CN113078205A - 基于Al-N共掺的SiC外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Al‑N共掺的SiC外延结构及其制备方法,所述基于Al‑N共掺的SiC外延结构由下至上依次包括:衬底、Al‑N共掺层一、Al‑N共掺层二、Al‑N共掺层三、N型掺杂层一、Al‑N共掺层四、Al‑N共掺层五、N型掺杂层二、漂移层;各层的生长均是在1580~1680℃温度和50~500mbar压力下流通原料气体和掺杂气体进行的;在衬底与N型掺杂层一之间插入了三层Al‑N共掺层,在N型掺杂层一与N型掺杂层二之间插入了两层Al‑N共掺层,从而提高从基面位错向穿透刃型位错的转换效率,抑制了在形成器件的漂移层中存在基面位错,并降低堆垛层错密度。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域,具体涉及一种基于Al-N共掺的SiC外延结构及其制备方法。
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。
在SiC外延材料生长过程中,衬底上的缺陷会向外延层中复制,在这些缺陷当中,基面位错(Basal plane dislocation:BPD)被认为是致命性缺陷,虽然衬底中大部分BPD位错在外延过程中会转化为TED位错,对于4°偏角衬底,转化效率达99%以上,但仍然会有1%左右的BPD会贯穿到外延层中并达到外延层表面。
在后续器件制造中,BPD主要影响双极型器件的稳定性,如出现双极型衰退现象。在向器件施加正向电流时少数载流子到达基面位错,基面位错发生扩展而成为高电阻的堆垛层错。当在器件内产生高电阻部时,器件的可靠性降低。
目前提高BPD转化TED的方法主要有:高C/Si生长工艺,低偏角度衬底,原位生长中断,熔融KOH腐蚀衬底等方法;但高C/Si生长工艺会提高三角形缺陷的密度,低偏晶轴衬底会在生长过程中引入3C-SiC杂晶,原位生长中断会延伸反应时间,熔融KOH腐蚀衬底再生长重复性较差。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于Al-N共掺的SiC外延结构,在衬底与N型掺杂层一之间插入了三层Al-N共掺层,在N型掺杂层一与N型掺杂层二之间插入了两层Al-N共掺层,从而提高从基面位错向穿透刃型位错的转换效率,抑制了在形成器件的漂移层中存在基面位错的情况。当相邻的Al-N共掺层之间的载流子浓度差大时,在层间容易产生从基面位错向穿透刃型位错的转换,降低堆垛层错密度。
本发明还提供了一种基于Al-N共掺的SiC外延结构的制备方法,在1580~1680℃温度和50~500mbar压力下流通原料气体和掺杂气体,依次在衬底上生长Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、N型掺杂层一、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五、N型掺杂层二、漂移层,通过优化N型掺杂剂和P型掺杂剂的流量,可以得到Al-N共掺SiC晶格常数与本征SiC晶格常数一致。
本发明采取的技术方案为:
基于Al-N共掺的SiC外延结构,由下至上依次包括:衬底、Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、N型掺杂层一、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五、N型掺杂层二、漂移层。
进一步地,所述Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五的厚度均为10~20nm。相邻的Al-N共掺层之间会因为浓度差产生失配应力,厚度越厚,弛豫会变大;但厚度小于10nm,界面因浓度差导致的失配应力,界面较粗糙,因此,本发明控制各Al-N共掺层的厚度为10~20nm。
进一步地,所述Al-N共掺层一、Al-N共掺层二中的N的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层一中Al的掺杂浓度低于所述Al-N共掺层二中Al的掺杂浓度。
进一步地,所述Al-N共掺层二、Al-N共掺层三中的Al的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层二中N的掺杂浓度高于所述Al-N共掺层三中N的掺杂浓度。
进一步地,所述Al-N共掺层三、Al-N共掺层四中的N、Al的掺杂浓度相同。
进一步地,所述Al-N共掺层四、Al-N共掺层五中的Al的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层四中N的掺杂浓度低于所述Al-N共掺层五中N的掺杂浓度。
进一步地,所述Al-N共掺层三中的N的掺杂浓度与所述N型掺杂层一中的N的掺杂浓度相同。
进一步地,所述Al-N共掺层五中的N的掺杂浓度低于所述N型掺杂层二中的N的掺杂浓度。
进一步地,所述N型掺杂层一中的N的掺杂浓度低于所述N型掺杂层二中的N的掺杂浓度。
进一步地,所述N型掺杂层一、N型掺杂层二的厚度均为0.1~0.2μm。N型掺杂层一为低浓度掺杂层,该层厚度越厚击穿电压越高,但导通电阻也越高,该层厚度越低,导通电阻虽然降低,但击穿电压也变低,因此本发明控制其厚度在0.1~0.2μm;N型掺杂层二为高浓度掺杂层,厚度越厚击穿电压变低,厚度越薄,界面粗糙,因此本发明控制其厚度在0.1~0.2μm。这样可以保证界面的粗糙度交底且具有较高的耐击穿电压。
进一步地,所述漂移层的厚度为10~200μm,漂移层的厚度可根据器件耐压的需求进行设置,漂移层厚度越厚,耐压能力越强。
