CN115832018A

CN115832018A - 一种控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构及生长方法

Info

Publication number: CN115832018A
Application number: CN202211581942.4A
Authority: CN
Inventors: 徐玉超; 潘恩赐; 郑晨扬; 左万胜; 袁松
Original assignee: Anhui Changfei Advanced Semiconductor Co ltd
Current assignee: Anhui Changfei Advanced Semiconductor Co ltd
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-03-21

Abstract

一种控制TSD缺陷的4H‑SiC外延结构及生长方法，属于半导体技术领域，该控制TSD缺陷的4H‑SiC外延结构，包括4H‑SiC衬底及其上依次生长的外延缓冲层Ⅰ、4H‑SiC缓冲层Ⅱ和4H‑SiC漂移层，外延缓冲层Ⅰ设置为6H‑SiC缓冲层或4H‑SiC缓冲层Ⅰ，本发明的有益效果是，本发明可有效减少TSD缺陷和TSD衍生缺陷密度，减少了器件漏电流，增大了器件反向击穿电压，提高了外延片的质量。

Description

一种控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构及生长方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构及生长方法。

背景技术

随着半导体产业的急速发展，硅基材料器件的性能已经近似达到理论极限。要取得进一步的进展，新型材料的研发势在必行。作为第三代半导体材料之一，SiC具有更宽的禁带宽度，故其具有更高的雪崩临界电场、热导率、工作温度、化学稳定性以及抗辐照特性。

目前，4H-SiC功率器件的制作在缺陷控制、大直径厚膜外延材料生长等方面还存在诸多问题，制约了4H-SiC功率器件性能的进一步提高以及在电力电子领域的应用。成熟的4H-SiC批量生长工艺大部分使用化学气相沉积，分两段式生长，在4H-SiC衬底上先同质生长一层缓冲层，后生长一层漂移层。在衬底与漂移层之间生长一层缓冲层，有利于消除应力，阻断衬底表面缺陷串通，同时控制漂移层的掺杂浓度。

4H-SiC外延生长过程中出现的对器件有不良影响的缺陷有多种，分别是微管、BPD、三角形缺陷、TSD、TED等，以现有产业化技术已经实现了零微管的4H-SiC衬底材料以及控制BPD与三角形缺陷的技术。现有的4H-SiC外延生长技术存在以下缺点：为降低成本，生长4H-SiC外延使用低偏角的4H-SiC衬底作为衬底片，将会抑制4H-SiC外延生长过程中的台阶流生长模式，会使得TSD缺陷密度大量增加；TSD缺陷将会增大器件的漏电流以及降低反向击穿电压，是一种对器件性能有负面影响的外延缺陷；现在的缺陷控制技术并不能有效地控制TSD的缺陷密度，大量的TSD缺陷穿通到有源区，对器件的性能、良率以及可靠性形成负面影响。

其中的TSD(Treading Srew Dislocation)缺陷是目前4H-SiC外延生长技术中难以解决的缺陷，TSD缺陷的来源主要有两种，有70％以上的TSD来源于衬底，余下的TSD来源于在外延生长过程中的再生长。产生TSD缺陷的主要直接原因是由于夹杂物产生的堆垛层错。如何控制TSD缺陷来优化4H-SiC外延生长质量是目前亟待解决的问题。

公开号为CN 103820768 A的专利公开了一种4H-SiC衬底上同质快速外延生长4H-SiC外延层的方法，首先对4H-SiC衬底进行清洗并放入垂直热壁低压CVD设备的生长室；反应室抽真空；设置反应室压强，并向反应室通氢气流；加热反应室至刻蚀温度，对衬底进行原位刻蚀；调节氢气流并升高反应室温度，反应室温度达到预生长温度时，通入生长源气体进行预生长，温度达到生长温度后，调节生长源气体流量进行外延生长；生长结束后，关闭生长源气体，并停止加热，在氢气流中冷却；对反应室抽真空后，继续在氩气流中冷却至室温，然后将生长室充入氩气至大气压强。该专利公开的方法也无法有效控制TSD缺陷，使大量的TSD缺陷穿通到有源区，对器件的性能、良率以及可靠性依然会形成负面影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构及生长方法，可阻碍TSD缺陷从衬底向外延的传播，可有效减小TSD缺陷密度和TSD衍生缺陷密度，可增大器件反向击穿电压，可提高外延片的质量。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构，包括4H-SiC衬底及其上依次生长的外延缓冲层Ⅰ、4H-SiC缓冲层Ⅱ和4H-SiC漂移层，所述外延缓冲层Ⅰ设置为6H-SiC缓冲层或4H-SiC缓冲层Ⅰ。

