CN111029250B - 一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法 - Google Patents

一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法。以化学气相淀积生长技术为基础，对曲线形分布进行分段线性拟合，固定生长源及进气端碳硅比，利用质量流量计实现掺杂源流量随时间的线性变化，实现每个区间段内掺杂浓度的线性分布，最终通过多段线性掺杂浓度变化组合，实现整个外延层中曲线形的掺杂浓度的分布。该方法可以实现特殊的曲线形掺杂浓度分布的外延片，提高器件外延结构的设计范围，具有较高的推广价值。

Description

一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法
技术领域
本发明公开了一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，属于半导体材料技术领域。
背景技术
碳化硅(SiC)是一个优秀的材料。对比传统的硅材料，它拥有10倍的击穿场强，3倍的热导率，3倍的禁带宽度。因此SiC材料是制造功率器件的理想材料。不同于常用的硅器件，SiC器件的设计结构基本上都需要通过外延的方式实现。现阶段SiC器件的外延结构设计的多层结构中，每层外延层具有固定的掺杂浓度或者是线性变化的。对部分SiC器件来说，曲线型掺杂分布可以达到特殊的设计功能。
在固定生长源流量及进气端碳硅比的条件下，外延片掺杂浓度和反应室通入的掺杂源流量成线性正比关系。通入反应室的掺杂源流量通过质量流量计(MFC)控制，现有的MFC只能实现流量随时间的线性变化，因此实现曲线形掺杂分布存在较大的技术难度。
发明内容
本发明的目的在于为了克服以上现有技术的不足而提出一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法。通过对曲线形分布进行分段线性拟合，设定生长源(硅源及碳源)及进气端碳硅比，利用质量流量计实现掺杂源流量随时间的线性变化，实现每个区间段内掺杂浓度的线性分布，最终通过多段线性掺杂浓度变化组合，实现整个外延层中曲线形的掺杂浓度的分布。该方法可以实现特殊的曲线形掺杂浓度分布的外延片。
技术方案：
一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，包括如下步骤：
步骤一，对掺杂分布曲线进行分段线性拟合，将其分为n段(n≥3)，根据掺杂分布曲线选择后续的外延速率以及进气端碳硅比；
步骤二，选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于SiC外延系统反应室内的石墨基座上；
步骤三，采用氩气对反应室气体进行置换，向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60～120L/min，选用氢气或者氩气作为气浮气体推动石墨基座旋转，设置反应室压力为80～200mbar，将反应室逐渐升温至生长温度，达到生长温度后维持反应室温度5～15分钟，对衬底进行纯氢气刻蚀；
步骤四，向反应室通入硅源、碳源以及掺杂源，硅源流量和外延速率具有正比关系，根据步骤一中选定的外延速率对硅源流量进行设定，硅源流量确定后根据步骤一中选定的进气端碳硅比设定碳源流量，在生长时间内，线性变化掺杂源的流量实现i段线性掺杂浓度分布区的生长，生长时间根据第i段线性掺杂浓度分布区的厚度及外延速率设定；衬底端至外延层表面，分段编号i按1至n升序排列，本步中i＝1；
步骤五，保持硅源、碳源流量不变，线性变化掺杂源的流量实现第i+1段线性掺杂浓度分布区的生长，生长时间根据i+1段线性掺杂浓度分布区的厚度及外延速率设定；
步骤六，重复步骤五，完成所有线性掺杂浓度分布区的生长；
步骤七，在完成外延结构生长之后，关闭硅源、碳源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排外，通过氩气对反应室内的气体进行置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
进一步地，所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，步骤一中拟合的线性掺杂浓度分布区可以等厚分布也可以非等厚分布；
进一步地，所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，根据掺杂分布曲线选择后续的外延速率以及进气端碳硅比(进气端碳原子和硅原子的摩尔数比)，具体选择依据如下：
(1)掺杂分布曲线中的拐点宜设定为某一段线性掺杂浓度分布区的某一个顶点。
(2)工艺选用的外延速率需要根据最小厚度线性掺杂浓度分布区进行设定。需要保证最小厚度线性掺杂浓度分布区的生长时间≥5秒；
