CN111293037A - 一种P型SiC外延及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种P型SiC外延及其生长方法，在P型外延层生长时使用铟源作为外延反应腔气体，提高Al并入晶格的几率，增加P型掺杂浓度和掺杂效率，同时In原子半径较大，In‑C键较长，在H2这种还原性气氛条件下其不能并入SiC晶格中，不会使晶格产生畸变。通过这种方法制备得到的P型SiC外延晶片在具备厚外延的同时，具有较低的导通电阻。

Description

一种P型SiC外延及其生长方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种P型SiC外延及其生长方法。
背景技术
以SiC材料为代表的第三代宽带隙半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移等特点，特别适合制作高温、高压、高频、大功率、抗辐照等半导体器件。
SiC功率器件所用外延材料一般由多层外延层组成，部分器件结构，如IGBT、PiN结构包含n、p两种不同掺杂类型的外延层。
在外延生长SiC材料时，需要添加控制电特性的掺杂剂。近些年来，n型SiC外延技术取得了很大的进展，无论在抑制缺陷还是均匀性调控方面，外延技术都取得了突破，但p型SiC外延技术则远不如n型SiC外延技术成熟。
Al是SiC的有效p型掺杂剂，与作为n型SiC的掺杂剂N相比，其离化能大，活性化率低。Al掺入SiC，在SiC中占据Si晶位，因此存在Al杂质原子与Si原子的竞争机制。在超过10kV的高耐压的SiC双极器件中，亟需研究厚外延层的p型4H-SiC材料，这样其可具有较低的导通电阻，导通电阻Ron与掺杂浓度ND关系为Ron＝WD/qμnND，WD为漂移区厚度，μn为电子迁移率。
采用传统的SiH4-C3H8-H2非Cl基气体体系生长p型外延层，虽然具有较高的p型掺杂效率，但长速较低，最高长速只有8μm/h，对于生长厚SiC外延层效率较低，成本较高，若为了提高生长速度而增加SiH4气体的供给量，则容易产生因Si均相成核引起的Si滴缺陷。
为了抑制上述缺陷的产生，一般通过添加HCl或使用含Cl的硅源，即采用含Cl基气体体系。在反应室里，Cl与Si发生化学反应生成SiCl4气体，能很好的抑制了Si滴缺陷的产生。但在含Cl基气体体系外延生长过程中，由于Al在生长表面的原子迁移率较低，Al未及时并入晶格，在高温下与Cl原子形成AlCl3，降低了Al原子并入SiC晶格的几率，从而降低了P型掺杂效率和掺杂浓度，增加了导通电阻。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种P型SiC外延及其生长方法，具体为P型4H-SiC外延及其生长方法，在P型外延层生长时使用铟源作为外延反应腔气体，提高Al并入晶格的几率，增加P型掺杂浓度和掺杂效率。同时In原子半径较大，In-C键较长，在H2这种还原性气氛条件下其不能并入SiC晶格中，不会使晶格产生畸变。通过这种方法制备得到的P型SiC外延晶片在具备厚外延的同时，具有较高P型掺杂浓度，从而获得较低的导通电阻。
本发明采取的技术方案为：
一种P型SiC外延的生长方法，包括以下步骤：
(1)在外延反应腔内对SiC衬底表面进行原位刻蚀；
(2)生长缓冲层；
(3)向外延反应腔内通入含有H2、含氯的硅源气体、碳源、Al掺杂剂和铟源的外延反应腔气体，以生长P型外延层。
进一步地，所述步骤(2)和(3)之间还包括N型外延层生长的步骤。
所述N型外延层生长的工艺条件为：向外延反应腔内通入H2、含氯的硅源气体、碳源和N2，在生长了缓冲层的SiC衬底上生长N型外延层。
N型外延层生长时，所述H2、含氯的硅源气体、碳源和N2的流量分别为50～80slm、400～500sccm、400～500sccm和80～150sccm。
N型外延层生长时，外延反应腔内的温度、压力分别为1400-1700℃、50-500mbar。
所述N型外延层的厚度为10～100μm。
进一步地，N型外延层生长后，在生长P型外延层之前，还包括外延反应腔内条件转换的步骤。
所述外延反应腔内条件转换的步骤为：关闭含氯的硅源气体、碳源和N2，将反应室温度上升至1640～1660℃，反应室压力降至50-100mbar，氢气流量设置为50～96slm，在此条件下持温1～2min。
进一步地，步骤(1)中，所述SiC衬底为偏向<11-20>方向4°或者8°的(0001)SiC衬底。
步骤(1)中，所述原位刻蚀的条件为：分别以20～200slm和10～15slm的流量向外延反应腔内通入H2和HCl，于40-200mbar压力和1450-1550℃温度下刻蚀10～30min。
