CN105369217A - 一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，该方法包括：(1)将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，将H2流量逐渐增至60L/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，当反应室温度升高逐渐至1400℃进行原位刻蚀；(4)当反应室温度到达到1580℃-1600℃时，保持温度和压强恒定，设置Al源流量，向反应室通入C3H8和SiH4，通过渐变调节通入反应室中Al源的流量生长P型缓变掺杂碳化硅薄膜外延层。本发明的方法利用碳化硅的CVD设备，制备出纵向掺杂浓度梯度可控的碳化硅外延层，满足了制备梯度低掺杂外延层的要求。

Description

一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件制造技术领域，具体涉及一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法。
背景技术
碳化硅具有宽带隙、高导热率、高击穿强度、高电子饱和漂移速度、高的硬度等优点，也有着很强的化学稳定性。这些优良的物理和电学性能使碳化硅在应用上具有很多优势。禁带宽使得碳化硅本征载流子在高温下仍能保持较低的浓度，因而能工作在很高的温度下。高击穿场强使碳化硅可以承受高电场强度，这使得碳化硅可以用于制作高压，高功率的半导体器件。高热导率使碳化硅具有良好的散热性，有助于提高器件的功率密度和集成度、减少附属冷却设施，从而使系统的体积和重量大大地降低、效率则大大地提高，这对于开发空间领域的电子器件极具优势。碳化硅的饱和电子迁移速度很高，这一特性也使它可以用于射频或者微波器件，从而提高器件工作速度。
碳化硅材料的载流子浓度是材料和器件的基本电学参数。这一参数通过材料掺杂控制来实现。因此，碳化硅外延材料的掺杂是器件制备中的关键工艺之一。然而，由于碳化硅的键强度高，器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制掺杂和高温离子注入掺杂。高温离子注入会造成大量晶格损伤，形成大量晶格缺陷，即使退火也很难完全消除，严重影响了器件的性能，且离子注入效率很低，因而不适合做大面积掺杂。同时，在制备一些多层结构的半导体器件时，需要外延层纵向掺杂浓度的梯度可控。只有通过合理调整生长参数，生长出掺杂达到预定要求的外延层，才能制作出性能符合要求的器件，因而碳化硅外延层的梯度掺杂控制是目前器件制造中的一个很大的难点。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种P型缓变掺杂掺杂碳化硅外延层的制备方法，利用碳化硅的CVD设备，制备出纵向掺杂浓度梯度可控的碳化硅外延层，满足了制备梯度低掺杂外延层的要求。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，其改进之处在于，所述制备方法包括下述步骤：
步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅化学气相沉积设备(CVD设备，是一种外延薄膜的设备)的反应室中，将反应室抽成真空；
步骤二，在氢气流中加热反应室；
步骤三，对碳化硅衬底进行原位刻蚀；
步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层，包括下述步骤：
(4.1)当反应室温度达到1580℃-1600℃时，保持反应室温度和压强恒定；
(4.2)将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min-15ml/min氢气通入鼓泡器中，使氢气携带三甲基铝通入反应室中；
(4.3)打开C3H8、SiH4和三甲基铝开关，流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为8.9mL/min的三甲基铝，生长p型缓变掺杂碳化硅薄膜外延层6min，在此其间，三甲基铝流量由8.9mL/min逐渐减小到4mL/min；
步骤五，在氢气流中冷却碳化硅衬底；
步骤六，在氩气中冷却碳化硅衬底。
进一步地，所述步骤一包括下述步骤：
(1.1)选取偏向晶向4°或8°(偏向晶向4°或8°指的是在0001方向上往11-20方向偏离4°或8°)的4H碳化硅衬底，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。
进一步地，所述步骤二包括下述步骤：
(2.1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到60L/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(mbar＝毫巴＝1bar*0.001＝100000pa*0.001＝100pa)；
(2.3)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高。
进一步地，所述步骤三包括：
打开高频线圈感应射频加热器，逐渐增大射频加热器的功率，当反应室温度升高逐渐至1400℃以后，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀；或
打开高频线圈感应射频加热器，逐渐增大射频加热器的功率，当反应室温度升高逐渐至1400℃以后，向反应室中通入流量为7mL/min的C3H8，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀。
进一步地，所述步骤五包括下述步骤：
(5.1)当p型低掺缓变外延层生长结束后，关闭C3H8、SiH4和三甲基铝的开关，停止生长；
(5.2)设置通向反应室的氢气流量为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。
进一步地，所述步骤六包括下述步骤：
(6.1)当反应室温度降低到700℃以下，关闭通向反应室的氢气开关；
(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的氩气，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。
本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1.本发明采用三甲基铝作为掺杂源，掺入的铝原子能有效的替换碳化硅材料中硅原子，形成替位杂质，相对于离子注入工艺，制备的重掺杂碳化硅材料晶格完整，缺陷少，有利于提高器件性能。
2.本发明采用碳化硅的CVD外延设备，在碳化硅衬底或已有外延层的碳化衬底进行外延，通过生长参数控制纵向掺杂浓度，可生长具有缓变掺杂浓度的外延层，使器件的制备工艺简化。
附图说明
图1是本发明提供的基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
以下参照附图1，对本发明的技术方案作进一步详细描述，以下给出两种实施例。
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)选取偏向晶向4°(偏向晶向4°指的是在0001方向上往11-20方向偏离4°)的4H碳化硅衬底，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)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到60L/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)逐渐调大加热源功率，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1400℃以后，保持反应室温度恒定进行10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)当反应室温度达到1580℃下，保持反应室温度和压强恒定；
