CN115247278A - 一种碳化硅外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅外延结构及其制备方法，具体涉及碳化硅外延生长技术领域。本发明制备方法，包括以下步骤：选取碳化硅衬底，并对其进行湿法清洗；将湿法清洗后的碳化硅衬底置于反应室内，并将所述反应室抽至真空；向所述反应室内通入氢气和氯化氢对所述碳化硅衬底进行原位刻蚀；向所述反应室内通入生长源及掺杂源生长碳化硅缓冲层，其中所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与碳化硅外延层的掺杂浓度之间变化；在所述碳化硅缓冲层上生长所述碳化硅外延层。采用本发明的制备方法可改善碳化硅外延层的质量。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅外延生长技术领域，具体涉及一种碳化硅外延结构及其制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，由于具有大的禁带宽度、优良的稳定性、高热导率、高临界击穿场强、高饱和电子漂移速度等优良特性，而在高温、高频、大功率和强辐射电力电子器件等领域得到广泛的应用。但碳化硅器件的良率受限于碳化硅外延技术的发展。
目前，碳化硅外延生长采用CVD(化学气相沉积)法进行同质外延生长，由于衬底是超高浓度掺杂，外延层是低掺杂，通常在衬底与外延层之间生长掺杂浓度介于衬底与外延层之间的缓冲(Bffer)层，改善外延层质量。但是，上述工艺中，衬底与Buffer界面，由超高掺杂下降两个量级的掺杂，界面非常陡峭，Buffer层与外延层界面，同样存在超过2个量级，甚至达到3个量级的掺杂跳跃，界面更加陡峭。界面处陡峭的掺杂浓度，以及不可控变量，导致外延生长的电阻率、电容等性能存在差异，甚至对器件有损伤。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供一种碳化硅外延结构及其制备方法，以改善碳化硅外延结构界面处掺杂浓度突变导致的电阻率、电容等性能存在差异的问题。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种碳化硅外延结构的制备方法，包括以下步骤：选取碳化硅(SiC)衬底，并对其进行湿法清洗；将湿法清洗后的SiC衬底置于反应室内，并将所述反应室抽至真空；向所述反应室内通入氢气(H2)和氯化氢(HCl)对所述SiC衬底进行原位刻蚀；向所述反应室内通入生长源及掺杂源生长SiC缓冲层，其中所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与SiC外延层的掺杂浓度之间变化；在所述SiC缓冲层上生长所述SiC外延层。
在本发明一示例中，所述湿法清洗包括：将所述SiC衬底置于浓硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)的混合溶液中，在100～150℃下浸泡80～100分钟，对所述SiC衬底进行初次氧化；将初次氧化后的SiC衬底在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的浓H2SO4和H2O2混合溶液；将清洗后的SiC衬底置于浓度为5～15％的氢氟酸(HF)溶液中浸泡50～70分钟以洗去衬底表面的氧化层；将SiC衬底在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的HF；将清洗后的SiC衬底置于氨水(NH3·H2O)、H2O2及水的混合溶液中浸泡50～70分钟对所述SiC衬底进行二次氧化；将二次氧化后的SiC衬底在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的氨水、双氧水；将清洗后的SiC衬底置于浓度为5～15％的盐酸(HCl)溶液中浸泡50～70分钟清洗表面的氧化层；在超纯水中超声清洗，以去除衬底表面残留的HCl。
在本发明一示例中，所述H2SO4和H2O2的混合和溶液中，H2SO4的浓度为80～90％，H2O2的浓度为10～20％。
在本发明一示例中，所述SiC衬底为偏向<11-20>方向4°的硅面SiC衬底。
在本发明一示例中，所述原位刻蚀包括：向所述反应室内通入H2，保持H2的流量为80～100L/min，反应室压力为100～200mbar，以45～60℃/分钟的升温速率，将反应室的温度由室温升至1630～1650℃；再向反应室内通入氯化氢(HCl)气体，在保持腔室内压力和温度不变的情况下刻蚀500～700秒，所述HCl气体的流量在刻蚀时间内由开始的20～50sccm逐渐升高至500～600sccm。