(3)工艺选用的进气端碳硅比需要根据具有最小掺杂浓度差异的线性掺杂浓度分布区进行设定。需要保证，在设定的外延速率下，实现具有最小掺杂浓度差异的线性掺杂浓度分布区所需要的掺杂源流量差异≥5％；
(4)在单一的外延速率下，如果即使调整碳硅比也无法实现曲线形掺杂分布中所有的掺杂浓度时，需要将掺杂分布曲线进行拆分，并按照步骤一中描述的方法，对拆分后掺杂分布曲线分别进行拟合，设定不同的外延速率。不同外延速率下的掺杂效率需要进行标定，以避免在拆分点掺杂浓度不连续。
进一步地，所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，步骤三中生长温度为1600-1700℃。
进一步地，所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤四中硅源包括硅烷或三氯硅烷；如果选用硅烷作为主要硅源，为避免硅团簇出现一般都会配合氯化氢一起使用。
进一步地，所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤四中碳源包括甲烷、乙烯、乙炔或丙烷等中的任意一种。
进一步地，所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，步骤四中掺杂源包括n型掺杂源或者p型掺杂源中的任意一种,其中n型掺杂源宜采用氮气，p型掺杂源宜采用三甲基铝。
本发明提供的方法可以实现特殊的曲线形掺杂浓度分布的外延片，提高器件外延结构的设计范围，具有较高的推广价值。
附图说明
图1通过分段线性拟合实现的二次函数型分布。
图2为实施例1中生长的外延掺杂浓度随厚度分布的汞探针CV检测结果。
具体实施方式：
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
本发明提供了一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，包括如下步骤：
步骤一，对掺杂分布曲线进行分段线性拟合，将其分为n段(n≥3)，根据掺杂分布曲线选择后续的外延速率以及进气端碳硅比；
步骤二，选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于SiC外延系统反应室内的石墨基座上；
步骤三，采用氩气对反应室气体进行置换，向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60～120L/min，选用氢气或者氩气作为气浮气体推动石墨基座旋转，设置反应室压力为80～200mbar，将反应室逐渐升温至生长温度，达到生长温度后维持反应室温度5～15分钟，对衬底进行纯氢气刻蚀；
步骤四，向反应室通入硅源、碳源以及掺杂源，硅源流量和外延速率具有正比关系，根据步骤一中选定的外延速率对硅源流量进行设定，硅源流量确定后根据步骤一中选定的进气端碳硅比设定碳源流量，在生长时间内，线性变化掺杂源的流量实现i段线性掺杂浓度分布区的生长，生长时间根据第i段线性掺杂浓度分布区的厚度及外延速率设定；衬底端至外延层表面，分段编号i按1至n升序排列，本步中i＝1；
步骤五，保持硅源、碳源流量不变，线性变化掺杂源的流量实现第i+1段线性掺杂浓度分布区的生长，生长时间根据i+1段线性掺杂浓度分布区的厚度及外延速率设定；
步骤六，重复步骤五，完成所有线性掺杂浓度分布区的生长；
步骤七，在完成外延结构生长之后，关闭硅源、碳源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排外，通过氩气对反应室内的气体进行置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
本发明步骤一中根据掺杂分布曲线选择后续的外延速率以及进气端碳硅比的选择依据如下：
(1)掺杂分布曲线中的拐点设定为某一段线性掺杂浓度分布区的某一个顶点；
(2)工艺选用的外延速率需要根据最小厚度线性掺杂浓度分布区进行设定，需要保证最小厚度线性掺杂浓度分布区的生长时间≥5秒；
(3)工艺选用的进气端碳硅比需要根据具有最小掺杂浓度差异的线性掺杂浓度分布区进行设定，需要保证，在设定的外延速率下，实现具有最小掺杂浓度差异的线性掺杂浓度分布区所需要的掺杂源流量差异≥5％；
(4)在单一的外延速率下，如果即使调整碳硅比也无法实现曲线形掺杂分布中所有的掺杂浓度时，需要将掺杂分布曲线进行拆分，并按照步骤一中描述的方法，对拆分后掺杂分布曲线分别进行拟合，设定不同的外延速率，不同外延速率下的掺杂效率需要进行标定，以避免在拆分点掺杂浓度不连续。
在本发明的一个实施例中，步骤一中拟合的线性掺杂浓度分布区可以等厚分布也可以非等厚分布。
在本发明的一个实施例中，步骤三中生长温度为1600-1700℃中的任意一个值。