所述4H-SiC缓冲层Ⅱ的厚度设置为1～2μm，所述4H-SiC漂移层的厚度设置为3～5μm。

所述6H-SiC缓冲层的厚度设置为1～2μm。

所述4H-SiC缓冲层Ⅰ的厚度设置为10～20μm。

一种所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，在CVD设备的反应室内生长，包括以下步骤：

1)对4H-SiC衬底进行原位刻蚀；

2)在4H-SiC衬底上生长外延缓冲层Ⅰ；

3)在外延缓冲层Ⅰ上生长4H-SiC缓冲层；

4)在4H-SiC缓冲层上生长4H-SiC漂移层。

所述步骤1)的操作方法为：将4H-SiC衬底清洗后放入反应室中，将反应室抽真空，调节反应室的温度为1450～1500℃，压强为50～200mbar；向反应室内通入流量为160～240slm的氢气流和流量为30～100sccm的HCl气体流后进行原位刻蚀，刻蚀的时间为10～30min。

在所述步骤2)中，在4H-SiC衬底上生长6H-SiC缓冲层的操作方法为，停止向反应室中通入HCl气体流，调节反应室的温度为2000～2400℃，压强为40～100mbar，向反应室内通入流量分别为160～240slm、80～500sccm、80～500sccm、40～100sccm的载气H₂、含氯的硅源气体、碳源气体和铝源气体，通入气体的C/Si比为0.5～0.8，生长时长为2～4h。

在所述步骤2)中，在4H-SiC衬底上生长4H-SiC缓冲层Ⅰ的操作方法为，停止向反应室中通入HCl气体流，调节反应室的温度为1800～2000℃，压强为40～100mbar，向反应室内通入流量分别为80～120slm、40～250sccm、40～250sccm的载气H₂、含氯的硅源气体和碳源气体，通入气体的C/Si比为0.5～0.9，N的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长时长为1～3h；调节反应室的温度为1580-1700℃并持续5～20min以进行退火处理。

所述步骤3)的操作方法为，调节反应室的温度为1400～1600℃，压强为60～150mbar，向反应室内通入流量分别为160～240slm、80～500sccm、80～500sccm、40～100sccm的载气H₂、含氯的硅源气体、碳源气体和N₂；再次调节反应室的温度为1580～1700℃，压强为50～200mbar，改变通入的含氯的硅源气体、碳源气体和N₂的流量分别为80～300sccm、80～300sccm、80～500sccm，通入气体的C/Si比为1.0～1.2，N的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；生长时长为1～3h。

所述步骤4)的操作方法为，调节反应室的温度为1400～1600℃，压强为40～200mbar，向反应室内通入流量分别为80～300sccm、80～300sccm、40～300sccm的含氯的硅源气体、碳源气体和N₂，通入气体的C/Si比为1.0～1.2，N的掺杂浓度为8×10¹⁵cm^-3～2×10¹⁶cm^-3，生长时长为0.5～2h；调节反应室的温度为20～30℃并持续5～20min以进行退火处理。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用两种方式来控制TSD缺陷，一种方式是在4H-SiC衬底上生长6H-SiC异质外延，打乱了TSD在衬底生长过程中的传播，同时在富Si的生长环境下更有利于TSD缺陷转化为基平面的Frank堆垛层错，使得TSD缺陷湮灭；另一种方式是在4H-SiC衬底上生长4H-SiC同质外延，采用分阶段横向纵向生长的工艺，在横向生长的阶段可增大台阶流生长的横向矢量，可将TSD缺陷转化为横向的Frank堆垛层错。

在进行4H-SiC漂移层生长之前生长一层高质量低位错密度的4H-SiC缓冲层Ⅱ，用来屏蔽TSD缺陷以及BPD、TED缺陷，可提高后续生长的4H-SiC漂移层的质量。

2、本发明在4H-SiC衬底上生长6H-SiC缓冲层时，由于4H-SiC(0001)Si面可生长6H-SiC；而且在富Si的条件下，6H-SiC有着更低的六方度，使6H-SiC更容易生长；在掺Al的条件下，6H-SiC更易成核；在高温高压的条件下，使SiC更易转化为6H-SiC晶型，使6H-SiC缓冲层得成核、生长更加稳定。

3、本发明在4H-SiC衬底上生长4H-SiC缓冲层Ⅰ时，在4H-SiC(0001)Si面上进行4H-SiC同质外延的生长，生长环境为通入气体的C/Si比为0.5～0.9，生长温度为1800～2000℃，压强为40～100mbar，N掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，采用高温低压低速高掺杂的生长模式可增大台阶流生长的横向矢量，可有效控制TSD缺陷。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明4H-SiC外延结构实施例一的结构示意图；