本发明提供的一种基于Al-N共掺的SiC外延结构的制备方法,包括以下步骤:在1580~1680℃温度和50~500mbar压力下流通原料气体和掺杂气体,依次在衬底上生长Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、N型掺杂层一、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五、N型掺杂层二、漂移层。
进一步地,所述Al-N共掺层一的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、50~100sccm和5~10sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力下生长10~20nm厚的Al-N共掺层一。
所述Al-N共掺层二的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、50~100sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力下生长10~20nm厚的Al-N共掺层二。
所述Al-N共掺层三的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、10~20sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力下生长10~20nm厚的Al-N共掺层三。
所述N型掺杂层一的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和10~20sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源和N型掺杂剂N2,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力下生长0.1~0.2μm厚,掺杂浓度1×1014~9×1016cm-3的N型掺杂层一。
所述Al-N共掺层四的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、10~20sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力下生长10~20nm厚的Al-N共掺层四。
所述Al-N共掺层五的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、30~60sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mba压力下生长10~20nm厚的Al-N共掺层五。
所述N型掺杂层二的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和80~120sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源和N型掺杂剂N2,于15880~1680℃温度和50~500mbar压力下生长0.1~0.2μm厚、掺杂浓度1×1017~9×1019cm-3的N型掺杂层二。
所述漂移层的生长方法为:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和20~60sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体、碳源、N型掺杂剂N2,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力下生长10~200μm厚,掺杂浓度1×1015~9×1017cm-3的漂移层。
本发明提供的基于Al-N共掺的SiC外延结构的制备方法,在衬底与外延层之间插入三层Al-N共掺层,由于商业用4H-SiC是高N型掺杂的,与衬底接触的Al-N共掺层一通过在1580~1680℃温度和50~500mbar压力下流通原料气体和高流量掺杂气体N2形成;为缓解晶格失配,保持掺杂气体N2流量不变的情况下,进一步提升掺杂气体中TMAl的流量,在Al-N共掺层一之上形成Al-N共掺层二,然后保持掺杂气体中TMAl的流量不变降低掺杂气体中的N2的流量在Al-N共掺层二之上形成Al-N共掺层三;然后保持掺杂气体中的N2的流量不变,在Al-N共掺层三之上形成低掺杂的N型掺杂层一;为了进一步降低降低堆垛层错密度,在N型掺杂层一与N型掺杂层二之间插入了两层Al-N共掺层,其中Al-N共掺层四的掺杂浓度与Al-N共掺层三相同,然后保持掺杂气体中的TMAl的流量不变,提升N2的流量在Al-N共掺层四之上形成Al-N共掺层五;然后提升N2的流量在Al-N共掺层五之上形成高掺杂的N型掺杂层二,最后降低N2的流量在高掺杂的N型掺杂层二之上形成漂移层。通过掺杂剂流量的阶梯式变化,提高层与层之间的载流子浓度差,载流子浓度差大时,晶格常数变化变大,当相邻的层间的晶格常数变化大时,在层间容易产生从基面位错向穿透刃型位错的转换,并通过在低掺杂的N型掺杂层一与高掺杂的N型掺杂层二之间插入了多层Al-N共掺层,降低堆垛层错密度。
与现有技术相比,本发明提供的基于Al-N共掺的SiC外延结构经KOH腐蚀后的SF密度≤0.3cm-2、BPD密度≤0.66cm-2。
附图说明
图1为基于Al-N共掺的SiC外延结构图,其中1-衬底、2-Al-N共掺层一、3-Al-N共掺层二、4-Al-N共掺层三、5-N型掺杂层一、6-Al-N共掺层四、7-Al-N共掺层五、8-N型掺杂层二、9-漂移层。
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