(4.2)将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min-15ml/min氢气通入鼓泡器中，使氢气携带三甲基铝通入反应室中；
(4.3)打开C3H8、SiH4和三甲基铝开关，流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为8.9mL/min的三甲基铝，生长p型低掺缓变外延层6min，在此其间，三甲基铝流量由8.9mL/min逐渐减小到4mL/min。
步骤五，在氢气流中冷却衬底。
(5.1)当p型低掺缓变外延层生长结束后，关闭C3H8、SiH4和三甲基铝的开关，停止生长；
(5.2)设置通向反应室的氢气流量为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，关闭通向反应室的氢气开关；
(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的氩气，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)选取偏向晶向8°(偏向晶向8°指的是在0001方向上往11-20方向偏离8°)的4H碳化硅衬底，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)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到60L/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)逐渐调大加热源功率，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1400℃以后，向反应室中通入流量为7mlL/min的C3H8，保持反应室温度恒定进行10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)当反应室温度达到1580℃下，保持反应室温度和压强恒定；
(4.2)将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min-15ml/min氢气通入鼓泡器中，使氢气携带三甲基铝通入反应室中；
(4.3)打开C3H8、SiH4和三甲基铝开关，流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为8.9mL/min的三甲基铝，生长p型低掺缓变外延层6min，在此其间，三甲基铝流量由8.9mL/min逐渐减小到4mL/min。
步骤五，在氢气流中冷却衬底。
(5.1)当p型低掺缓变外延层生长结束后，关闭C3H8、SiH4和三甲基铝的开关，停止生长；
(5.2)设置通向反应室的氢气流量为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，关闭通向反应室的氢气开关；
(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的氩气，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。
本发明采用碳化硅的CVD外延设备，在碳化硅衬底或已有外延层的碳化衬底进行外延，通过生长参数控制纵向掺杂浓度，可生长具有缓变掺杂浓度的外延层，使器件的制备工艺简化，满足了制备梯度低掺杂外延层的要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然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，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤：
步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅化学气相沉积设备的反应室中，将反应室抽成真空；
步骤二，在氢气流中加热反应室；
步骤三，对碳化硅衬底进行原位刻蚀；
步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层，包括下述步骤：
(4.1)当反应室温度达到1580℃-1600℃时，保持反应室温度和压强恒定；
(4.2)将液态三甲基铝放置于鼓泡器中用作掺杂源，将10ml/min-15ml/min的氢气通入鼓泡器中，使氢气携带三甲基铝通入反应室中；
(4.3)打开C3H8、SiH4和三甲基铝开关，流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为8.9mL/min的三甲基铝，生长p型缓变掺杂碳化硅薄膜外延层6min，在此其间，三甲基铝流量由8.9mL/min逐渐减小到4mL/min；
步骤五，在氢气流中冷却碳化硅衬底；
步骤六，在氩气中冷却碳化硅衬底。
2.如权利要求1所述的碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于，所述步骤一包括下述步骤：
(1.1)选取偏向晶向4°或8°的4H碳化硅衬底，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。
3.如权利要求1所述的碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于，所述步骤二包括下述步骤：
(2.1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到60L/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)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高。
4.如权利要求1所述的碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于，所述步骤三包括：
打开高频线圈感应射频加热器，逐渐增大射频加热器的功率，当反应室温度升高逐渐至1400℃以后，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀；或
打开高频线圈感应射频加热器，逐渐增大射频加热器的功率，当反应室温度升高逐渐至1400℃以后，向反应室中通入流量为7mL/min的C3H8，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀。
5.如权利要求1所述的碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于，所述步骤五包括下述步骤：
(5.1)当p型低掺缓变外延层生长结束后，关闭C3H8、SiH4和三甲基铝的开关，停止生长；
(5.2)设置通向反应室的氢气流量为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。
6.如权利要求1所述的碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于，所述步骤六包括下述步骤：
(6.1)当反应室温度降低到700℃以下，关闭通向反应室的氢气开关；
(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的氩气，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。
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