CN110117814A - 具有低密度c空位缺陷的碳化硅外延的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法。该方法包括:将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中,并将反应室抽成真空;向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流,在第一氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温;在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀;将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后,向反应室通入C3H8、SiH4,在碳化硅衬底上生长外延层,外延层包括第一外延层、第二外延层、……、第N外延层;在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底;在第四恒压下、在第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底;在第四恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底,得到碳化硅外延片。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域,特别涉及一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法。
背景技术
作为第三代半导体材料,碳化硅(Silicon Carbide,简记为SiC)具有许多优良的特性,如宽禁带、高热导率、高饱和漂移速率等,是制备高温、高频、高功率电子器件的理想材料之一。碳化硅功率器件的制备需要高质量的SiC外延材料。然而,在当前的生长技术条件下,高质量的SiC外延材料中仍然普遍存在着本征缺陷C空位(简记为VC)。这些本征缺陷作为载流子陷阱或符合中心,会严重影响双极器件的在正向电压下的电学特性。目前,主要采用热氧化处理和C离子注入并退火处理的方法来降低4H-SiC材料中的C空位缺陷。然而,研究发现经过热氧化或C离子注入后的4H-SiC材料中存在新的深能级缺陷,分别为HK0(Ec+0.79eV)和HK2(Ec+0.98eV),上述缺陷仍然会对载流子寿命产生很大的影响,从而影响碳化硅双极器件的特性。同时,上述热氧化处理和C离子注入并退火处理的方法对后续器件制备工艺影响较大,存在工艺兼容性差的问题。
发明内容
因此,为解决现有技术存在的技术缺陷和不足,本发明提出一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法。
具体地,本发明实施例提出的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法,包括:
将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中,并将反应室抽成真空;
向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流,在第一氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温;
在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀;
将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后,向反应室通入C3H8、SiH4,在碳化硅衬底上生长外延层,外延层包括第一外延层、第二外延层、……、第N外延层;
在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底;
在第四恒压下、在所述第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底;
在第四恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底,得到碳化硅外延片。
在本发明的一个实施例中,将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后,向反应室通入C3H8、SiH4,在碳化硅衬底上生长外延层的步骤包括:
a1、将反应室加热至第二恒温后保持恒定;
a2、将反应室气压调节至第二恒压后保持恒定;
a3、向反应室通入具有第四恒定流量的C3H8气流和具有第五恒定流量的SiH气流4,使C3H8气流和所述C3H8气流与第一氢气流混合进入反应室,在碳化硅衬底上生长第一外延层,第一外延层生长时长到达后,停止通入C3H8气流和SiH4气流,第一外延层生长结束;
a4、将反应室加热至第三恒温并使其在第三恒温保持第一时长,再将反应室温度在第二时长内降低至第二恒温;
循环步骤a3~a4,在碳化硅衬底上依次生长出第二外延层、第三外延层、……、第N外延层,生长终止。
在本发明的一个实施例中,第三恒温的范围为1630℃~1650℃。
在本发明的一个实施例中,第一时长的范围为1min~10min。
在本发明的一个实施例中,第二恒压的范围为20mbar~80mbar。
在本发明的一个实施例中,第二恒压为40mbar。
在本发明的一个实施例中,第二恒压为60mbar。
在本发明的一个实施例中,第一外延层、第二外延层、……、第N外延层中任一个的生长时长为3min~5min。
本发明提供的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法,采用现有的SiH4-C3H8-H2生长系统,无需对设备进行改造,通过改进生产工艺流程便可实现具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的生长,工艺简单,与后续器件制备工艺相兼容、适用于工业生产;采用脉冲式生长方法,降低了碳化硅外延材料中C空位缺陷密度的同时,不会引入新的表面缺陷,从而提高了碳化硅外延层的质量。
通过以下参考附图的详细说明,本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道,该附图仅仅为解释的目的设计,而不是作为本发明的范围的限定,这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道,除非另外指出,不必要依比例绘制附图,它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
参见图1,图1为本发明实施例提供的一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法示意图。
101、将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中,并将反应室抽成真空。CVD表示化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)。该步骤具体包括:
101a、选择碳化硅衬底;
在本发明的一个实施例中,选取偏向[1120]晶向4°的4H碳化硅衬底;
在本发明的另一个实施例中,选取偏向[1120]晶向8°的4H碳化硅衬底;
101b、将反应室抽成真空,具体为使反应室气压低于1×10-7mbar。
102、向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流,在第一恒定氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温。具体包括:
102a、向反应室中持续通入第一氢气流,并控制第一氢气流流量,使其逐渐增大到第一恒定流量值后保持恒定。第一恒定流量的范围为60L/min~65L/min。
在本发明的一个实施例中,第一恒定流量优选方案采用60L/min。
在本发明的另一个实施例中,第一恒定流量优选方案采用64L/min。
