CN114032616B - 非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法 - Google Patents

非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法。采用富Si生长工艺(Si/H2＝0.26‰，C/Si＝0.8)，实现低速生长，生长气氛中保持较高的Si源相对化学势μSi可以使得外延生长台阶高度为1/4c，实现衬底晶格的完整复制，有利于衬底缺陷愈合的同时，还可以得到较高的N型离化掺杂浓度。

Description

非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长 方法
技术领域
本发明涉及非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法。
背景技术
以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件是目前在中、高功率电力电子领域发展最快的半导体器件之一，广泛应用于电动汽车、白色家电、轨道交通、国家电网以及航空航天等行业领域。目前SiC已知具有200多种同素异构体，其中6H-SiC和4H-SiC因可获得高质量的单晶衬底得到了广泛关注。而4H-SiC相比6H-SiC，因具有更宽的禁带宽度和更高的电子迁移率，更适合于功率器件的制作。此前，功率器件大部分使用了Si半导体材料，4H-SiC耐击穿场强比Si半导体更高，且能够实现低电力损耗以及电力转换器的小型化，是制备中、高功率电力电子器件的理想材料。但由于SiC材料不同堆垛层间形成能差距较小，极容易形成不同晶型，难以保证得到单一的4H-SiC晶型。目前4H-SiC外延生长普遍使用台阶流生长技术，即选取自(0001)面倾斜数度的角度作为生长面，通常离轴在2到8°之间，通过台阶流生长模式复制衬底晶格以进行外延生长。
然而由于衬底材料存在缺陷以及外延生长技术不够成熟，在大尺寸的4H-SiC外延层中仍然存在各种缺陷，例如形态缺陷(微管、掉落物、颗粒、三角形缺陷、胡萝卜位错等)，晶体缺陷(堆垛层错、螺纹错位等)和深层缺陷等。衬底中的这些位错会继续蔓延到外延层，其中有些还改变其线方向或转换成在外延生长期间形成堆垛层错(Stacking Faults,SFs)的部分，并在不同程度上对这些4H-SiC功率器件和紫外光电探测器的性能产生负面影响。关于4H-SiC外延生长期间位错的传播或转化以及位错对器件性能的影响。即有研究表明，当螺纹位错延伸至外延层表面上形成凹坑时，器件性能受到螺纹位错不利影响，表现为反向偏置中的漏电流或阻断电压或MOS结构击穿电荷。如果仅除去位错周围的表面凹坑，负面影响则会减小，但想进一步提高4H-SiC功率器件的性能，需要生长无位错的4H-SiC晶片。
标准商用4H-SiC晶片生产包括生长SiC块状晶体、切片块状晶体、抛光晶片并进行外延生长。目前，化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)是生产4H-SiC外延层的主要方法，其通过“逐步控制”技术实现高质量的同质外延生长。目前，主要使用具有4°斜切角的Si面晶片来制造4H-SiC肖特基势垒二极管(Schottky barrier diodes，SBD)和金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-oxide-semiconductor field effect transistors，MOSFET)。作为标准的CVD外延生长工艺，H2、SiH4和C3H8分别用作载流子，Si源和C源。也可以使用将HCl添加到标准气体系统或使用含Cl的原料气的基于Cl的气体系统。随着晶圆尺寸的增大，片内温度梯度增大，外延膜层的结构和粗糙度不易控制，缺陷的抑制难度增大，大尺寸4H-SiC外延生长时会观察到新的基面位错(BPD’)及其滑移现象。为了使外延层符合器件设计，要求精确控制厚度和掺杂浓度，以保持其晶片内和晶片间一致性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法。
本发明的技术方案为：
非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，包括如下步骤：
1)准备碳化硅衬底，所述的碳化硅衬底为具有台阶的4H-SiC衬底；
2)反应腔体升温：将反应腔体升温至第一温度后恒温保持；
3)反应腔体恒温放片：将步骤1)4H-SiC衬底放入承载盘，再将承载盘和衬底一起装入反应室，此时反应室温度稳定在第一温度；
4)升温至工艺温度：反应腔体升温至工艺温度，同时，反应室压力降低至设定生长压力；
5)原位刻蚀：腔体温度达到设定的工艺温度时，保持在该温度下对衬底进行原位刻蚀；
