CN108878257A - 一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，通过外延生长前采用调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀处理碳化硅衬底，通过引入相对温和的氩气解决了纯氢气刻蚀导致衬底表面破坏大的问题，且温场与纯氢气刻蚀相比更加均匀，在有效处理衬底化学机械抛光引入的损伤层的同时，减少甚至消除了外延初期衬底表面的不稳定性，从而极大减少了由于衬底原因引伸到外延层中的表面缺陷，可以有效降低外延层中的表面缺陷密度。本发明方法工艺简单易行且兼容现有外延工艺，具有较高的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于半导体外延材料技术领域，尤其涉及一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法。
背景技术
第三代宽禁带半导体材料中，碳化硅(SiC)具有宽禁带、高击穿场强和高热导率等优异的物理性能和电学性能，使其在高温、高压和高频器件等领域具有十分广阔的应用前景。4H-SiC是SiC多型中性能最优异的材料，具有更大的带隙以及体电子迁移率，较小的各项异性，是研制电力电子器件的首选材料。
目前，SiC电力电子器件已被广泛用于混合动力汽车、电动汽车设备、SiC器件电源模块、SiC变频空调、SiC逆变器等领域。对比传统的硅器件，4H-SiC电力电子器件最大的优势就是能够高压、超高压工作，其研制需要高质量的碳化硅外延材料。目前 4H-SiC电力电子器件用外延材料主要采用化学气相沉积的方法在低偏角(主要是4°) 衬底上制备，随着关键技术的突破，可以在衬底上生长高质量的外延材料，工程化的 4H-SiC外延材料可以达到表面外延缺陷密度<1cm-2的水平。
在常规的SiC外延工艺中，在开始外延生长之前，一般都会对衬底进行原位高温氢气刻蚀处理，以提高外延片表面质量。尽管如此，常规工艺刻蚀处理后，外延后外延片表面仍然存在一定量的衬底引入的表面缺陷。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，包括步骤：
(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积设备内的基座上；
(2)设置反应室压力为80-150mbar，氢气流量为80-150L/min，升温至温度 1400-1500℃；
(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1-10分；
(4)保持反应室压力和氢气流量不变，向反应室通入氩气，Ar/H2流量比范围为0.5％-5.0％；
(5)保持反应室压力不变，继续升温至温度1550-1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低氢气流量至50-80L/min，同时采用线性缓变的方式提高氩气流量，Ar/H2流量比为10％-50％；
(6)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行氢氩混合气氛原位复合刻蚀1-10分钟；
(7)采用线性缓变的方式提高氢气流量，同时降低氩气流量至零，恢复反应室气氛为纯氢气；
(8)向反应室通入碳源、硅源和掺杂源，生长相应结构的碳化硅外延层；
(9)外延生长完成之后，关闭生长源和掺杂源，设置氢气流量为100～200slm，降温至装取片温度，而后氩气置换氢气并充填至大气压，取出碳化硅外延片。
进一步地，所述步骤(1)中，碳化硅衬底可以选取偏向<11-20>方向4°的3～8英寸碳化硅衬底。
进一步地，所述步骤(7)中，H2流量同步骤(2)设置，时间为2-10分钟。
进一步地，硅源为硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅，碳源为甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。
进一步地，采用多周期的调制氢氩混合气氛进行原位复合刻蚀处理碳化硅衬底。
有益效果：本发明的方法采用调制的氢氩混合气的复合刻蚀处理外延前衬底，有效降低了由于纯氢气刻蚀刻蚀速率高而导致对衬底的非故意损伤，同时结合氩气刻蚀温和、温场更加均匀的优点，实现了无损、均匀的原位刻蚀，达到了减少甚至消除衬底引入的表面缺陷的目的，可以有效降低外延层中的表面缺陷密度。采用本发明专利提供的外延方法简单易行，兼容于现有商业化碳化硅外延炉的基础工艺，具有极大的推广价值。
附图说明
图1是本发明调制氢氩混合气的复合刻蚀工艺示意图；
图2是碳化硅外延片表面缺陷分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，包括步骤：
(1)将清洗过的SiC衬底置于化学气相沉积(CVD)设备内的基座上，碳化硅衬底可以选取偏向<11-20>方向4°的3～8英寸碳化硅衬底；
(2)设置反应室压力为80-150mbar，氢气(H2)流量为80-150L/min，系统升温至温度1400-1500℃；