步骤(2)中，所述缓冲层生长的条件为：向外延反应腔内通入H2、含氯的硅源气体和碳源，在1600～1620℃温度和50～100mbar压力的条件下，在原位刻蚀后的SiC衬底上生长缓冲层。
进一步地，所述缓冲层的厚度为0.1～0.2μm。
步骤(2)中，所述H2、含氯的硅源气体、碳源的流量分别为10～20slm、20～50sccm、20～50sccm，以控制缓冲层的生长速度为1～2.5μm/h。
步骤(3)中，所述H2、含氯的硅源气体、碳源、Al掺杂剂、铟源的流量分别为50～96slm、400～800sccm、400～800sccm、1000～2000sccm、20-50sccm。
步骤(3)中，外延反应腔内的温度、压力分别为1400-1700℃、50-500mbar。
步骤(3)中，所述铟源可以为三甲基铟、三乙基铟、二甲基乙基铟中的任意一种或者多种，优选为三甲基铟。
所述含氯的硅源气体为SiCl4、SiHCl3、SiH2C12或SiH3Cl。
本发明还提供了所述的生长方法生长得到的P型SiC外延。所述P型SiC外延的结构由下至上依次包括SiC衬底、缓冲层、P型SiC层；或者由下至上依次包括SiC衬底、缓冲层、N型SiC层、P型SiC层。
本发明提供的P型SiC外延的生长方法中，在1400-1700℃的生长温度时，In原子的表面迀移率很高，在生长P型SiC材料时，生长过程中通入少量的铟源，铟源在H2这种还原性气氛下可产生金属In液滴，增加Al原子在生长表面的迁移率，降低Al与Cl的反应生成AlCl3几率，提高Al并入晶格的几率，增加P型掺杂浓度；而且In原子半径较大，In-C键较长，在H2这种还原性气氛条件下其不会并入SiC晶格中，不会使晶格产生畸变。
在生长N型半导体完成后，通过两步界面处理的方式提高界面质量，提高晶体质量；通过先压力和温度后再改变载气，避免反应室流场波动导致反应室掉落颗粒，进而避免三角形缺陷的形成。
附图说明
图1为实施例1中的P型4H-SiC外延的结构图；
图2为实施例2中的P型4H-SiC外延的结构图；
图3为实施例2及比较例2中制备的P型4H-SiC外延中的Al掺杂浓度随径向分布的变化图；
图中，1-SiC衬底、2-缓冲层、3-P型SiC外延层、4-N型SiC外延层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种P型4H-SiC外延的生长方法，包括以下步骤：
1)原位刻蚀衬底：选取偏向<11-20>方向4°或者8°的(0001)SiC衬底，对其进行标准清洗；在外延反应腔内，将SiC衬底放置到充抽过的化学气相沉积设备中，再将反应腔抽成真空，分别以20～200slm和10～15slm的流量通入H2和HCl，于40-200mbar压力和1450-1550℃温度下刻蚀10～30min；
2)缓冲层生长：停止通入HCl，分别以10～20slm、20～50sccm、20～50sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体和碳源，于1600～1620℃温度和50～100mbar压力，控制长速在1～2.5μm/h，生长0.1～0.2μm厚的缓冲层；
3)P型SiC外延层：分别以50～96slm、400～800sccm、400～800sccm和1000～2000sccm的流量通入H2、含氯的硅源气体、碳源和Al掺杂剂，同时以20-50sccm的流量通入少许的TMIn，在1400～1700℃，反应室压力降至50-500mbar生长条件下，生长10～100μm厚的P型外延层，进而制备得到P型4H-SiC外延晶片。
实施例2
一种P型4H-SiC外延的生长方法，包括以下步骤：
1)原位刻蚀衬底：选取偏向<11-20>方向4°或者8°的(0001)SiC衬底，对其进行标准清洗；在外延反应腔内，将SiC衬底放置到充抽过的化学气相沉积设备中，再将反应腔抽成真空，分别以20～200slm和10～15slm的流量通入H2和HCl，于40-200mbar压力和1450-1550℃温度下刻蚀10～30min；
2)缓冲层生长：停止通入HCl，分别以10～20slm、20～50sccm、20～50sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体和碳源，于1600～1620℃温度和50～100mbar压力，控制长速在1～2.5μm/h，生长0.1～0.2μm厚的缓冲层
3)N型外延层的生长:分别以50～80slm、400～500sccm、400～500sccm和80～150sccm的流量通入H2、含氯的硅源气体、碳源和N2，于1400～1700℃温度和50～500mbar压力下，生长10～100μm厚的N型外延层；