6)原位刻蚀结束后，通入源气，在低速富Si气氛条件下进行外延生长，所述的富Si气氛条件即控制Si的化学势μsi大于
Figure BDA0003211367390000021
且小于
Figure BDA0003211367390000022
其中，
Figure BDA0003211367390000023
的生成焓，
Figure BDA0003211367390000024
为Si单晶体的化学势；
7)降温及取片；外延生长完成后，关断源气并降温；然后将承载盘和外延片从腔体内取出。
在一较佳实施例中，控制Si的化学势μsi大于-5.742799eV，小于-5.419999eV。
在一较佳实施例中，控制进入反应腔C源和Si源流量Si/H2＝0.26‰，C/Si＝0.8，台阶生长高度为1/4c。
在一较佳实施例中，所述的第一温度为850-950℃。
在一较佳实施例中，步骤6)中，外延生长温度为1500～1700℃，生长压力为80～150mbar。
在一较佳实施例中，源气包括SiH4、三氯氢硅(TCS)、C3H8和C2H4中的至少一种。
在一较佳实施例中，步骤4)的升温为，先以20～30℃/min的速度升温至1400℃，然后以10～15℃/min的速度升温至设定的工艺温度。
在一较佳实施例中，设定的工艺温度为1550～1670℃。
在一较佳实施例中，步骤5)的原位刻蚀参数为纯氢或纯氢混合少量生长源气，时间为1-20min。
在一较佳实施例中，步骤7)的降温为自然降温至第一温度。
与现有发明相比，本发明的方法具有以下有益效果：
1.能够获得零位错的碳化硅；
2.低速富Si条件下生长带来的优点：
(1)富Si的生长状态能够修复衬底上的缺陷，得到均一化的Si极性生长面，使台阶表面均为Si原子表面，有利于外延生长按照衬底上的台阶结构持续进行，减少缺陷成核；
(2)缓冲层需要很高的掺杂浓度(～1×1018cm-3)，以减少器件的正向导通电阻，同时有利于器件工作时电压的耗尽，按照“竞位原理”，N型掺杂源N原子通过替代C晶格进行掺杂，富Si状态下，C源的相对化学势较低，N原子更容易掺入晶格，得到高的掺杂浓度；
(3)低速生长有利于衬底BPD缺陷向TED转化，同时富Si生长的外延层容易生成较多的C空位/孔洞，衬底上部分BPD缺陷的位错线可能钉扎于空位/孔洞处，使得BPD缺陷不会继续向后续生长的外延层延伸，有效降低了BPD缺陷密度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为台阶表面模型
图2为表面吸附SimCn的形成能随Si化学势的依赖关系图
图3低速生长时，固定Si源流量为Si/H2＝0.26‰，不同C源流量对4H-SiC外延表面形貌缺陷和表面生长台阶高度的影响。
具体实施方式
本发明通过化学势调控来进行4H-SiC生长，其中，化学势调控基于以下公式：
ΔGf＝Etot-Eref-ΔnSiμSi-ΔnCμC (1.1)其中Gf表示台阶表面各生长基元吸附模型相对于洁净台阶表面的形成能变化量，Etot表示台阶吸附原子、分子或团簇的体系总能，Eref表示洁净台阶表面的总能，μSi和μC分别表示Si、C元素的化学势，ΔnSi和ΔnC分别表示相对于洁净台阶表面，各生长结构中Si原子和C原子数目变化量，在平衡状态下，给定种类的化学势在相互关联的所有相中都是相等的，在此假设4H-SiC的各种台阶表面和体结构平衡，则C原子和Si原子的化学势将不是相互独立的，两者满足
Figure BDA0003211367390000041
其中
Figure BDA0003211367390000042
为4H-SiC的化学势，则式(1.1)可以表示为
Figure BDA0003211367390000043
在SiC材料实际生长中，为了避免形成单质单晶Si、金刚石C金属而难以生长成4H-SiC，各种原子的化学势必须满足
Figure BDA0003211367390000044
Si的相对化学势ΔμSi的变化范围在
Figure BDA0003211367390000045
(富C状态)至
Figure BDA0003211367390000046
Figure BDA0003211367390000047
(富Si状态)之间。不同吸附单体的稳定性随着源气化学势的改变而改变，如附图2所示，当Si的相对化学势很高时，生长气氛处于富Si状态，1/4c台阶边界处吸附Si原子的稳定性最强，其次为C-Si2团簇，吸附SiC分子的稳定性最差，这说明在该条件下，4H-SiC外延主要以吸附Si原子的方式进行生长，并且4H-SiC中四种不同台阶吸附Si原子的形成能基本相同，这说明如果台阶以吸附Si原子进行生长，则四种台阶的生长速率基本相同，生长台阶的高度为单台阶高度1/4c。
非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流台阶流低速生长方法，包括如下步骤：