在本发明的一个实施例中，步骤四中硅源包括硅烷或三氯硅烷；如果选用硅烷作为主要硅源，则配合氯化氢一起使用。
在本发明的一个实施例中，步骤四中碳源可以选择包括甲烷、乙烯、乙炔或丙烷等中的任意一种，步骤四中掺杂源包括n型掺杂源或者p型掺杂源中的任意一种,其中n型掺杂源宜采用氮气，p型掺杂源宜采用三甲基铝。
下面通过具体的实施示例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，包括以下步骤：
步骤一，对图1中给出的掺杂分布曲线进行分段线性拟合，曲线掺杂区域累计长度为1μm，掺杂浓度最大值3E17 cm-3，掺杂浓度最低值2E16 cm-3，分别位于外延层表面和厚度0.7μm的位置，将其分为10段，每段长度0.1μm。选择外延速度为12μm/h，对应的Si/H2比为0.0625％。选择的进气端C/Si比为0.85，在该C/Si比条件下，实现3E17 cm-3和2E16 cm-3的外延掺杂所需要的n型掺杂源氮气流量分别是210sccm和14sccm。掺杂浓度和氮气流量成线性关系，计算出每一个分段内氮气流量的变化关系，如下表所示。
Figure BDA0002307873300000051
步骤二，选取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于SiC外延系统反应室内的石墨基座上；
步骤三，采用氩气对反应室气体进行多次置换，向反应室通入氢气(H2)，逐渐加大氢气流量至100L/min，选用氢气作为气浮气体推动石墨基座旋转，氢气流量1000ml/min，设置反应室压力为100mbar，将反应室逐渐升温至生长温度1650℃，达到生长温度后维持反应室温度5分钟，对衬底进行纯氢气H2刻蚀；
步骤四，向反应室通入三氯氢硅和乙烯，控制Si/H2比为0.0625％，控制C/Si比为0.85，调整氮气流量由32sccm渐变至22sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由4.6E16cm-3的渐变至3.2E16cm-3的第1段线性掺杂浓度分布区；
步骤五，保持Si/H2和C/Si不变，调整氮气流量由22sccm渐变至18sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由3.2E16cm-3的渐变至2.5E16cm-3的第2段线性掺杂浓度分布区；
步骤六，保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由18sccm渐变至15sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由2.5E16cm-3的渐变至2.2E16cm-3的第3段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由15sccm渐变至14sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由2.2E16cm-3的渐变至2E16cm-3的第4段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由14sccm渐变至17sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由2E16cm-3的渐变至2.4E16cm-3的第5段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由17sccm渐变至21sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由2.4E16cm-3的渐变至3.1E16cm-3的第6段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由21sccm渐变至30sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由3.1E16cm-3的渐变至4.3E16cm-3的第7段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由30sccm渐变至55sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由4.3E16cm-3的渐变至7.9E16cm-3的第8段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由55sccm渐变至102sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由7.9E16cm-3的渐变至1.5E17cm-3的第9段线性掺杂浓度分布区；