图2为本发明4H-SiC外延结构实施例二的结构示意图；

上述图中的标记均为：1.4H-SiC衬底，2.6H-SiC缓冲层，3.4H-SiC缓冲层Ⅰ，4.4H-SiC缓冲层Ⅱ，5.4H-SiC漂移层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，一种控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构，其特征在于，包括4H-SiC衬底及其上依次生长的外延缓冲层Ⅰ、4H-SiC缓冲层Ⅱ和4H-SiC漂移层，该外延缓冲层Ⅰ设置为6H-SiC缓冲层。其中的4H-SiC缓冲层Ⅱ的厚度设置为1～2μm，4H-SiC漂移层的厚度设置为3～5μm，6H-SiC缓冲层的厚度设置为1～2μm。在4H-SiC衬底上生长6H-SiC缓冲层外延，打乱了TSD在衬底生长过程中的传播，使得TSD缺陷湮灭，再生长完6H-SiC缓冲层之后，调节工艺参数，再次进行4H-SiC同质外延生长，在6H-SiC缓冲层上生长4H-SiC缓冲层Ⅱ，可屏蔽6H-SiC异构体对后续生长4H-SiC外延层的影响，提高了后续生长的4H-SiC漂移层的质量。

上述4H-SiC外延结构的生长方法，在CVD设备的反应室内生长，具体地采用HTCVD工艺方法，具体包括以下步骤：

1)对4H-SiC衬底进行原位刻蚀：选取正轴N型SiC碳面衬底，将4H-SiC衬底清洗后放入反应室中，将反应室抽真空，调节反应室的50～200mbar，向反应室持续内通入流量为160～240slm的氢气流和流量为30～100sccm的HCl气体，调节反应室的温度为1450～1500℃并保持温度恒定后维持10～30min，对4H-SiC衬底进行原位刻蚀。

2)在4H-SiC衬底上生长6H-SiC缓冲层：停止向反应室中通入HCl气体流，调节反应室的温度为2000～2400℃，压强为40～100mbar；向反应室内通入流量分别为160～240slm、80～500sccm、80～500sccm、40～100sccm的载气H₂、含氯的硅源气体、碳源气体和铝源气体，其中的含氯的硅源气体为三氯氢硅气体，其中的碳源气体为C₃H₈气体，其中的铝源气体为三甲基铝气体，通入气体的C/Si比为0.5～0.8，生长时长为2～4h。

3)在6H-SiC缓冲层上生长4H-SiC缓冲层：调节反应室的温度为1400～1600℃，压强为60～150mbar；向反应室内通入流量分别为160～240slm、80～500sccm、80～500sccm、40～100sccm的载气H₂、含氯的硅源气体、碳源气体和N₂，其中的含氯的硅源气体为三氯氢硅气体，其中的碳源气体为C₃H₈气体，进行6H-SiC的预生长；再次调节反应室的温度为1580～1700℃，压强为50～200mbar，改变通入的含氯的硅源气体、碳源气体和N₂的流量分别为80～300sccm、80～300sccm、80～500sccm，通入气体的C/Si比为1.0～1.2，N的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～2×10¹⁸cm^-3，生长时长为1～3h，实现了1～2μm厚度的4H-SiC缓冲层的生长。

4)在4H-SiC缓冲层上生长4H-SiC漂移层：调节反应室的温度为1400～1600℃，压强为40～200mbar，向反应室内通入流量分别为80～300sccm、80～300sccm、40～300sccm的含氯的硅源气体、碳源气体和N₂，其中的含氯的硅源气体为三氯氢硅气体，其中的碳源气体为C₃H₈气体，通入气体的C/Si比为1.0～1.2，N的掺杂浓度为8×10¹⁵cm^-3～2×10¹⁶cm^-3，生长时长为0.5～2h，实现了厚度为3～5μm的4H-SiC漂移层的生长。再次调节反应室的温度达到室温20～30℃，并持续5～20min以进行退火处理，退火处理后可降低残余应力，消除晶格损伤。

本发明通过在4H-SiC衬底上生长6H-SiC异质外延，打乱了TSD在衬底生长过程中的传播，同时在富Si的生长环境下更有利于TSD缺陷转化为基平面的Frank堆垛层错，使得TSD缺陷湮灭；而且在进行4H-SiC漂移层生长之前，通过调节工艺参数再次进行4H-SiC同质外延生长，生长一层高质量低位错密度的4H-SiC缓冲层Ⅱ，用来屏蔽6H-SiC异构体对后续生长4H-SiC漂移层的影响，提高了后续生长的4H-SiC漂移层的质量，提高了外延片的质量。

实施例二

与实施例一的不同之处在于，其中的外延缓冲层Ⅰ设置为4H-SiC缓冲层Ⅰ，4H-SiC缓冲层Ⅰ的厚度为10～20μm。

该4H-SiC外延结构的生长方法与实施例一的生长方法的不同之处在于，采用MOCVD的工艺方法进行外延生长和在4H-SiC衬底上生长4H-SiC缓冲层Ⅰ的工艺条件。

