CN111005068A - 一种生长高表面质量超厚igbt结构碳化硅外延材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法。该方法首先生长高掺p型外延层，而后进行化学机械抛光（CMP）处理表面，再进行原位刻蚀进一步处理损伤层，然后生长超厚n型外延层。可在生长超厚n型外延层过程中，重复抛光、原位刻蚀和外延步骤一次或更多次，最终实现高表面质量的超厚IGBT结构外延生长。本发明方法可以解决生长100微米甚至200微米以上的IGBT结构外延材料的表面台阶聚束问题，大力推进SiC IGBT器件走向实际应用，具有较高的推广价值。

Description

一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法。
背景技术
能源革命对电网的安全性、可靠性、可控性和灵活性提出了更高要求，灵活交直流输电装置的广泛应用成为未来电网的发展趋势，高压高频全控型器件是柔性直流输电装备的核心。当前大功率高压高频全控型器件主要基于硅材料，以硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）为代表，最高电压可达6.5kV。SiC 器件具有高耐压、高可靠、低损耗等优越的电气特性，在智能电网领域拥有巨大的应用潜力。SiCIGBT 作为一种双极型全控开关器件，集成了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的高可控性和双极型结构的大电流导通能力这两方面的优点，SiC IGBT具有电导调制的优势，理论上单只器件可以实现30kV，可替代4-5只硅IGBT，将大幅度减少串联器件和辅助设备的数量，从而大大降低电力装备的损耗、体积和成本，提高可靠性、灵活性和适用性。
高压大功率SiC IGBT 芯片对厚度到达100μm以上甚至200μm以上的超厚SiC外延材料提出了需求，如图1所示的典型的SiC IGBT材料结构。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设备、通过台阶流生长的方法在低偏角（主要是4°）衬底上制备，其制备工艺比较成熟，是目前大批量生产SiC外延材料的主要方法。但是，使用该方法生长厚的外延层时，快速生长的台阶会与缓慢生长的台阶接触而合并成大的台阶聚集，即台阶聚束。对于IGBT结构而言，其均为厚层外延，厚度可达200μm以上，生长该结构时不可避免地存在台阶聚束。而台阶聚束的存在可能会造成器件可靠性降低，从而阻碍IGBT器件的研发和实际应用。因此，如何制备高表面质量超厚SiC IGBT结构外延材料是实现SiC IGBT器件实际应用的关键问题之一。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，实现高表面质量的超厚IGBT结构外延生长，解决生长100微米甚至200微米以上的IGBT结构外延材料的台阶聚束问题。
本发明涉及的技术方案如下：
一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，包括以下步骤：
步骤一，将SiC衬底放置于碳化硅化学气相沉积设备的反应室；
步骤二，反应室逐渐达到设定压力和氢气流量，在氢气流中反应室快速升温至生长温度，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的高掺p型厚层；
步骤三，在大流量、高压力氢气气氛下冷却碳化硅衬底，待反应室冷却后，取出碳化硅外延片，对外延片进行化学机械抛光（CMP）处理，减少甚至消除表面台阶聚束；
步骤四，将化学机械抛光处理后的外延片放入反应室，反应室逐渐达到设定压力和气体流量，在氢气流中反应室快速升温至刻蚀温度进行原位刻蚀处理，进一步去除化学机械抛光处理引入的亚损伤层；
步骤五，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的低掺n型超厚层；
步骤六，生长IGBT结构的低掺n型超厚层过程中可以在预定厚度中断生长，重复步骤三至步骤五，继续生长低掺n型超厚层，直到得到目标产物。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，步骤一中碳化硅衬底优选偏向<11-20>方向1°至8°的3～6英寸导电碳化硅衬底，进一步优选偏角为4°。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，步骤二控制反应室压力逐渐增大到80～120mbar，氢气流量逐渐增大到80～120slm后保持不变，同时逐渐增大反应室功率快速升高反应室温度至生长温度1550～1650℃。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，步骤二中生长源包括碳源、硅源和p型掺杂源，硅源流量、碳源流量和掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规高速外延工艺生长，生长厚度10~60μm，掺杂浓度1E18 cm-3~2E19 cm-3的IGBT结构高掺p型层。
更进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，所述碳源为乙烯或丙烷，所述硅源为硅烷或三氯氢硅，所述p型掺杂源为三甲基铝。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，步骤三中化学机械抛光处理中，外延层被抛光去除小于5μm，在保证减少甚至消除表面台阶聚束的前提下抛光去除量尽可能小。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，步骤四中原位刻蚀处理的刻蚀温度为1520～1680℃，可选择纯氢气刻蚀以及同时通入流量＜20sccm的权利要求4所述碳源或硅源辅助刻蚀，刻蚀时间5～20分钟。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，步骤五中相应生长源包括碳源、硅源和n型掺杂源，n型掺杂源为氮气，将硅源流量、碳源流量和n型掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规高速外延工艺生长，生长厚度100~250μm，掺杂浓度1E14 cm-3~1E15 cm-3的IGBT结构低掺n型层。
