CN105006425A - 一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无台阶聚集低偏角碳化硅(SiC)外延生长方法。该方法采用低压化学气相沉积技术(LPCVD)生长渐变缓冲层和外延层，包括以下步骤：氢气刻蚀4H-SiC衬底，通入C2H4、SiH4和掺杂气体生长缓冲层，再调节生长气体和掺杂气体流量进行外延生长。本发明提供的技术方案制备的低偏角SiC外延材料表面光亮、电阻率均匀且无台阶聚集，适用于半导体功率电子电力器件，显著提高了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽禁带半导体外延材料的制备方法，具体涉及一种碳化硅同质外延材料的制备方法。
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。因此，设计和制作基于同质SiC的材料和器件具有重要现实意义。
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外延角度讲，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，人们越来越关注低角度(＜2°)偏晶向衬底上SiC的外延生长，本发明人经大量研究发现，碳化硅低角度(＜2°)外延生长的表面粗糙度难以控制，台阶聚集会大大恶化外延片的表面形貌，从而降低器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无台阶聚集低偏角(<2°)4H-SiC衬底上同质外延生长4H-SiC外延层的方法，得到表面质量良好、无台阶聚集低偏角碳化硅外延片。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，该方法包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：向减压下的、放置有净化处理的低偏角4H-SiC衬底的CVD设备中，以5～20L/min流量通入H2至压力为6～80Torr，调节H2流量为2～40L/min，于1300～1500℃下，H2原位刻蚀衬底2～50min；
2)生长渐变缓冲层：于1400～1600℃温度和40mTorr～100Torr压力下，分别通入流量为8～60mL/min、1～10mL/min、1～20mL/min和3～15mL/min的HCl、C2H4、SiH4和掺杂气体10～80min，生长渐变缓冲层至0.5-6μm；
3)生长外延层：分别将SiH4和C2H4的流量调节为10～80mL/min和5～50mL/min生长外延层。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第一优选技术方案，步骤1所述减压下的设备压力＜10-4Torr。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第二优选技术方案，步骤1所述的4H-SiC衬底的净化步骤中，按RCA标准清洗工艺，用清洗液硫酸、氨水、盐酸、双氧水、氢氟酸、无水乙醇或去离子水。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第三优选技术方案，步骤1所述4H-SiC衬底的偏角＜2°。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第四优选技术方案，步骤1所述CVD设备为垂直热壁低压CVD系统。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第五优选技术方案，步骤2中所述掺杂气体为N2或三甲基铝，其流量每5min减少1-5mL/min。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第六优选技术方案，步骤2中所述渐变缓冲层的掺杂浓度沿衬底的法线方向线性递减。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第七优选技术方案，控制步骤2和步骤3中所述的SiH4和C2H4流量使C/Si的摩尔比为0.6～2。
所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法的第八优选技术方案，所述外延层的生长时间大于缓冲层的2倍。
与最接近的现有技术比，本发明方法具有如下有益效果：
1)本发明提供的这种低偏角(＜2°)4H-SiC衬底上同质外延生长外延层的方法，通过使用低生长压强，高生长温度，纯氢原位刻蚀和添加HCl的方法，避免了外延层台阶聚集，可获得光亮的4H-SiC外延层。
2)缓冲层是一个掺杂浓度线性渐变层，在衬底和外延层之间引入一个缓变过渡层，有利于承受更高的功率密度；
3)本发明能制备出表面光亮，掺杂均匀，无台阶聚集的SiC外延材料，适用于制作半导体功率电子器件。
附图说明
图1：本发明的结构示意图，其中1是低偏角SiC衬底、2是渐变缓冲层、3是外延层。
具体实施方式
实施例1
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：清洗低偏角4H-SiC衬底并放于低压CVD设备的生长室，抽真空至10-5Torr，设定压力10torr，通入5L/min的H2，压力恒定后，调节H2流量为10L/min，于1350℃下，H2原位刻蚀衬底5min；
2)生长渐变缓冲层：于1450℃温度和40mTorr压力下，通入流量分别为10mL/min、2mL/min、6mL/min和3mL/min的HCl、C2H4、SiH4和N2，N2流量每5min减少1mL/min，生长渐变缓冲层20min至1μm；
3)生长外延层：调节SiH4和C2H4流量分别为10mL/min和5mL/min，生长SiC外延层50min，关闭C2H4、SiH4、N2、和HCl，停止加热，冷却。
实施例2
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：清洗低偏角4H-SiC衬底并放于低压CVD设备的生长室，抽真空至2×10-5Torr，设定压力30Torr，通入10L/min的H2，压力恒定后，调节H2流量为20L/min，于1300℃下，H2原位刻蚀衬底30min；
2)生长渐变缓冲层：于1500℃温度和10Torr压力下，通入流量分别为20mL/min、4mL/min、10mL/min和5mL/min的HCl、C2H4、SiH4和N2，N2流量每5min减少1mL/min，生长渐变缓冲层50min至3μm；