在本发明一示例中，生长碳化硅缓冲层包括：调节所述反应室的温度为1630～1650℃，压力为100～200mbar，向所述反应室内通入碳源、硅源和N型掺杂源生长SiC缓冲层，其中，所述硅源的流量为500～1000sccm，所述碳源与所述硅源的碳硅比为0.5～1.2，所述N型掺杂源的流量在生长过程中随着所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度不断变化。
在本发明一示例中，所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与所述SiC外延层的掺杂浓度之间呈阶梯式下降，下降模式遵循以下模型：第一阶段：y(x2-x1)＝-4E18*x；第二阶段：y(x3-x2)＝1E18；第三阶段：y(x4-x3)＝-1E18*x；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示缓冲层的生长位置，x1表示第一阶段开始的界面位置，x2表示第一阶段结束的界面位置，x3表示第二阶段结束的界面位置，x4表示第三阶段结束的界面位置。
在本发明一示例中，所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与所述SiC外延层的掺杂浓度之间呈缓慢式下降；下降模式遵循以下模式：第一阶段：y(x2-x1)＝-x2+5E18；第二阶段：y(x3-x2)＝1E18；第三阶段：y(x4-x3)＝-x2+1E18；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表示第一阶段开始的界面位置，x2表示第一阶段结束的界面位置，x3表示第二阶段结束的界面位置，x4表示第三阶段结束的界面位置。
在本发明一示例中，所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与所述SiC外延层的掺杂浓度之间呈直降式变化，变化模式遵循以下模型：y(x2-x1)＝-5E18*x；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表示缓冲层开始的界面位置，x2表示缓冲层结束的界面位置。
在本发明一示例中，所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与所述SiC外延层的掺杂浓度之间呈循环式变化，变化模式遵循以下模型：y(xn-xn-1)＝1E16和y(xn+1-xn)＝5E18交替进行；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n缓冲层结束的界面位置，n为大于1的整数。
在本发明一示例中，所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与所述SiC外延层的掺杂浓度之间呈循环式变化，变化模式遵循以下模型：y(xn-xn-1)＝1E16和y(xn+1-xn)＝1E18；交替进行，其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n缓冲层结束的界面位置，n为大于1的整数。
在本发明一示例中，所述SiC缓冲层的掺杂浓度在所述SiC衬底的掺杂浓度与所述SiC外延层的掺杂浓度之间呈循环式变化，变化模式遵循以下模型：y(xn-xn-1)＝1E18和y(xn+1-xn)＝5E18交替进行；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n缓冲层结束的界面位置，n为大于1的整数。
在本发明一示例中，生长所述SiC外延层包括：将所述反应室的温度调节至1600～1630℃，将生长源与掺杂源调节至所需值，根据工艺程序生长外延层。
本发明另一方面提供一种SiC外延结构，所述SiC外延结构采用本发明的制备方法制备而成。
本发明提供一种SiC外延结构的制备方法，该方法在缓冲层的生长过程中通过控制掺杂气体的流量控制缓冲层的掺杂浓度，从而实现缓冲层的掺杂浓度在SiC衬底的掺杂浓度与SiC外延层的掺杂浓度之间缓慢变化，使得SiC衬底与SiC缓冲层的界面、SiC缓冲层与SiC外延层的界面处的掺杂浓度缓慢过渡，改善外延层的质量。在衬底清洗的过程中采用湿法清洗的流程，通过多次氧化和还原可以改善机械处理后的衬底表面，去除多余的杂质；另外，在对衬底刻蚀时，采用H2与HCl结合的方式可增强刻蚀效果，减少刻蚀所需的时间，并且能够有效降低碳化硅外延层的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明碳化硅外延结构的制备方法流程图；