进一步地，所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤六中重复步骤三至步骤五，继续生长低掺n型超厚层，通过多次消除表面台阶聚束，实现最终外延层的高质量表面。
本发明提供的技术方案，首先生长高掺p型外延层，而后进行化学机械抛光（CMP）处理表面，再进行原位刻蚀进一步处理损伤层，然后生长超厚n型外延层。可在生长超厚n型外延层过程中，重复抛光、原位刻蚀和外延步骤一次或更多次，最终实现高表面质量的超厚IGBT结构外延生长，工艺过程如图2所示。本发明方法可以解决生长100微米甚至200微米以上的IGBT结构外延材料的台阶聚束问题，大力推进SiC IGBT器件走向实际应用，具有较高的推广价值。
附图说明
图1是本发明涉及的典型IGBT结构SiC外延材料结构示意图。
图2是本发明生长高表面质量超厚IGBT结构SiC外延材料的工艺示意图。
图3是常规工艺生长和实施例中生长的相同IGBT结构SiC外延片AFM表面粗糙度（10μm×10μm）结果。
具体实施方式：
本发明提供了一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，包括以下步骤：
步骤一，将SiC衬底放置于碳化硅化学气相沉积设备的反应室；
步骤二，反应室逐渐达到设定压力和氢气流量，在氢气流中反应室快速升温至生长温度，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的高掺p型厚层；
步骤三，在大流量、高压力氢气气氛下冷却碳化硅衬底，待反应室冷却后，取出碳化硅外延片，对外延片进行化学机械抛光（CMP）处理，减少甚至消除表面台阶聚束；
步骤四，将化学机械抛光处理后的外延片放入反应室，反应室逐渐达到设定压力和气体流量，在氢气流中反应室快速升温至刻蚀温度进行原位刻蚀处理，进一步去除化学机械抛光处理引入的亚损伤层；
步骤五，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的低掺n型超厚层；
步骤六，生长IGBT结构的低掺n型超厚层过程中可以在预定厚度中断生长，重复步骤三至步骤五，继续生长低掺n型超厚层，直到得到目标产物。
在本发明的一个实施例中，步骤一中碳化硅衬底选择了偏向<11-20>方向1°至8°的3～6英寸导电碳化硅衬底，步骤二可选择控制反应室压力逐渐增大到80～120mbar的一个数值，氢气流量逐渐增大到80～120slm的一个数值后保持不变，而后逐渐增大反应室功率快速升高反应室温度至生长温度1550～1650℃，步骤二中生长源包括碳源、硅源和p型掺杂源，硅源流量、碳源流量和掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规高速外延工艺生长，生长厚度10~60μm，掺杂浓度1E18 cm-3~2E19 cm-3的IGBT结构高掺p型层，其中碳源可选择乙烯或丙烷，硅源可选择硅烷或三氯氢硅，所述p型掺杂源为三甲基铝；步骤三中化学机械抛光处理中，外延层被抛光去除小于5μm，在保证减少甚至消除表面台阶聚束的前提下抛光去除量尽可能小。
在本发明的一个实施例中，步骤四中原位刻蚀处理的刻蚀温度可选择1520～1680℃，可选择纯氢气刻蚀以及同时通入流量＜20sccm的所述碳源或硅源辅助刻蚀，刻蚀时间5～20分钟；步骤五中相应生长源包括碳源、硅源和n型掺杂源，n型掺杂源为氮气，碳源、硅源的选择与前述范围相同，将硅源流量、碳源流量和n型掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规高速外延工艺生长，生长厚度100~250μm，掺杂浓度1E14 cm-3~1E15cm-3的IGBT结构低掺n型层。
下面是详细的描述出本发明的其中一个实施例。
实施例1
一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，包括以下步骤：
步骤一，选择偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面4英寸4H-SiC导电衬底并对其进行标准清洗，而后将SiC衬底放置于生长托盘上，一起放入碳化硅化学气相沉积设备的反应室；
步骤二，反应室缓慢达到设定压力和氢气流量，在氢气流中反应室快速升温至生长温度，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的高掺p型厚层，具体如下：
(2.1)打开通向反应室的氢气开关，控制反应室压力逐渐增大到100mbar，同时控制氢气流量逐渐增大到100slm；
(2.2) 保持反应室压力和氢气流量不变，逐渐增大反应室功率快速升高反应室温度至生长温度1600℃。
(2.3) 通入流量为150sccm 的乙烯、流量为300sccm 的三氯氢硅和用作p型掺杂源的以氢气作为载气流量为200sccm的三甲基铝，生长SiC IGBT结构的p型高掺层，生长时间30分钟。生长厚度30μm，掺杂浓度5E18 cm-3的IGBT结构高掺p型层。
步骤三，在压力为500mbar、流量为120slm的氢气气氛下快速冷却碳化硅衬底，待反应室冷却后，取出碳化硅外延片，对外延片进行化学机械抛光（CMP）处理，减少甚至消除表面台阶聚束。外延层抛光去除3μm，在保证减少甚至消除表面台阶聚束的前提下抛光去除量尽可能小。