准备碳化硅衬底，所述衬底为具有台阶的碳化硅：
升温。使用射频加热，将反应腔体从室温20℃升温至900℃，并恒温保持在900℃。
恒温放片。使用吸笔将计划用于生长的4H-SiC衬底放入承载盘。再由机械手将承载盘和衬底一起装入反应室，此时反应室温度稳定在900℃。
升温至工艺温度(1550～1670℃)。射频发生器按照既定的升温速度对反应腔体进行加热。同时，反应室压力逐渐降低至设定的生长压力。
原位刻蚀。腔体温度达到设定的工艺温度时，保持在该温度下对衬底进行原位刻蚀，刻蚀时间1～20min。
根据化学势原理，调节生长氛围里的C与Si的比例，营造富Si状态进行4H-SiC低速生长。原位刻蚀结束后，通入源气，在低速富Si条件下进行生长。
最后，降温及取片。外延生长完成后，切断源气，同时断开射频源直接降温。当温度下降至900℃，射频源会重新开启，以保持温度恒定在900℃。同时机械手会将承载盘和外延片从腔体内取出。
根据本发明优选的，所述的生长源包括SiH4、TCS、C3H8和C2H4等。
根据本发明优选的，所述的生长温度为1500～1700℃，生长压力为80～150mbar。
根据本发明优选的，所述的C源和Si源流量Si/H2＝0.26‰，C/Si＝0.8为富Si状态，生长速度约为4μm/h，台阶生长高度为1/4c。
基于5×5×3的4H-SiC元胞建立台阶表面模型，在选定的双原子层界面处沿(0001)晶面垂直方向进行切割，得到平坦的4H-SiC Si极性表面，最后沿着
Figure BDA0003211367390000052
晶面方向，移除右侧最上层的C-Si双原子层，最终得到4H-SiC的台阶模型。4H-SiC晶体中C-Si双原子层以…ABCBABCB…序列堆垛，台阶高度为1/4c时可能存在4种台阶结构，分别标记为Step1(S1)：表层台面C-Si双原子层按照B形式堆垛，次表层台面的双原子层按照C形式堆垛；Step2(S2)：表层台面按照双原子层按照A形式堆垛，次表层台面按照B形式堆垛；以此类推，Step3(S3)的表层和次表层台面双原子层分别按照B形式和A形式堆垛；Step4(S4)的表层和次表层台面双原子层分别按照C形式和B形式堆垛。四种台阶结构如附图1所示，每个模型由5×5×1的原子薄层和真空层组成，其中包含4个C-Si双原子层，在c轴方向上保留
Figure BDA0003211367390000051
的真空层，以消除上下两层表面原子的相互影响，a轴和b轴方向进行周期性扩展，各台阶结构底层C原子的悬挂键用H原子进行钝化，整个台阶结构中的原子均可以沿着c轴方向弛豫优化。计算时平面波的截断能取400eV，网格点设置为8×8×8。
通过原子、分子和团簇吸附在4H-SiC台阶(1/4c)边界处的计算结果，可以得出Si原子、SiC分子(优先吸附C原子)和C-Si2团簇三种单体都可以稳定吸附在4H-SiC台阶边界处，三种吸附结构的形成能和Si相对化学势的变化趋势如附图2所示。从图中可以看出，不同吸附单体的稳定性随着源气化学势的改变而改变，当Si的相对化学势很高时，生长气氛处于富Si状态，1/4c台阶边界处吸附Si原子的稳定性最强，其次为Si2C团簇，吸附SiC分子的稳定性最差，这说明在该条件下，4H-SiC外延主要以吸附Si原子的方式进行生长，并且4H-SiC中四种不同台阶吸附Si原子的形成能基本相同，这说明如果台阶以吸附Si原子进行生长，则四种台阶的生长速率基本相同，生长台阶的高度为单台阶高度1/4c。
本发明采用4H-SiC同质外延生长的设备为旋转式单片热壁反应炉，该系统采用射频加热，可将150mm 4H-SiC衬底表面的温度梯度有效控制在10K/cm以下，避免表面太大的过冷度，减少热应力引入的缺陷。生长过程中旋转基座可有效改善源气在晶片表面的径向分布，有利于厚度及掺杂浓度不均匀性的调节。
一种非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法包括以下步骤:
外延生长使用的衬底来自同一厂家同一晶锭偏4°斜切的150mm 4H-SiC衬底，避免衬底加工工艺或结晶质量对外延结果的影响。设备通过机械手在高温下进行自动放取片操作，单炉生长一片150mm 4H-SiC外延片，可兼容进行100mm外延生长。其典型的生长源为SiHCl3(TCS)和C2H4，N型掺杂源为N2，P型掺杂源为TMAl，氢气作为载气。腔体内备件为石墨材质，能够快速升温并保持腔体温度。石墨基座具有气浮旋转功能，能够使衬底在旋转状态下进行外延生长。4H-SiC衬底典型的生长温度为1650℃。