图2为图1中湿法清洗的流程图；
图3为本发明碳化硅外延结构制备方法于一实施例中缓冲层采用第一种掺杂模型的掺杂浓度变化示意图；
图4为本发明碳化硅外延结构制备方法于一实施例中缓冲层采用第二种掺杂模型的掺杂浓度变化示意图；
图5为本发明碳化硅外延结构制备方法于一实施例中缓冲层采用第三种掺杂模型的掺杂浓度变化示意图；
图6为本发明碳化硅外延结构制备方法于一实施例中缓冲层采用第四种掺杂模型的掺杂浓度变化示意图；
图7为本发明碳化硅外延结构制备方法于一实施例中缓冲层采用第五种掺杂模型的掺杂浓度变化示意图；
图8为本发明碳化硅外延结构制备方法于一实施例中缓冲层采用第六种掺杂模型的掺杂浓度变化示意图；
图9为本发明碳化硅外延结构的结构示意图；
图10为本发明碳化硅外延结构的外延层的形貌图；
图11为本发明碳化硅外延结构在刻蚀过程中未通入HCl的外延层的形貌图。
元件标号说明
1、SiC衬底；2、SiC缓冲层；3、SiC外延层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1和图9，本发明提供一种SiC外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取SiC衬底1，并对其进行湿法清洗；
S2、将湿法清洗后的SiC衬底1置于反应室内，并将反应室抽至真空；
S3、向反应室内通入H2和HCl对SiC衬底1进行原位刻蚀；
S4、向反应室内通入生长源及掺杂源生长SiC缓冲层2，其中SiC缓冲层2的掺杂浓度在SiC衬底1的掺杂浓度与SiC外延层3的掺杂浓度之间变化；
S5、在SiC缓冲层2上生长SiC外延层3。
请参阅图1、图2和图9，步骤S1中SiC衬底1选取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，例如可选取6-inch偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底或者4-inch偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，具体尺寸可根据需要进行选择，在此不做限制。对SiC衬底1进行湿法清洗即通过多次氧化和还原的方式改善衬底表面，去除多余的杂质，湿法清洗的步骤具体包括：
S11、将SiC衬底1置于浓H2SO4和H2O2的混合溶液中，在100～150℃下浸泡80～100分钟，对SiC衬底1进行初次氧化；
S12、将初次氧化后的SiC衬底1在40～60℃的纯水内反复清洗以去除残留的H2SO4和H2O2混合溶液；
S13、将清洗后的SiC衬底1置于浓度为5～15％的HF溶液中浸泡50～70分钟以洗去衬底表面的氧化层；
S14、将SiC衬底1在40～60℃的纯水内反复清洗以去除残留的HF溶液；
S15、将清洗后的SiC衬底1置于NH3·H2O、H2O2及H2O的混合溶液中对SiC衬底1进行二次氧化；
S16、将二次氧化后的SiC衬底1在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的NH3·H2O、H2O2。
S17、将清洗后的SiC衬底1置于浓度为5～15％的HCl溶液中浸泡50～70分钟清洗表面的氧化层；
S18、在纯水中超声清洗，以去除衬底表面残留的HCl溶液。
其中，步骤S11中，浓H2SO4和H2O2的混合溶液中浓H2SO4的浓度为80～90％，H2O2的浓度为10～20％，例如H2SO4的浓度为80％，H2O2的浓度为20％；或者浓H2SO4的浓度为85％，H2O2的浓度为15％；或者浓H2SO4的浓度为90％，H2O2的浓度为10％。SiC衬底1在浓H2SO4和H2O2的混合溶液中的浸泡时间为80～100分钟，以使得衬底表面被氧化。浸泡时间例如可选择为80分钟、90分钟或100分钟等上述数值范围内的任一数值。
步骤S12是将步骤S11处理后的SiC衬底1从浓H2SO4和H2O2的混合溶液中取出，放入40～60℃的超纯水中反复清洗以将衬底表面残留的浓H2SO4和H2O2去除。超纯水的温度可以为40℃、50℃或60℃等，反复清洗可以选择在超声清洗机中配合超纯水反复清洗5～6次直至将残留的浓H2SO4和H2O2去除干净。