基于Al-N共掺的SiC外延结构,由下至上依次包括:衬底、Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、N型掺杂层一、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五、N型掺杂层二、漂移层。
所述Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五的厚度均为10~20nm。
所述Al-N共掺层一、Al-N共掺层二中的N的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层一中Al的掺杂浓度低于所述Al-N共掺层二中Al的掺杂浓度。
所述Al-N共掺层二、Al-N共掺层三中的Al的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层二中N的掺杂浓度高于所述Al-N共掺层三中N的掺杂浓度。
所述Al-N共掺层三、Al-N共掺层四中的N、Al的掺杂浓度相同。
所述Al-N共掺层四、Al-N共掺层五中的Al的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层四中N的掺杂浓度低于所述Al-N共掺层五中N的掺杂浓度。
所述N型掺杂层一中的N的掺杂浓度低于所述N型掺杂层二中的N的掺杂浓度。所述N型掺杂层一中的N的掺杂浓度为1×1014~9×1016cm-3;所述N型掺杂层二中的N的掺杂浓度为1×1017~9×1019cm-3。
所述N型掺杂层一、N型掺杂层二的厚度均为0.1~0.2μm。
所述漂移层的厚度为10~200μm。
实施例2
基于Al-N共掺的SiC外延结构的制备方法,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4H-SiC衬底,对其进行标准清洗;将4H-SiC衬底放置到充抽过的化学气相沉积设备的反应室中,再将反应室抽成真空。分别以80~500slm的流量通入H2,于50-500mbar压力和1400-1550℃温度下刻蚀10~30min;
2)4H-SiC Al-N共掺层一:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、50~100sccm和5~10sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,生长10~20nm厚的Al-N共掺层一;
3)4H-SiC Al-N共掺层二:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、50~100sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,生长10~20nm厚的Al-N共掺层二;
4)4H-SiC Al-N共掺层三:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、10~20sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,生长10~20nm厚的Al-N共掺层三;
5)低掺杂浓度N型掺杂层一生长:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和10~20sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源和N型掺杂剂N2,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,生长0.1~0.2μm厚、掺杂浓度1×1014~9×1016cm-3的N型掺杂层一;
6)4H-SiC Al-N共掺层四:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、10~20sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,生长10~20nm厚的Al-N共掺层四;
7)4H-SiC Al-N共掺层五:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm、30~60sccm和20~40sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2和P型掺杂剂TMAl,于1580~1680℃温度和50~500mba压力,生长10~20nm厚的Al-N共掺层五;
8)高掺杂浓度N型掺杂层二生长:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和80~120sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源和N型掺杂剂N2,于15880~1680℃温度和50~500mbar压力,生长0.1~0.2μm厚,掺杂浓度1×1017~9×1019cm-3的N型掺杂层二;
9)漂移层的生长:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和和20~60sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,10~200μm厚,掺杂浓度1×1015~9×1017cm-3的漂移层;
KOH腐蚀观察SF、BPD密度:使用马弗炉加热熔融KOH颗粒,待KOH完全熔融,放入SiC外延片。腐蚀温度设定450~500℃,腐蚀时间设定10~20min。腐蚀结束后,依次用去离子水、稀盐酸、去离子水清洗SiC样品。使用光学显微镜对SiC腐蚀坑进行观察确认SF、BPD密度,结果如表1所示。
