CN113078205B - 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 (5)
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；
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。
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N型掺杂层一、N型掺杂层二的厚度均为0.1～0.2μm。
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，所述漂移层的厚度为10～200μm。
5.一种如权利要求1-4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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