步骤S13是将SiC衬底1从步骤S12的超纯水中取出，放入浓度为5～15％的HF溶液中在常温下清洗以去除衬底表面的氧化层。其中，HF的浓度例如可选择为5％、8％、11％或15％等。SiC衬底1在HF中的清洗时间为50～70分钟，例如清洗时间可为50分钟、60分钟或70分钟等上述数值范围内任一数值，具体可根据衬底表面氧化层的厚度进行选择。
步骤S14是将步骤S13处理后的SiC衬底1取出，在40～60℃的超纯水中反复清洗直至将衬底表面残留的HF溶液清洗干净。具体清洗条件可参照步骤S12。
步骤S15是将步骤S14处理后的SiC衬底1置于NH3H2O、H2O2及H2O的混合溶液中浸泡50～70分钟，对衬底表面进行二次氧化；混合溶液中，NH3H2O的浓度为5～10％，H2O2的浓度5～10％。例如，NH3H2O的浓度可选择为5％、8％或10％等，H2O2的浓度为5％、7％或10％等。
步骤S16是将步骤S15处理后的SiC衬底1取出，在40～60℃的超纯水中反复清洗直至将衬底表面残留的NH3H2O、H2O2清洗干净。具体清洗条件可参照步骤S14。
步骤S17是将步骤S16清洗后的SiC衬底1置于浓度为5～15％的HCl溶液中清洗，以去除衬底表面的氧化层。其中，HCl溶液的浓度例如5％、10％或15％等。SiC衬底1在HCl中的清洗时间为50～70分钟，具体可根据衬底表面氧化层的厚度进行选择。
步骤S18是将步骤S16处理后的SiC衬底1置于超纯水中超声清洗干净。
请参阅图1和图9，步骤S2是将SiC衬底1偏向<11-20>方向4°的硅面向上安装在石墨基座上，再将安装有SiC衬底1的石墨基座放入反应室内，利用氩气置换反应室内的空气，并将反应室抽至真空。
请参阅图1和图9，步骤S3对SiC衬底1进行原位刻蚀待反应室抽至真空后，向反应室内通入H2，保持H2的流量为80～100L/min，压力为100～200mbar同时以45～60℃/min的升温速率将反应室的温度升至1630～1650℃，例如，H2的流量可选择为80L/min、90L/min或100L/min等，压力为100mbar、150mbar、180mbar、200mbar等，升温速率可选择为45℃/min、50℃/min、60℃/min等，反应室温度可选择为1630℃、1640℃或1650℃；然后保持反应室的温度和压力不变，再通入HCl气体，利用H2和HCl对SiC衬底1刻蚀500～700秒。其中，HCl的起始流量为20～50sccm，在刻蚀时间内逐渐提高500～600sccm。例如，HCl的起始流量可选择为20sccm、30sccm、40sccm、50sccm等，刻蚀时间为5min、8min、10min等，刻蚀时间内，HCl的流量逐渐升至500sccm、550sccm、600sccm等。在H2刻蚀的过程中通入少量的HCl，可增强刻蚀效果，减少刻蚀所需要的时间，并且能够有效降低碳化硅外延过程中的缺陷，特别是对BPD(基面位错)的抑制或转化。
请参阅图1和图9，步骤S4是在刻蚀结束后，保持反应室的温度和压力不变，向反应室内通入碳源、硅源和掺杂源在SiC衬底1上生长SiC缓冲层2，其中，硅源的流量在500～1000sccm，碳源的流量根据碳硅比进行修正，碳硅比为0.5～1.2，例如硅源的流量可选择为500sccm、700sccm、900sccm、1000sccm，碳硅比可为0.5、0.8、1、1.2等。掺杂源的流量在缓冲层生长过程中不断变化以使缓冲层的掺杂浓度在SiC衬底1的掺杂浓度和SiC外延层3的掺杂浓度之间变化，掺杂源的流量为10～110sccm。本发明中，硅源可选自硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅等，碳源可选自甲烷、乙烯、乙炔或丙烷等；掺杂源可选自N型掺杂源N2。SiC衬底1的掺杂浓度的数量级为(5～10)E18，SiC外延层的掺杂浓度数量级为1E16，则缓冲层的掺杂方式有以下几种模式：
请参阅图1、图3和图9，第一种掺杂方式缓冲层的浓度呈阶梯式下降，此种模式下，缓冲层分为三个生长阶段，第一阶段的掺杂方式为：y(x2-x1)＝-4E18*x，x的取值范围为x1至x2；第二阶段的掺杂方式为：y(x3-x2)＝1E18，x的取值范围为x2至x3；第三阶段的掺杂方式为：y(x4-x3)＝-1E18*x，x的取值范围为x3至x4；其中，y表示缓冲层的掺杂浓度，x表示缓冲层的生长位置，x1表示第一阶段开始的界面位置，x2表示第一阶段结束(第二阶段开始)的界面位置，x3表示第二阶段结束(第三阶段结束)的界面位置，x4表示第三阶段结束的界面位置；(x2-x1)表示第一阶段生长的缓冲层厚度，(x3-x2)表示第二阶段生长的缓冲层厚度，(x4-x3)表示第三阶段生长的缓冲层厚度。具体生长时，可将上述生长模型输入控制程序中，通过控制程序控制流量控制器调节掺杂源的流量，以实现缓冲层掺杂浓度的调节。本实施例中缓冲层的采用直降式掺杂生长-恒定式掺杂生长-直降式掺杂生长的模式，可降低衬底与缓冲层的界面处掺杂浓度差异、缓冲层与外延层的界面处掺杂浓度的差异，提高外延层的生长质量。