保持Si/H2比和C/Si比为不变，调整氮气流量由102sccm渐变至210sccm，时间设定为30秒，生长厚度0.1μm，掺杂浓度由1.5E17cm-3的渐变至3E17cm-3的第10段线性掺杂浓度分布区；
步骤七，在完成外延结构生长之后，关闭生长源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排外后，通过氩气对反应室内的气体进行多次置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
采用汞探针CV对实施例中生长的外延片进行测试，如图2所示，掺杂浓度随厚度分布结果表明通过本专利提供的方法可以较好地实现曲线掺杂浓度分布。
以上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对掺杂分布曲线进行分段线性拟合，将其分为n段（n≥3），根据掺杂分布曲线选择后续的外延速率以及进气端碳硅比；
步骤二，选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于SiC外延系统反应室内的石墨基座上；
步骤三，采用氩气对反应室气体进行置换，向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60~120L/min，选用氢气或者氩气作为气浮气体推动石墨基座旋转，设置反应室压力为80~200mbar，将反应室逐渐升温至生长温度，达到生长温度后维持反应室温度5~15分钟，对衬底进行纯氢气刻蚀；
步骤四，向反应室通入硅源、碳源以及掺杂源，硅源流量和外延速率具有正比关系，根据步骤一中选定的外延速率对硅源流量进行设定，硅源流量确定后根据步骤一中选定的进气端碳硅比设定碳源流量，在生长时间内，线性变化掺杂源的流量实现i段线性掺杂浓度分布区的生长，生长时间根据第i段线性掺杂浓度分布区的厚度及外延速率设定；衬底端至外延层表面，分段编号i按1至n升序排列，本步中i=1；
步骤五，保持硅源、碳源流量不变，线性变化掺杂源的流量实现第i+1段线性掺杂浓度分布区的生长，生长时间根据i+1段线性掺杂浓度分布区的厚度及外延速率设定；
步骤六，重复步骤五，完成所有线性掺杂浓度分布区的生长；
步骤七，在完成外延结构生长之后，关闭硅源、碳源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排外，通过氩气对反应室内的气体进行置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
2.根据权利要求1所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤一中拟合的线性掺杂浓度分布区可以等厚分布也可以非等厚分布。
3.根据权利要求1所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤一中根据掺杂分布曲线选择后续的外延速率以及进气端碳硅比的选择依据如下：
（1）掺杂分布曲线中的拐点设定为某一段线性掺杂浓度分布区的某一个顶点；
（2）工艺选用的外延速率需要根据最小厚度线性掺杂浓度分布区进行设定，需要保证最小厚度线性掺杂浓度分布区的生长时间≥5秒；
（3）工艺选用的进气端碳硅比需要根据具有最小掺杂浓度差异的线性掺杂浓度分布区进行设定，需要保证，在设定的外延速率下，实现具有最小掺杂浓度差异的线性掺杂浓度分布区所需要的掺杂源流量差异≥5%；
（4）在单一的外延速率下，如果即使调整碳硅比也无法实现曲线形掺杂分布中所有的掺杂浓度时，需要将掺杂分布曲线进行拆分，并按照步骤一中描述的方法，对拆分后掺杂分布曲线分别进行拟合，设定不同的外延速率，不同外延速率下的掺杂效率需要进行标定，以避免在拆分点掺杂浓度不连续。
4.根据权利要求1所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤三中生长温度为1600-1700℃。
5.根据权利要求1所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤四中硅源包括硅烷或三氯硅烷；如果选用硅烷作为主要硅源，则配合氯化氢一起使用。
6.根据权利要求1所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤四中碳源包括甲烷、乙烯、乙炔或丙烷等中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的实现SiC外延曲线形掺杂分布的方法，其特征在于，步骤四中掺杂源包括n型掺杂源或者p型掺杂源中的任意一种,其中n型掺杂源宜采用氮气，p型掺杂源宜采用三甲基铝。
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