准备具有台阶的4H-SiC衬底：使用射频加热，将反应腔体从室温升温至900℃，达到目标温度后恒温保持。然后使用吸笔将计划用于生长的4H-SiC衬底放入承载盘，再由机械手将承载盘和衬底一起装入反应室，此时反应室温度稳定在900℃。再射频发生器按照既定的升温速度对反应腔体进行加热。同时，反应室压力逐渐降低至设定的生长压力。当腔体内温度达到1400℃时，降低升温速度，缓慢升温至设定的工艺温度(1550～1670℃)。腔体温度达到设定的工艺温度时，保持在该温度下对衬底进行原位刻蚀，刻蚀时间1～20分钟。在刻蚀过程中，需要通入少量的硅源或碳源控制衬底表面Si原子和C原子的剥离速度，最后得到具有台阶的4H-SiC衬底。
在具有台阶的碳化硅衬底上低速富SiC外延，其外延生长温度和压力固定不变，Si源流量设定为Si/H2＝0.26‰，C源流量分别设定为C/H2＝0.16‰、0.20‰以及0.28‰(C/Si比分别为：0.6、0.8以及1.1)，三种生长条件下外延生长速度均≤5μm/h，外延生长厚度约为4μm左右。所得4H-SiC样品A、B和C分别进行表面形貌缺陷检测和AFM表面粗糙度检测，为了观察到原子级生长台阶，AFM扫描尺寸为1μm×1μm，所得检测结果如附图3所示。各样品表面致命性缺陷(掉落物、三角形和胡萝卜位错)分布图中均未见表面掉落物，表明反应室环境稳定，生长前或生长过程中未发生颗粒掉落，三片样品所用衬底右上角区域有微管聚集，造成该区域外延后出现了大量缺陷，排除该区域的缺陷，三片样品的表面形貌缺陷密度(EDD,Epi Defect Density)随C/Si比增加有所递增，但变化不大，分别为：0.18cm-2、0.23cm-2以及0.26cm-2，三片样品的粗糙度RMS分别为：0.09nm，0.16nm及0.21nm。样品的C/Si比为0.6和0.8，生长台阶高度为0.25nm(1/4c)，说明外延生长为单台阶生长，台阶生长优先吸附的单体为Si原子，而且由于生长速度较慢，吸附单体有充分的时间扩散到台阶边缘处，不会在台面上形成二维成核生成缺陷，表面缺陷也相对较少。样品C的C/Si比为1.1，表面粗糙度明显增加，开始出现周期性小型台阶聚集的现象，台阶聚集的高度约为1nm左右，形成的巨型台面宽度约为100～150nm左右。说明该生长条件下生长环境处于富C状态，参与外延生长的吸附单体为SiC分子。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，包括如下步骤：
1)准备碳化硅衬底，所述的碳化硅衬底为具有台阶的4H-SiC衬底；
2)反应腔体升温：将反应腔体升温至第一温度后恒温保持；
3)反应腔体恒温放片：将步骤1)4H-SiC衬底放入承载盘，再将承载盘和衬底一起装入反应室，此时反应室温度稳定在第一温度；
4)升温至工艺温度：反应腔体升温至工艺温度，同时，反应室压力降低至设定生长压力；
5)原位刻蚀：腔体温度达到设定的工艺温度时，保持在该温度下对衬底进行原位刻蚀；
6)原位刻蚀结束后，通入源气，在低速富Si气氛条件下进行外延生长，所述的富Si气氛条件即控制Si的化学势μSi；控制Si的化学势μSi大于-5.742799eV，小于-5.419999eV，C/Si＝0.6，台阶生长高度为1/4c；
7)降温及取片；外延生长完成后，关断源气并降温；然后将承载盘和外延片从腔体内取出。
2.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于：控制进入反应腔C源和Si源流量Si/H2＝0.26‰。
3.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于：所述的第一温度为850～950℃。
4.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于，步骤6)中，外延生长温度为1500～1700℃，生长压力为80～150mbar。
5.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于：源气包括SiH4、三氯氢硅TCS、C3H8和C2H4中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于，步骤4)的升温为，先以20-30℃/min的速度升温至1400℃，然后以10～15℃/min的速度升温至设定的工艺温度。
7.根据权利要求1或6所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于，设定的工艺温度为1550～1670℃。
8.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于，步骤5)的原位刻蚀参数为纯氢或纯氢混合少量生长源气，时间为1～20min。
9.根据权利要求1所述的非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法，其特征在于，步骤7)的降温为自然降温至第一温度。
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