请参阅图1、图4和图9，第二种掺杂方式缓冲层的浓度呈坡度式下降，此种模式下，缓冲层分为三个生长阶段，第一阶段的掺杂方式为：y(x2-x1)＝-x2+5E18，x的取值范围为x1至x2；第二阶段的掺杂方式为：y(x3-x2)＝1E18，x的取值范围为x2至x3；第三阶段的掺杂方式为：y(x4-x3)＝-x2+1E18*x，x的取值范围为x3至x4；其中，y表示缓冲层的掺杂浓度，x表示缓冲层的生长位置，x1表示第一阶段开始的界面位置，x2表示第一阶段结束(第二阶段开始)的界面位置，x3表示第二阶段结束(第三阶段结束)的界面位置，x4表示第三阶段结束的界面位置；(x2-x1)表示第一阶段生长的缓冲层厚度，(x3-x2)表示第二阶段生长的缓冲层厚度，(x4-x3)表示第三阶段生长的缓冲层厚度。具体生长时，可将上述生长模型输入控制程序中，通过控制程序控制流量控制器调节掺杂源的流量，以实现缓冲层掺杂浓度的调节。本实施例中缓冲层的采用呈指数下降式掺杂生长-恒定式掺杂生长-呈指数下降式掺杂生长的模式，可降低衬底与缓冲层的界面处掺杂浓度差异、缓冲层与外延层的界面处掺杂浓度的差异，提高外延层的生长质量。
请参阅图1、图5和图9，第三种掺杂方式缓冲层的浓度呈直线式下降，此种模式下，缓冲层的掺杂方式为：y(x2-x1)＝-5E18x，x的取值范围为x1至x2；其中，y表示缓冲层的掺杂浓度，x表示缓冲层的生长位置，x1表示缓冲层生长开始的界面位置，x2表示缓冲层生长结束的界面位置，(x2-x1)表示缓冲层厚度。具体生长时，可将上述生长模型输入控制程序中，通过控制程序控制流量控制器调节掺杂源的流量，以实现缓冲层掺杂浓度的调节。本实施例中缓冲层的采用呈直线下降式掺杂生长的模式，可降低衬底与缓冲层的界面处掺杂浓度差异、缓冲层与外延层的界面处掺杂浓度的差异，提高外延层的生长质量。
请参阅图1和图6至图9，SiC缓冲层2的掺杂浓度也可以呈循环式变换式生长，即，SiC缓冲层2按照几种不同掺杂浓度交替重复生长n(n为正整数)层直至缓冲层生长结束，在第一层缓冲层和第n层缓冲层之间存在多层浓度变化，不同掺杂浓度的缓冲层，使衬底与缓冲层的界面、缓冲层与外延层的界面处掺杂浓度变缓，形成缓慢过渡层，使外延结构内的电阻、电容达到可控效果。掺杂浓度的断层还可以在缓冲层内出现一系列的量子井，从而延长载流子在缓冲层停留的时间进而延长载流子寿命。具体生长时，可将循环生长的生长模型输入控制程序中，通过控制程序控制流量控制器调节掺杂源的流量，以实现缓冲层掺杂浓度的调节。
循环式变化生长的模型包括以下掺杂方式：
第四种掺杂方式(循环模式一)：按照y(xn-xn-1)＝1E16和y(xn+1-xn)＝5E18(n为大于1的整数)交替的形式生长缓冲层，即第一层缓冲层按照y(x2-x1)＝1E16的方式掺杂；第二层缓冲层按照y(x3-x2)＝5E18的方式掺杂；第三层缓冲层按照y(x4-x3)＝1E16的方式掺杂；第四层缓冲层按照y(x5-x4)＝5E18的方式掺杂；……；(xn-xn-1)＝1E16，(xn+1-xn)＝5E18；如此循环直至缓冲层生长结束。其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表第一层缓冲层开始的界面位置，x2表示第一层缓冲层结束的界面位置……xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n层缓冲层结束的界面位置，(xn-xn-1)表示第(n-1)层缓冲层的厚度。
第五种掺杂方式(循环模式二)：按照y(xn-xn-1)＝1E16和y(xn+1-xn)＝1E18(n为大于1的整数)交替的形式生长缓冲层，即第一层缓冲层按照y(x2-x1)＝1E16的方式掺杂；第二层缓冲层按照y(x3-x2)＝1E18的方式掺杂；第三层缓冲层按照y(x4-x3)＝1E16的方式掺杂；第四层缓冲层按照y(x5-x4)＝1E18的方式掺杂；……；(xn-xn-1)＝1E16，(xn+1-xn)＝1E18；如此循环直至缓冲层生长结束。其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表第一层缓冲层开始的界面位置，x2表示第一层缓冲层结束的界面位置……xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n层缓冲层结束的界面位置，(xn-xn-1)表示第(n-1)层缓冲层的厚度。