表1
比较例1
一种SiC外延结构,由下至上依次包括:衬底、低掺杂浓度N型掺杂层一、高掺杂浓度N型掺杂层二、漂移层。
所述SiC外延结构的制备方法,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4H-SiC衬底,对其进行标准清洗;将4H-SiC衬底放置到充抽过的化学气相沉积设备的反应室中,再将反应室抽成真空。分别以80~500slm的流量通入H2,于50-500mbar压力和1400-1550℃温度下刻蚀10~30min;
2)低掺杂浓度N型掺杂层一生长:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和10~20sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源和N型掺杂剂N2,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,生长0.1~0.2μm厚、掺杂浓度1×1014~9×1016cm-3的N型掺杂层一;
3)高掺杂浓度N型掺杂层二生长:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和80~120sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源和N型掺杂剂N2,于15880~1680℃温度和50~500mbar压力,生长0.1~0.2μm厚,掺杂浓度1×1017~9×1019cm-3的N型掺杂层二;
10)漂移层的生长:分别以100~800slm、300~600sccm、200~500sccm和和20~60sccm的流量通入载气H2、含氯的硅源气体(SiCl4,SiHCl3,SiH2C12或SiH3Cl)、碳源、N型掺杂剂N2,于1580~1680℃温度和50~500mbar压力,10~200μm厚,掺杂浓度1×1015~9×1017cm-3的漂移层;
KOH腐蚀观察SF、BPD密度:使用马弗炉加热熔融KOH颗粒,待KOH完全熔融,放入SiC外延片。腐蚀温度设定450~500℃,腐蚀时间设定10~20min。腐蚀结束后,依次用去离子水、稀盐酸、去离子水清洗SiC样品。使用光学显微镜对SiC腐蚀坑进行观察确认SF、BPD密度,结果如表1所示。
上述参照实施例对一种基于Al-N共掺的SiC外延结构及其制备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.基于Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述基于Al-N共掺的SiC外延结构由下至上依次包括:衬底、Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、N型掺杂层一、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五、N型掺杂层二、漂移层。
2.根据权利要求1所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述Al-N共掺层一、Al-N共掺层二、Al-N共掺层三、Al-N共掺层四、Al-N共掺层五的厚度均为10~20nm。
3.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述Al-N共掺层一、Al-N共掺层二中的N的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层一中Al的掺杂浓度低于所述Al-N共掺层二中Al的掺杂浓度。
4.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述Al-N共掺层二、Al-N共掺层三中的Al的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层二中N的掺杂浓度高于所述Al-N共掺层三中N的掺杂浓度。
5.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述Al-N共掺层三、Al-N共掺层四中的N、Al的掺杂浓度相同。
6.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述Al-N共掺层四、Al-N共掺层五中的Al的掺杂浓度相同;所述Al-N共掺层四中N的掺杂浓度低于所述Al-N共掺层五中N的掺杂浓度。
7.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述N型掺杂层一中的N的掺杂浓度低于所述N型掺杂层二中的N的掺杂浓度。
8.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述N型掺杂层一、N型掺杂层二的厚度均为0.1~0.2μm。
9.根据权利要求1或2所述的Al-N共掺的SiC外延结构,其特征在于,所述漂移层的厚度为10~200μm。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的Al-N共掺的SiC外延结构的制备方法,其特征在于,在1580~1680℃温度和50~500mbar压力下流通原料气体和掺杂气体,依次在衬底上生长所述Al-N共掺层一、所述Al-N共掺层二、所述Al-N共掺层三、所述N型掺杂层一、所述Al-N共掺层四、所述Al-N共掺层五、所述N型掺杂层二、所述漂移层。
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