CN105006423A - 一种p型低偏角碳化硅外延片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，包括以下步骤：衬底的准备、在线刻蚀衬底、缓冲层的生长和外延层的生长，其中外延层的生长采用了“生长、刻蚀、吹拂、再生长”的方法。该方法在生长P型低偏角碳化硅外延片的过程中，有效地降低基面位错密度，减少腔体内沉积物，从而降低了由外来颗粒物引起的三角形缺陷，提高碳化硅外延材料的质量，加工成本低，适合工业化生产。

Description

一种P型低偏角碳化硅外延片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体材料的制备方法，具体涉及一种P型低偏角碳化硅外延片的制备方法。
背景技术
碳化硅化学惰性好，耐高温，抗辐射，在大功率电力电子领域具有巨大的应用潜力。碳化硅为一种同质多种结晶形态的材料，已经发现的晶态形式超过了250种。在众多的SiC多型体中，4H-SiC以其禁带宽度大(3.26eV)、迁移率高(900cm2/Vs)和各向异性比较小等优越性能被认为更适合于制造大功率高反压电子器件。
目前SiC的8°和4°偏角外延生长“台阶控制外延”技术，其本质就是原子台阶的流动。该技术不但有效控制了SiC的晶型，也降低了SiC的外延生长温度，于1500℃下生长出表面光亮的SiC外延材料，使外延生长温度降低了近300℃，达到了降低成本的目的。
随着SiC衬底晶片直径的增大，从2英寸发展到3英寸和4英寸，乃至6英寸，偏晶向角度的大小对于SiC成本降低非常重要，因为角度越大，从一根SiC晶锭能够得到的晶片数量就越少。而且从SiC外延的角度来说，偏晶向角度的大小对外延材料的质量也有很大影响。
根据晶片尺寸的发展现状，人们越来越关注低偏角晶向衬底上SiC的外延生长，而根据文献报道，碳化硅低偏角外延生长的表面粗糙度难以控制，另外对于高电压电力电子器件来言，又需要超厚碳化硅外延层。因此，生长低偏角的超厚外延层需要解决的难题就是在降低缺陷的同时，控制外延片的表面形貌。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种P型低偏角碳化硅外延的制备方法，能够降低基面位错密度，减少腔体内沉积物，并且有效减少台阶聚集，降低表面粗糙度。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：放置偏角＜8°碳化硅衬底于反应室内，抽真空，分别以40～80L/min和5～10L/min的流量通入H2和HCl，于20-60mbar压力和1510～1710℃温度下刻蚀5～20min；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，分别以6～10mL/min、3～5mL/min和1500～1800mL/min的流量通入生长硅源、生长碳源和三甲基铝TMA掺杂剂，于1500～1680℃温度和20～100mbar压力下生长0.2～5μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：分别以40～80L/min、10～40mL/min、5～20mL/min和800～1500mL/min的流量通入H2、生长硅源、生长碳源和TMA掺杂剂，于1500～1680℃温度和20～100mbar压力下生长5～50μm厚的外延层；
b刻蚀：分别停止通入硅源、碳源和TMA，于1510～1710℃下维持2～5min；以5～10L/min流量通入HCl，刻蚀2～5min；
c吹拂：停止通HCl后，以45～90mL/min的流量吹H22～10min；
d再生长：重复步骤a生长外延层至5～200μm。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第一优选技术方案，所述碳化硅衬底的偏角为2°。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第二优选技术方案，所述碳化硅衬底的偏角为4°。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第三优选技术方案，所述衬底材料是4H-SiC或6H-SiC。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第四优选技术方案，所述生长硅源为SiH4或SiHCl3，生长碳源为C2H4或C3H8。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第五优选技术方案，重复所述步骤3)中的b至d步骤。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第六优选技术方案，所述重复的次数为0～30次。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第七优选技术方案，所述重复的次数为0～10次。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第八优选技术方案，所述外延层的生长厚度为5～30μm。
所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法的第九优选技术方案，所述外延层的生长厚度为30～200μm。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1.本发明提供的碳化硅衬底具有大的基面位错的腐蚀坑，使得在外延工艺中基面位错更容易转化为螺旋位错，达到降低基面位错密度的目的；
2.降低表面缺陷颗粒物以及由颗粒物引起的缺陷，尤其是三角形缺陷；
3.由于刻蚀作用，使得生长腔体清洗周期延长，大大降低了生长成本和提高了生长效率；
4.本发明提供的方法，制作方法简单，工艺重复性好，适合工业化生产；
5.基于本发明提供的超厚碳化硅外延表面无台阶聚集现象。
附图说明
图1：本发明的流程示意图。
图2：传统方法制备外延片的表面形貌
图3：实施例1外延片的原子力显微镜图
图4：实施例2外延片的原子力显微镜图
图5：实施例3外延片的原子力显微镜图
图6：实施例4外延片的原子力显微镜图
图7：实施例5外延片的原子力显微镜图
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
实施例1
一种P型低偏角厚度15μm碳化硅外延片制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：准备偏角为4°的4H-SiC衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气和5L/min的HCl，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持5分钟；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的SiH4和3mL/min的C3H8，以流量为1500mL/min的TMA为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长0.4μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：将40L/min流量的氢气、10mL/min的SiH4和5mL/min的C3H8通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的TMA为掺杂剂，生长6μm厚的外延层；
b刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
c吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂5分钟；
d再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至15μm。
实施例2
一种P型低偏角厚度30μm碳化硅外延制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：准备偏角为2°的4H-SiC衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气和5L/min的HCl，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持5分钟；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的SiH4和3mL/min的C3H8，以流量为1500mL/min的TMA为掺杂剂，生长压力为40mbar，，生长1μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：将40L/min流量的氢气、10mL/min的SiH4和5mL/min的C3H8通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的TMA为掺杂剂，生长10μm厚的外延层；
b刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
c吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂5分钟；
d再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至20μm。
e刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
f吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
g再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至30μm。
实施例3
一种P型低偏角厚度80μm碳化硅外延制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：准备偏角为4°的4H-SiC衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气和5L/min的HCl，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持5分钟；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的SiH4和3mL/min的C3H8，以流量为1500mL/min的TMA为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长1.5μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：将40L/min流量的氢气、10mL/min的SiH4和5mL/min的C3H8通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的TMA为掺杂剂，生长10μm厚的外延层；
b刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
c吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂2分钟；
d再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至30μm。
e刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
f吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
g再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至50μm。
h刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
i吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
j再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至80μm。
实施例4
一种P型低偏角厚度100μm碳化硅外延制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：准备偏角为2°的4H-SiC衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气和5L/min的HCl，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持5分钟；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的SiH4和3mL/min的C3H8，以流量为1500mL/min的TMA为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长3μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：将40L/min流量的氢气、10mL/min的SiH4和5mL/min的C3H8通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的TMA为掺杂剂，生长10μm厚的外延层；
b刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
c吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂2分钟；
d再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至40μm。
e刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
f吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
g再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至70μm。
h刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
i吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂2分钟；
j再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至100μm。
实施例5
一种P型低偏角厚度180μm碳化硅外延制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：准备偏角为2°的4H-SiC衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气和5L/min的HCl，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持5分钟；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的SiH4和3mL/min的C3H8，以流量为1500mL/min的TMA为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长5μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：将40L/min流量的氢气、10mL/min的SiH4和5mL/min的C3H8通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的TMA为掺杂剂，生长10μm厚的外延层；
b刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维1分钟；
c吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
d再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至30μm。
e刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持12分钟；
f吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
g再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至50μm。
h刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持2分钟；
i吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂5分钟；
j再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至80μm。
k刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
l吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂2分钟；
m再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至120μm。
n刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
o吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
p再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至150μm。
q刻蚀：停止硅源、碳源及掺杂剂的通入，升温至1680℃，维持2分钟；通入5L/min流量的HCl，维持1分钟；
r吹拂：停止通HCl，调节氢气流量至45mL/min，吹拂3分钟；
s再生长：设置与步骤a一致的气体流量、温度和压力，继续生长外延层至180μm。
表面粗糙度测试
用原子力显微镜对本发明的实施例1-5制备的碳化硅外延片粗糙度进行了测试，测试结果如图3-7所示，和传统方法制备的外延片相比表面无台阶聚集现象，表面粗糙度均方根均在0.9nm以内。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，包括以下步骤：
1)在线刻蚀衬底：放置偏角<8°的碳化硅衬底于反应室内，抽真空，分别以40～80L/min和5～10L/min的流量通入H2和HCl，于20-60mbar压力和1510～1710℃温度下刻蚀5～20min；
2)缓冲层的生长：停止通入HCl，分别以6～10mL/min、3～5mL/min和1500～1800mL/min的流量通入生长硅源、生长碳源和三甲基铝TMA掺杂剂，于1500～1680℃温度和20～100mbar压力下生长0.2～5μm厚的缓冲层；
3)外延层的生长
a生长：分别以40～80L/min、10～40mL/min、5～20mL/min和800～1500mL/min的流量通入H2、生长硅源、生长碳源和TMA掺杂剂，于1500～1680℃温度和20～100mbar压力下生长5～50μm厚的外延层；
b刻蚀：分别停止通入硅源、碳源和TMA，于1510～1710℃下维持2～5min；以5～10L/min流量通入HCl，刻蚀2～5min；
c吹拂：停止通HCl后，以45～90mL/min的流量吹H2 2～10min；
d再生长：重复步骤a生长外延层至5～200μm。
2.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述碳化硅衬底的偏角为2°。
3.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述碳化硅衬底的偏角为4°。
4.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述衬底材料是4H-SiC或6H-SiC。
5.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述生长硅源为SiH4或SiHCl3，生长碳源为C2H4或C3H8。
6.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于重复所述步骤3)中的b至d步骤。
7.根据权利要求6所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述重复的次数为0～30次。
8.根据权利要求6所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述重复的次数为0～10次。
9.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述外延层的生长厚度为5～30μm。
10.根据权利要求1所述的P型低偏角碳化硅外延片的制备方法，其特征在于所述外延层的生长厚度为30～200μm。
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