CN107829135A - 一种高质量碳化硅外延生长工艺 - Google Patents

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冯淦
赵建辉
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/183—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being provided with a buffer layer, e.g. a lattice matching layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明公开了一种高质量碳化硅外延生长工艺，通过化学气相沉积工艺于碳化硅衬底上依次同质生长若干个碳化硅缓冲层，于最上一缓冲层上生长碳化硅外延层；其中由下至上各缓冲层的生长速度阶梯式递增，且最上一缓冲层的生长速度不高于所述外延层的生长速度。通过对生长速度的阶梯式控制生长形成多层的缓冲层，多层缓冲层之间的短暂生长中断所形成的多个界面依次降低缺陷的传播，从而阻断了衬底的缺陷向外延层的延伸传播，降低了外延层中的缺陷数量，提高了外延质量，基于所述外延晶片制造的功能器件其特性及成品率提高。

Description

一种高质量碳化硅外延生长工艺
技术领域
本发明涉及半导体制造技术，特别是涉及一种高质量碳化硅外延生长工艺。
背景技术
碳化硅半导体具有大禁带宽度、优良的稳定性、高热导率、高临界击穿场强、高饱和电子漂移速度等优良特性，是制作高温、高频、大功率和强辐射电力电子器件的理想半导体材料。与传统的硅器件相比，碳化硅器件能够在10倍于硅器件的电场强度下正常工作。用于制作碳化硅器件的碳化硅材料通常是生长在碳化硅衬底上的碳化硅外延晶片。
目前碳化硅外延生长已经实现了商业化，通常采用CVD(化学气相沉积)的方法在4H-SiC衬底上进行同质外延生长，通常的生长工艺为采用固定速度的生长条件分别生长一定厚度的高浓度的缓冲层和低浓度的外延层。缓冲层的作用是在衬底和外延层之间实现过度，改善外延层质量。
然而上述外延工艺，由于外延生长全程只有衬底和缓冲层、缓冲层与外延层共两个界面，而碳化硅衬底中存在较多的位错缺陷，如穿透螺位错缺陷、穿透刃位错缺陷和基面层错缺陷等，由于碳化硅外延生长为同质外延生长，上述两个界面无法完全消除衬底中缺陷向外延层的传播，因此衬底中的位错缺陷会随着生长延伸到外延层，外延层中仍然有一定数量的缺陷，导致外延质量降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足，提供了一种高质量碳化硅外延生长工艺以降低衬底中的缺陷向外延层的传播。
本发明的技术方案为：
一种高质量碳化硅外延生长工艺，是通过化学气相沉积工艺于碳化硅衬底上依次同质生长若干个碳化硅缓冲层，于最上一缓冲层上生长碳化硅外延层；其中由下至上各缓冲层的生长速度阶梯式递增，且最上一缓冲层的生长速度不高于所述外延层的生长速度。
可选的，最下缓冲层的生长速度不低于5μm/h，所述外延层的生长速度不高于100μm/h，且相邻缓冲层递增的幅度为5～15μm/h。
可选的，所述缓冲层的层数为Y，且0≤Y-X/5+1＜1，其中X为所述外延层的生长速度，Y为整数。
可选的，所述若干个缓冲层的总厚度为1～3μm。
可选的，所述各缓冲层的厚度相同。
可选的，所述碳化硅为n型掺杂的碳化硅，所述衬底及各个缓冲层的掺杂浓度分别为1×1018～3×1018个原子/cm3，所述外延层的掺杂浓度为1×1015～1×1017个原子/cm3。
本发明的有益效果为：
通过对生长速度的阶梯式控制生长形成多层的缓冲层，多层缓冲层之间的短暂生长中断所形成的多个界面依次降低缺陷的传播，从而阻断了衬底的缺陷向外延层的延伸传播，降低了外延层中的缺陷数量，提高了外延质量，基于所述外延晶片制造的功能器件其特性及成品率提高。
本发明的生长工艺可利用现有常规生产装置，控制简单，可控性强，重现性高，适于化学气相沉积工艺制造碳化硅晶片的实际生产应用。
附图说明
图1是本发明的外延生长结构示意图；
