8所示。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (4)
1.一种碳化硅外延材料，其特征在于所述碳化硅外延材料包括由下到上排布的P+支撑层、N+衬底层和N-漂移层；
所述的P+支撑层包括的掺杂剂为三甲基铝；
所述的P+支撑层中掺杂剂的掺杂浓度为1×1018cm-3～8×1019cm-3；
所述的一种碳化硅外延材料的制备方法依次包括以下步骤：
a.选取N+型衬底；
b.用化学机械抛光、机械研磨或化学腐蚀处理N+型衬底背面；
c.在N+衬底的背面用化学气相沉积法生长P+支撑层；
d.减薄N+型衬底层正面；
e.化学机械抛光处理N+型衬底层正面；
f.采用化学气相沉积法生长N-型漂移层；
所述步骤c和f中的化学气相沉积法的沉积温度为1600～1750℃；
所述步骤c中，P+支撑层化学气相沉积速度为50-90μm/h；步骤f中，N-漂移层的生长速率为20-50μm/h；
所述的N-漂移层的厚度为10μm～300μm，掺杂剂为氮气，氮气的掺杂浓度为5×1013cm-3～9×1015cm-3。
2.如权利要求1所述的一种碳化硅外延材料，其特征在于：所述的P+支撑层的厚度为50μm～100μm。
3.如权利要求1所述的一种碳化硅外延材料，其特征在于：所述N+衬底的掺杂剂为氮气，所述氮气的掺杂浓度为1×1017cm-3～9×1018cm-3。
4.如权利要求1所述的一种碳化硅外延材料，其特征在于：所述N+衬底的厚度为0.5μm～5μm。
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