步骤四，将CMP处理后的外延片放入反应室，反应室缓慢逐渐达到设定压力和气体流量，在氢气流中反应室快速升温至刻蚀温度进行原位刻蚀处理，进一步去除CMP引入的亚损伤层，具体操作如下：
(4.1) 将CMP处理后的外延片放入反应室，控制反应室压力逐渐增大到100mbar，同时控制氢气流量逐渐增大到100slm；
(4.2) 保持反应室压力和氢气流量不变，逐渐增大反应室功率快速升高反应室温度至刻蚀温度1520℃。
(4.3) 通入流量为10sccm 的乙烯辅助刻蚀，刻蚀10分钟。
步骤五，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的低掺n型超厚层，具体如下：
(5.1) 保持反应室温度、气体流量和压力恒定；
(5.2) 通入流量为150sccm 的乙烯、流量为300sccm 的三氯氢硅和用作n型掺杂源的流量为2sccm的高纯氮气，生长掺杂浓度8E14 cm-3的SiC IGBT结构的n型低掺厚层。
步骤六，生长IGBT结构的低掺n型超厚层过程中可以在预定厚度中断生长，插入步骤三至步骤五步骤，继续生长低掺n型超厚层，具体如下：
(6.1)当生长IGBT结构的低掺n型厚度达到50μm时，中断生长，取出所生长的外延片；
(6.2) 插入步骤三至步骤五步骤，再次减少或消除表面台阶聚束。
重复步骤六三次，通过多次消除表面台阶聚束，实现最终200μm厚高表面质量的SiC IGBT结构外延材料。如图3(a)所示，常规工艺生长的外延片表面存在台阶聚束，AFM测试10μm×10μm区域粗糙度达到1.862nm。而如图3(b)所示，使用本发明工艺生长的外延片表面无台阶聚束，AFM测试10μm×10μm区域粗糙度为0.246nm。
本发明在另外的实施例中，选用了发明内容中所述的控制参数范围内的不同参数，其最终的结果与以上实施例1类似，都能够很好的的得到高表面质量的超厚IGBT结构外延材料，在此不再多述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将SiC衬底放置于碳化硅化学气相沉积设备的反应室；
步骤二，反应室逐渐达到设定压力和氢气流量，在氢气流中反应室快速升温至生长温度，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的高掺p型厚层；
步骤三，在大流量、高压力氢气气氛下冷却碳化硅衬底，待反应室冷却后，取出碳化硅外延片，对外延片进行化学机械抛光处理，减少甚至消除表面台阶聚束；
步骤四，将化学机械抛光处理后的外延片放入反应室，反应室逐渐达到设定压力和气体流量，在氢气流中反应室快速升温至刻蚀温度进行原位刻蚀处理，进一步去除化学机械抛光处理引入的亚损伤层；
步骤五，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的低掺n型超厚层；
步骤六，生长IGBT结构的低掺n型超厚层过程中可以在预定厚度中断生长，重复步骤三至步骤五，继续生长低掺n型超厚层，直到得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤一中碳化硅衬底优选偏向<11-20>方向1°至8°的3～6英寸导电碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤二控制反应室压力逐渐增大到80～120mbar，氢气流量逐渐增大到80～120slm后保持不变，同时逐渐增大反应室功率快速升高反应室温度至生长温度1550～1650℃。
4. 根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤二中生长源包括碳源、硅源和p型掺杂源，硅源流量、碳源流量和掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规高速外延工艺生长，生长厚度10~60μm，掺杂浓度1E18 cm-3~2E19 cm-3的IGBT结构高掺p型层。
5.根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤三中化学机械抛光处理中，外延层被抛光去除小于5μm，在保证减少甚至消除表面台阶聚束的前提下抛光去除量尽可能小。
6.根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤四中原位刻蚀处理的刻蚀温度为1520～1680℃，可选择纯氢气刻蚀以及同时通入流量＜20sccm的权利要求4所述碳源或硅源辅助刻蚀，刻蚀时间5～20分钟。
7. 根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤五中相应生长源包括碳源、硅源和n型掺杂源，将硅源流量、碳源流量和n型掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规高速外延工艺生长，生长厚度100~250μm，掺杂浓度1E14 cm-3~1E15 cm-3的IGBT结构低掺n型层。
8.根据权利要求1所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，步骤六中重复步骤三至步骤五，继续生长低掺n型超厚层，通过多次消除表面台阶聚束，实现最终外延层的高质量表面。
9.根据权利要求4所述的生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，其特征在于，所述碳源为乙烯或丙烷，所述硅源为硅烷或三氯氢硅，所述p型掺杂源为三甲基铝，n型掺杂源为氮气。
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