第六种掺杂方式(循环模式三)：按照y(xn-xn-1)＝1E18和y(xn+1-xn)＝5E18(n为大于1的整数)交替的形式生长缓冲层，即第一层缓冲层按照y(x2-x1)＝1E18的方式掺杂；第二层缓冲层按照y(x3-x2)＝5E18的方式掺杂；第三层缓冲层按照y(x4-x3)＝1E18的方式掺杂；第四层缓冲层按照y(x5-x4)＝5E18的方式掺杂；……；(xn-xn-1)＝1E18，(xn+1-xn)＝5E18；如此循环直至缓冲层生长结束。其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表第一层缓冲层开始的界面位置，x2表示第一层缓冲层结束的界面位置……xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n层缓冲层结束的界面位置，(xn-xn-1)表示第(n-1)层缓冲层的厚度。
请参阅图1和图10，步骤S4生长结束后执行步骤S5，在SiC缓冲层2上生长SiC外延层3，具体包括：将反应室的温度调节至SiC外延层3的生长温度1600～1630℃，例如温度调节至1600℃、1620℃或1630℃等；同时采用线性变化的方式将硅源、碳源及掺杂源的流量调节至SiC外延层3的生长所需的设定值，生长外延层直至外延层达到所需的厚度。
待SiC外延层3生长完成后，切断生长源气体和掺杂气体的通入，将反应室的温度降至待机温度，将通入反应室的H2暂停，向反应室内通入Ar至大气压，打开反应室，将外延结构从反应室内取出。
请参阅图9，本发明提供一种碳化硅外延结构，该外延结构包括自下而上依次设置的SiC衬底1、SiC缓冲层2及SiC外延层3。本发明的外延结构是采用本发明的制备方法而成，SiC衬底1选自偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，SiC缓冲层2和SiC外延层3的厚度及掺杂浓度可根据具体要求按照本发明的制备方法制备。
请参阅图10和图11，图10为采用本发明的制备方法制备的SiC外延结构的形貌图，图11为在刻蚀过程中未通入HCl制备的SiC外延结构的形貌图，对比图10和图11，可以看出，图10中的微观形貌更加清晰、缺陷较少，即在H2刻蚀过程中通入少量的HCl，可增强刻蚀效果，有效降低SiC外延中的缺陷。
本发明提供一种碳化硅外延结构的制备方法，该方法在缓冲层的生长过程中通过控制掺杂气体的流量控制缓冲层的掺杂浓度，从而实现缓冲层的掺杂浓度在碳化硅衬底的掺杂浓度与碳化硅外延层的掺杂浓度之间缓慢变化，使得碳化硅衬底与碳化硅缓冲层的界面、碳化硅缓冲层与碳化硅外延层的界面处的掺杂浓度缓慢过渡，改善外延层的质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种碳化硅外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取碳化硅衬底，并对其进行湿法清洗；
将湿法清洗后的碳化硅衬底置于反应室内，并将所述反应室抽至真空；
向所述反应室内通入氢气和氯化氢对所述碳化硅衬底进行原位刻蚀；向所述反应室内通入生长源及掺杂源生长碳化硅缓冲层，其中所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与碳化硅外延层的掺杂浓度变化；
在所述碳化硅缓冲层上生长所述碳化硅外延层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述湿法清洗包括：
将所述碳化硅衬底置于浓硫酸和双氧水的混合溶液中，在100～150℃下浸泡80～100分钟，对所述碳化硅衬底进行初次氧化；
将初次氧化后的碳化硅衬底在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的浓硫酸和双氧水混合溶液；
将清洗后的碳化硅衬底置于浓度为5～15％的氢氟酸溶液中浸泡50～70分钟以洗去衬底表面的氧化层；
将氢氟酸浸泡后的碳化硅衬底在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的氢氟酸溶液；
将清洗后的碳化硅衬底置于氨水、双氧水及水的混合溶液中浸泡50～70分钟对所述碳化硅衬底进行二次氧化；
将二次氧化后的碳化硅衬底在40～60℃的超纯水内反复清洗以去除残留的氨水、双氧水；
将清洗后的碳化硅衬底置于浓度为5～15％的盐酸溶液中浸泡50～70分钟清洗表面的氧化层；