(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1-10分；
(4)保持压力和H2流量不变，向反应室通入小流量氩气(Ar)辅助刻蚀，形成低 Ar/H2比的混合气，初始Ar/H2流量比范围为0.5％-5.0％；
(5)保持反应室压力不变，继续升温至生长温度1550-1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低H2流量至50-80L/min，同时采用线性缓变的方式提高Ar流量使最终的Ar/H2流量比为10％-50％，形成高Ar/H2比的混合气进行调制Ar/H2混合气氛，开始对衬底表面进行调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀；
(6)达到生长温度后，保持温度和反应室压力不变，采用调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀继续对衬底进行原位刻蚀1-10分钟；
(7)而后采用线性缓变的方式提高H2流量，同时降低Ar流量至零，恢复反应室气氛为纯H2，H2流量同步骤二设置，该步骤时间为2-10分钟；
(8)纯H2气氛，向反应室通入碳源、硅源和掺杂源，生长相应结构的碳化硅外延层，具体流量和生长时间根据实际的外延速率及所需外延结构设定；硅源可以采用硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅等，碳源可以采用甲烷、乙烯、乙炔或丙烷等；
(9)外延生长完成之后，关闭生长源和掺杂源，设置氢气流量为100～200slm，降温至装取片温度，而后氩气置换氢气并充填至大气压，取出碳化硅外延片。
也可根据实际需要采用多个周期的调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀处理碳化硅衬底，以期达到更好的预处理效果。
如图2所示，碳化硅外延片表面缺陷分布图，可以看出采用本方法制备的碳化硅外延片表面缺陷密度为0.44cm-2，远小于常规工艺的<1cm-2的水平，表明采用本专利提供的方法，可以有效降低碳化硅外延表面缺陷密度。
本发明通过外延生长前在SiC衬底上进行调制的氢氩混合气的复合刻蚀处理，有效处理了衬底化学机械抛光引入的损伤层，并减少外延初期衬底表面的不稳定性，极大减少了由于衬底原因引伸到外延层中的表面缺陷，有效降低了外延层的表面缺陷密度。
Claims (5)
1.一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：包括步骤：
(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积设备内的基座上；
(2)设置反应室压力为80-150mbar，氢气流量为80-150L/min，升温至温度1400-1500℃；
(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1-10分；
(4)保持反应室压力和氢气流量不变，向反应室通入氩气，Ar/H2流量比范围为0.5％-5.0％；
(5)保持反应室压力不变，继续升温至温度1550-1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低氢气流量至50-80L/min，同时采用线性缓变的方式提高氩气流量，Ar/H2流量比为10％-50％；
(6)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行氢氩混合气氛原位复合刻蚀1-10分钟；
(7)采用线性缓变的方式提高氢气流量，同时降低氩气流量至零，恢复反应室气氛为纯氢气；
(8)向反应室通入碳源、硅源和掺杂源，生长相应结构的碳化硅外延层；
(9)外延生长完成之后，关闭生长源和掺杂源，设置氢气流量为100～200slm，降温至装取片温度，而后氩气置换氢气并充填至大气压，取出碳化硅外延片。
2.根据权利要求1所述的降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，碳化硅衬底可以选取偏向<11-20>方向4°的3～8英寸碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，H2流量同步骤(2)设置，时间为2-10分钟。
4.根据权利要求1所述的降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：硅源为硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅，碳源为甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。
5.根据权利要求1所述的降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：采用多周期的调制氢氩混合气氛进行原位复合刻蚀处理碳化硅衬底。
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