4)在完成N型外延层生长后，关闭含氯的硅源气体、碳源和N2，保持反应室温度为1400～1700℃，反应室压力为50-500mbar；氢气流量设置为50～96slm；在此条件下持温1～2min；
5)P型SiC外延层：分别以400～800sccm、400～800sccm和1000～2000sccm的流量通入含氯的硅源气体、碳源和Al掺杂剂，同时以20-50sccm的流量通入少许的TMIn，生长10～100μm厚的P型外延层，进而制备得到P型4H-SiC外延晶片，其Al掺杂剂的掺杂情况如图3所示，从图中可以看出此实施例制备得到的P型4H-SiC外延晶片中的Al掺杂浓度较比较例2中高，说明在生长P型SiC外延时，添加TMIn能提高Al的掺杂浓度；其外延表征数据如表1所示。
比较例1
其他同实施例1，只是步骤3)替换为：分别以50～96slm、400～800sccm、400～800sccm和1000～2000sccm的流量通入H2、含氯的硅源气体、碳源和Al掺杂剂，在1400～1700℃，反应室压力降至50-500mbar生长条件下，生长10～100μm厚的P型外延层，进而制备得到P型4H-SiC外延晶片。
比较例2
其他同实施例2，只是省去了步骤4)，并将步骤3)替换为：分别以50～96slm、400～800sccm、400～800sccm和1000～2000sccm的流量通入H2、含氯的硅源气体、碳源和Al掺杂剂，在1400～1700℃，反应室压力降至50-500mbar生长条件下，生长10～100μm厚的P型外延层，进而制备得到P型4H-SiC外延晶片，其Al掺杂剂的掺杂情况如图3所示，其外延表征数据如表1所示。
表1
Figure BDA0002385110630000071
上述参照实施例对一种P型SiC外延及其生长方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种P型SiC外延的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在外延反应腔内对SiC衬底表面进行原位刻蚀；
(2)生长缓冲层；
(3)向外延反应腔内通入含有H2、含氯的硅源气体、碳源、Al掺杂剂和铟源，以生长P型外延层。
2.根据权利要求1所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，所述铟源可以为三甲基铟、三乙基铟、二甲基乙基铟中的任意一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，所述步骤(2)和(3)之间还包括N型外延层生长的步骤。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的P型SiC的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，所述H2、含氯的硅源气体、碳源、Al掺杂剂、铟源流量分别为50～96slm、400～800sccm、400～800sccm、1000～2000sccm、20-50sccm。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，外延反应腔内的温度、压力分别为1400-1700℃、50-500mbar。
6.根据权利要求3所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，所述N型外延层生长的工艺条件为：向外延反应腔内通入H2、含氯的硅源气体、碳源和N2，在生长了缓冲层的SiC衬底上生长N型外延层。
7.根据权利要求3或6所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，N型外延层生长时，所述H2、含氯的硅源气体、碳源和N2的流量分别为50～80slm、400～500sccm、400～500sccm和80～150sccm。
8.根据权利要求3或6所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，N型外延层生长时，外延反应腔内的温度、压力分别为1400-1700℃、50-500mbar。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的P型SiC外延的生长方法，其特征在于，步骤(1)中，所述SiC衬底为偏向<11-20>方向4°或者8°的(0001)SiC衬底。
10.如权利要求9所述的P型SiC外延，其特征在于，所述P型SiC外延的结构由下至上依次包括SiC衬底、缓冲层、P型SiC层；或者由下至上依次包括SiC衬底、缓冲层、N型SiC层、P型SiC层。
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