图2是实施例1(左图)与对比实施例(右图)的外延片表面缺陷mapping图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步具体的说明。
本发明的高质量碳化硅外延生长工艺是通过化学气相沉积工艺于碳化硅衬底上依次同质生长若干个碳化硅缓冲层，于最上一缓冲层上生长碳化硅外延层；其中由下至上各缓冲层的生长速度阶梯式递增，且最上一缓冲层的生长速度不高于所述外延层的生长速度。
本发明的碳化硅外延生长的化学气相沉积工艺(CVD)，是向生长炉中导入TCS和C2H4以及提供N掺杂的氮源气体，在合适的温度下进行N型掺杂的SiC缓冲层及外延层的同质生长。具体，所述SiC衬底的掺杂浓度为1×1018～3×1018个原子/cm3，所述各缓冲层的掺杂浓度为1×1018～3×1018个原子/cm3，优选为两者相同；所述外延层的掺杂浓度为1×1015～1×1017个原子/cm3。
最下缓冲层的生长速度不低于5μm/h，所述外延层的生长速度不高于100μm/h，且相邻缓冲层递增的幅度为5～15μm/h。生长速度的变化可以通过改变生长源气TCS和C2H4的流量来进行调控。由于生长速度不是连续的，导致源气的变化也是不连续的，实现这个过程需要源气的暂时中断。所以在两个生长速度不同的缓冲层之间，存在着暂时的生长中断，进而形成生长界面。通过层与层之间的界面中断，依次降低缺陷——尤其是位错缺陷的传播延伸，从而降低了缺陷从衬底延伸至外延层的生长，减少了外延层的缺陷。
进一步，所述缓冲层的层数为Y，则0≤Y-X/5+1＜1，其中X为预定外延层的生长速度，Y为整数。过多的缓冲层会导致层与层间的差异减小，缺陷容易跨过而继续延伸，效果不佳；而过少的缓冲层则会导致层与层之间的差异增大而在层间界面产生新的缺陷。优化的缓冲层数目可以达到阻断原有缺陷传播而避免新缺陷产生的效果。
所述若干个缓冲层的总厚度为1～3μm，其中各缓冲层的厚度优选为相同。若干个缓冲层的总厚度与常规单层缓冲层厚度一致，无需额外增加厚度即可以达到提高外延质量的效果，符合当前电子器件轻薄化的发展趋势。
实施例1
提供一氮掺杂浓度为1×1018个原子/cm3的SiC衬底，通过CVD生长2层的氮掺杂浓度为1×1018个原子/cm3的缓冲层，其中：第一层的生长速度为5μm/h，厚度为0.5μm；第二层的生长速度为10μm/h，厚度为0.5μm。然后于最上一缓冲层上生长氮掺杂浓度为1×1016个原子/cm3的外延层，外延层的生长速度为15μm/h，厚度为10μm。作为对比实施例，另外提供一个上述SiC衬底以生长速度为5μm/h连续生长厚度为10μm的单一缓冲层然后生长外延层，其余控制条件均相同。检测实施例1和对比实施例的外延片的缺陷分布情况，见图1，可见缺陷明显减少，提高了外延质量。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种高质量碳化硅外延生长工艺，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高质量碳化硅外延生长工艺，其特征在于：通过化学气相沉积工艺于碳化硅衬底上依次同质生长若干个碳化硅缓冲层，于最上一缓冲层上生长碳化硅外延层；其中由下至上各缓冲层的生长速度阶梯式递增，且最上一缓冲层的生长速度不高于所述外延层的生长速度。
2.根据权利要求1所述的高质量碳化硅外延生长工艺，其特征在于：最下缓冲层的生长速度不低于5μm/h，所述外延层的生长速度不高于100μm/h，且相邻缓冲层递增的幅度为5～15μm/h。
3.根据权利要求1或2所述的高质量碳化硅外延生长工艺，其特征在于：所述缓冲层的层数为Y，且0≤Y-X/5+1＜1，其中X为所述外延层的生长速度，Y为整数。
4.根据权利要求1所述的高质量碳化硅外延生长工艺，其特征在于：所述若干个缓冲层的总厚度为1～3μm。
5.根据权利要求1或4所述的高质量碳化硅外延生长工艺，其特征在于：所述各缓冲层的厚度相同。
6.根据权利要求1所述的高质量碳化硅外延生长工艺，其特征在于：所述碳化硅为n型掺杂的碳化硅，所述衬底及各个缓冲层的掺杂浓度分别为1×1018～3×1018个原子/cm3，所述外延层的掺杂浓度为1×1015～1×1017个原子/cm3。
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