102b、在通入氢气流过程中,同时利用真空泵以恒定流量抽取反应室中部分气体,使反应室气压保持在第一恒压,如此在反应室中形成恒定氢气流量及恒定气压。
在本发明的一个实施例中,第一恒压为100mbar。
102c、在以上步骤形成的恒定状态下对反应室进行加热。加热时,逐渐调大加热源功率,使反应室温度缓慢升高,直到温度达到第一恒温。
在本发明的一个实施例中,对反应室进行加热的加热源采用高频线圈感应加热器RF,使反应室温度达到的第一恒温为1400℃。
103、在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀。
在本发明的一个实施例中,对碳化硅衬底进行原位刻蚀的时长为10min。
104、将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后,向反应室通入C3H8、SiH4,在碳化硅衬底上生长外延层,外延层包括第一外延层、第二外延层、……、第N外延层。步骤104具体包括:
104a、将反应室加热至第二恒温后保持恒定;
在本发明的一个实施例中,采用高频线圈感应加热器RF对反应室进行加热,第二恒温的范围为1580℃~1600℃,优选方案采用1580℃。
104b、将反应室气压调节至第二恒压后保持恒定。第二恒压的范围在20mbar~80mbar。
在本发明的一个实施例中,第二恒压为40mbar。
在本发明的另一个实施例中,第二恒压为60mbar。
104c、向反应室通入具有第四恒定流量的C3H8气流和具有第五恒定流量的SiH4气流,使其与第一氢气流混合进入反应室,在碳化硅衬底上生长第一外延层。第一外延层生长时长到达后,停止通入C3H8气流和SiH4气流,第一外延层生长结束。其中,第四恒定流量和第五恒定流量的大小,以及外延层的生长时长均根据生长需要进行设置。
在本发明的一个实施例中,第四恒定流量为16.6mL/min;第五恒定流量为50mL/min。第一外延层的生长时长为3min~5min。
104d、将反应室加热至第三恒温并使其在第三恒温保持第一时长,再将反应室温度在第二时长内缓慢降低至第二恒温。
在本发明的一个实施例中,采用高频线圈感应加热器RF对反应室加热,第三恒温的范围为1630℃-1650℃,优选方案采用1630℃;反应室在第三恒温保持的第一时长的范围为1min~10min,优选方案为10min;反应室温度缓慢降低至第二恒温所用第二时长为5min。
循环以上步骤104c~104d,在碳化硅衬底上依次生长出第二外延层、第三外延层、……、第N外延层,直到N个外延层的总厚度达到规定要求,停止进行外延层的生长。
本发明实施例中,采用脉冲式生长方法,即将外延层的生长分多层进行,每一层生长结束后,将其在较高的温度条件下稳定一段时间,如此使C原子在碳化硅衬底上进行充分扩散,有效降低了C空位缺陷的形成,同时不会引入新的表面缺陷。
105、在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底。
在本发明的一个实施例中,设置第二恒定流量为20L/min;调节反应室气压到第三恒压为100mbar;长有外延层的碳化硅衬底的冷却时长为25min。
106、在第四恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底。
在本发明的一个实施例中,将反应室气压升高至第四恒压为700mbar。
107、在第四恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底,得到碳化硅外延片。具体包括:
107a、降低反应室温度到第四恒温时,停止通入第二氢气流。
在本发明的一个实施例中,第四恒温为700℃。
107b、将反应室内抽真空,直到气压低于1×10-7mbar。
107c、向反应室通入具有第三恒定流量的氩气流,将长有外延层的碳化硅衬底在氩气环境下继续冷却。
在本发明的一个实施例中,第三恒定流量为12L/min;碳化硅衬底在氩气流中的冷却时长为30min。
107d、缓慢升高反应室内气压到常压,将长有外延层的碳化硅衬底自然冷却至室温,得到碳化硅外延片。
108、从反应室中取出碳化硅外延片。
承上述,本发明提供的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法,采用现有的SiH4-C3H8-H2生长系统,无需对设备进行改造,通过改进生产工艺流程便可实现具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的生长,工艺简单,与后续器件制备工艺相兼容、适用于工业生产;采用脉冲式生长方法,降低了碳化硅外延材料中C空位缺陷密度的同时,不会引入新的表面缺陷,从而提高了碳化硅外延层的质量。
综上所述,本文中应用了具体个例对本发明具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (8)
1.一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法,其特征在于,包括:
将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中,并将反应室抽成真空;
向所述反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流,在所述第一氢气流及第一恒压下对所述反应室加热至第一恒温;
在第一恒温下对放置于所述反应室中的所述碳化硅衬底进行原位刻蚀;
将所述反应室加热至第二恒温并将所述反应室气压调节至第二恒压后,向所述反应室通入C3H8、SiH4,在所述碳化硅衬底上生长外延层,所述外延层包括第一外延层、第二外延层、……、第N外延层;
在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有所述外延层的所述碳化硅衬底;
在第四恒压下、在所述第二氢气流中冷却长有所述外延层的所述碳化硅衬底;
在第四恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有所述外延层的所述碳化硅衬底,得到碳化硅外延片。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述将所述反应室加热至第二恒温并将所述反应室气压调节至第二恒压后,向所述反应室通入C3H8、SiH4,在所述碳化硅衬底上生长外延层的步骤包括:
a1、将所述反应室加热至第二恒温后保持恒定;
a2、将所述反应室气压调节至第二恒压后保持恒定;
a3、向所述反应室通入具有第四恒定流量的C3H8气流和具有第五恒定流量的SiH4气流,使所述C3H8气流和所述C3H8气流与所述第一氢气流混合进入所述反应室,在所述碳化硅衬底上生长第一外延层,所述第一外延层生长时长到达后,停止通入所述C3H8气流和所述SiH4气流,所述第一外延层生长结束;
a4、将所述反应室加热至第三恒温并在所述第三恒温保持第一时长,再将所述反应室温度在第二时长内降低至所述第二恒温;
循环步骤a3~a4,在所述碳化硅衬底上依次生长出第二外延层、第三外延层、……、第N外延层,生长终止。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述第三恒温的范围为1630℃~1650℃。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述第一时长的范围为1min~10min。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二恒压的范围为20mbar~80mbar。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述第二恒压为40mbar。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述第二恒压为60mbar。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第一外延层、第二外延层、……、第N外延层中任一个的生长时长为3min~5min。
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