3)生长外延层：调节SiH4和C2H4流量分别为20mL/min和40mL/min，生长SiC外延层80min，关闭C2H4、SiH4、N2和HCl，停止加热，冷却。
实施例3
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：清洗低偏角4H-SiC衬底并放于低压CVD设备的生长室，抽真空至2×10-5Torr，设定压力30Torr，通入20L/min的H2，压力恒定后，调节H2流量为40L/min，于1500℃下，H2原位刻蚀衬底40min；
2)生长渐变缓冲层：于1600℃温度和50Torr压力下，通入流量分别为50mL/min、10mL/min、20mL/min和15mL/min的HCl、C2H4、SiH4和N2，N2流量每5min减少3mL/min，生长渐变缓冲层60min至5μm；
3)生长外延层：调节SiH4和C2H4流量分别为80mL/min和50mL/min，生长SiC外延层200min，关闭C2H4、SiH4、N2、和HCl，停止加热，冷却。
实施例4
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：清洗低偏角4H-SiC衬底并放于低压CVD设备的生长室，抽真空至10-5Torr，设定压力20Torr，通入10L/min的H2，压力恒定后，调节H2流量为20L/min，于1350℃下，H2原位刻蚀衬底40min；
2)生长渐变缓冲层：于1400℃温度和20Torr压力下，通入流量分别为20mL/min、8mL/min、20mL/min和10mL/min的HCl、C2H4、SiH4和三甲基铝，三甲基铝流量每5min减少2mL/min，生长渐变缓冲层30min至2μm；
3)生长外延层：调节SiH4和C2H4流量分别为50mL/min和20mL/min，生长SiC外延层150min，关闭C2H4、SiH4、三甲基铝和HCl，停止加热，冷却。
实施例5
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：清洗低偏角4H-SiC衬底并放于低压CVD设备的生长室，抽真空至小于3×10-5Torr，设定压力20Torr，通入20L/min的H2，压力恒定后，调节H2流量为10L/min，于1500℃下，H2原位刻蚀衬底50min；
2)生长渐变缓冲层：于1550℃温度和60Torr压力下，通入流量分别为50mL/min、10mL/min、12mL/min和10mL/min的HCl、C2H4、SiH4和三甲基铝，三甲基铝流量每5min减少4mL/min，生长渐变缓冲层20min至2μm；
3)生长外延层：调节SiH4和C2H4流量分别为40mL/min和20mL/min，生长SiC外延层150min，关闭C2H4、SiH4、三甲基铝和HCl，停止加热，冷却。
实施例6
一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：清洗低偏角4H-SiC衬底并放于低压CVD设备的生长室，抽真空至10-5Torr，设定压力10Torr，通入15L/min的H2，压力恒定后，调节H2流量为20L/min，于1400℃下，H2原位刻蚀衬底10min；
2)生长渐变缓冲层：于1500℃温度和50Torr压力下，通入流量分别为40mL/min、5mL/min、15mL/min和8mL/min的HCl、C2H4、SiH4和三甲基铝，三甲基铝流量每5min减少3mL/min，生长渐变缓冲层60min至4μm；
3)生长外延层：调节SiH4和C2H4流量分别为50mL/min和20mL/min，生长SiC外延层300min，关闭C2H4、SiH4、三甲基铝和HCl，停止加热，冷却。
尽管基于一些优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该知晓，本发明的范围并不局限于那些实施例。在不脱离本发明的精神和实质的情况下，本领域的普通技术人员在理解本发明的基础上能够对实施例进行各种变化和修改，并且因此落入本发明所附权利要求限定和保护范围。
Claims (9)
1.一种无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，该方法包括以下步骤：
1)刻蚀衬底：向减压下的、放置有净化处理的低偏角4H-SiC衬底的CVD设备中，以5～20L/min流量通入H2至压力为6～80Torr，调节H2流量为2～40L/min，于1300～1500℃下，H2原位刻蚀衬底2～50min；
2)生长渐变缓冲层：于1400～1600℃温度和40mTorr～100Torr压力下，分别通入流量为8～60mL/min、1～10mL/min、1～20mL/min和3～15mL/min的HCl、C2H4、SiH4和掺杂气体10～80min，生长渐变缓冲层至0.5-6μm；
3)生长外延层：分别将SiH4和C2H4的流量调节为10～80mL/min和5～50mL/min生长外延层。
2.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于步骤1所述减压下的设备压力＜10-4Torr。
3.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于步骤1所述的4H-SiC衬底的净化步骤中，按RCA标准清洗工艺，用清洗液硫酸、氨水、盐酸、双氧水、氢氟酸、无水乙醇或去离子水。
4.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于步骤1所述4H-SiC衬底的偏角＜2°。
5.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于步骤1所述CVD设备为垂直热壁低压CVD系统。
6.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于步骤2中所述掺杂气体为N2或三甲基铝，其流量每5min减少1-5mL/min。
7.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于步骤2中所述渐变缓冲层的掺杂浓度沿衬底的法线方向线性递减。
8.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于控制步骤2和步骤3中所述的SiH4和C2H4流量使C/Si的摩尔比为0.6～2。
9.根据权利要求1所述无台阶聚集低偏角碳化硅外延生长方法，其特征在于所述外延层的生长时间大于缓冲层的2倍。
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