在纯水中超声清洗，以去除衬底表面残留的盐酸溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生长碳化硅缓冲层包括：调节所述反应室的温度为1630～1650℃，压力为100～200mbar，向所述反应室内通入碳源、硅源和N型掺杂源生长碳化硅缓冲层，其中，所述硅源的流量为500～1000sccm，所述碳源与所述硅源的碳硅比为0.5～1.2，所述N型掺杂源的流量在生长过程中随着所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度不断变化。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与所述碳化硅外延层的掺杂浓度之间呈阶梯式下降，下降模式遵循以下模型：第一阶段：y(x2-x1)＝-4E18*x；第二阶段：y(x3-x2)＝1E18；第三阶段：y(x4-x3)＝-1E18*x；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示缓冲层的生长位置，x1表示第一阶段开始的界面位置，x2表示第一阶段结束的界面位置，x3表示第二阶段结束的界面位置，x4表示第三阶段结束的界面位置。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与所述碳化硅外延层的掺杂浓度之间呈缓慢式下降；下降模式遵循以下模型：第一阶段：y(x2-x1)＝-x2+5E18；第二阶段：y(x3-x2)＝1E18；第三阶段：y(x4-x3)＝-x2+1E18；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表示第一阶段开始的界面位置，x2表示第一阶段结束的界面位置，x3表示第二阶段结束的界面位置，x4表示第三阶段结束的界面位置。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与所述碳化硅外延层的掺杂浓度之间呈直降式变化，变化模式遵循以下模型：y(x2-x1)＝-5E18*x；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，x1表示缓冲层开始的界面位置，x2表示缓冲层结束的界面位置。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与所述碳化硅外延层的掺杂浓度之间呈循环式变化，变化模式遵循以下模型：y(xn-xn-1)＝1E16和y(xn+1-xn)＝5E18交替进行；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n缓冲层结束的界面位置，n为大于1的整数。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与所述碳化硅外延层的掺杂浓度之间呈循环式变化，变化模式遵循以下模型：y(xn-xn-1)＝1E16和y(xn+1-xn)＝1E18；交替进行，其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n缓冲层结束的界面位置，n为大于1的整数。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅缓冲层的掺杂浓度在所述碳化硅衬底的掺杂浓度与所述碳化硅外延层的掺杂浓度之间呈循环式变化，变化模式遵循以下模型：y(xn-xn-1)＝1E18和y(xn+1-xn)＝5E18交替进行；其中，y表示碳化硅缓冲层的掺杂浓度，x表示碳化硅缓冲层的生长位置，xn表示第n层缓冲层开始的界面位置，xn+1表示第n缓冲层结束的界面位置，n为大于1的整数。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生长所述碳化硅外延层包括：将所述反应室的温度调节至1600～1630℃，将生长源与掺杂源调节至所述碳化硅外延层所需值，根据工艺程序生长所述碳化硅外延层。
11.一种碳化硅外延结构，其特征在于，采用权利要求1～10任一所述的制备方法制备。
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2022
- 2022-06-23 CN CN202210719055.2A patent/CN115247278B/zh active Active
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