其中，在4H-SiC衬底上生长4H-SiC缓冲层Ⅰ的具体方法为：停止向反应室中通入HCl气体流，调节反应室的温度为1800～2000℃，压强为40～100mbar，向反应室内通入流量分别为80～120slm、40～250sccm、40～250sccm的载气H₂、含氯的硅源气体和碳源气体，其中的含氯的硅源气体为三氯氢硅气体，其中的碳源气体为C₃H₈气体，通入气体的C/Si比为0.5～0.9，N的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长时长为1～3h，使4H-SiC横向生长得到厚度为10～20μm的4H-SiC缓冲层Ⅰ。再次降低反应室内的生长温度，调节反应室的温度为1580-1700℃并持续5～20min以进行退火处理，退火处理的目的是快速降温的同时，可降低残余应力，消除晶格损伤。

本发明通过在4H-SiC衬底上生长4H-SiC同质外延，采用分阶段横向纵向生长的工艺，在横向生长的阶段采用高温低压高掺杂的生长模式，使4H-SiC缓冲层Ⅰ生长的阶段可增大台阶流生长的横向矢量，可将TSD缺陷转化为横向的Frank堆垛层错。在进行4H-SiC漂移层生长之前生长一层高质量低位错密度的4H-SiC缓冲层Ⅱ，用来屏蔽TSD缺陷以及BPD、TED缺陷，可提高后续生长的4H-SiC漂移层的质量。

综上，本发明可有效减少TSD缺陷和TSD衍生缺陷密度，减少了器件漏电流，增大了器件反向击穿电压，提高了外延片的质量。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims

1.一种控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构，其特征在于，包括4H-SiC衬底及其上依次生长的外延缓冲层Ⅰ、4H-SiC缓冲层Ⅱ和4H-SiC漂移层，所述外延缓冲层Ⅰ设置为6H-SiC缓冲层或4H-SiC缓冲层Ⅰ。

2.根据权利要求1所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构，其特征在于：所述4H-SiC缓冲层Ⅱ的厚度设置为1～2μm，所述4H-SiC漂移层的厚度设置为3～5μm。

3.根据权利要求1所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构，其特征在于：所述6H-SiC缓冲层的厚度设置为1～2μm。

4.根据权利要求1所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构，其特征在于：所述4H-SiC缓冲层Ⅰ的厚度设置为10～20μm。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，其特征在于：在CVD设备的反应室内生长，包括以下步骤：

1)对4H-SiC衬底进行原位刻蚀；

2)在4H-SiC衬底上生长外延缓冲层Ⅰ；

3)在外延缓冲层Ⅰ上生长4H-SiC缓冲层；

4)在4H-SiC缓冲层上生长4H-SiC漂移层。

6.根据权利要求5所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，其特征在于：所述步骤1)的操作方法为：将4H-SiC衬底清洗后放入反应室中，将反应室抽真空，调节反应室的温度为1450～1500℃，压强为50～200mbar；向反应室内通入流量为160～240slm的氢气流和流量为30～100sccm的HCl气体流后进行原位刻蚀，刻蚀的时间为10～30min。

7.根据权利要求5所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，其特征在于：在所述步骤2)中，在4H-SiC衬底上生长6H-SiC缓冲层的操作方法为，停止向反应室中通入HCl气体流，调节反应室的温度为2000～2400℃，压强为40～100mbar，向反应室内通入流量分别为160～240slm、80～500sccm、80～500sccm、40～100sccm的载气H₂、含氯的硅源气体、碳源气体和铝源气体，通入气体的C/Si比为0.5～0.8，生长时长为2～4h。

8.根据权利要求5所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，其特征在于：在所述步骤2)中，在4H-SiC衬底上生长4H-SiC缓冲层Ⅰ的操作方法为，停止向反应室中通入HCl气体流，调节反应室的温度为1800～2000℃，压强为40～100mbar，向反应室内通入流量分别为80～120slm、40～250sccm、40～250sccm的载气H₂、含氯的硅源气体和碳源气体，通入气体的C/Si比为0.5～0.9，N的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长时长为1～3h；调节反应室的温度为1580-1700℃并持续5～20min以进行退火处理。

9.根据权利要求5所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，其特征在于：所述步骤3)的操作方法为，调节反应室的温度为1400～1600℃，压强为60～150mbar，向反应室内通入流量分别为160～240slm、80～500sccm、80～500sccm、40～100sccm的载气H₂、含氯的硅源气体、碳源气体和N₂；再次调节反应室的温度为1580～1700℃，压强为50～200mbar，改变通入的含氯的硅源气体、碳源气体和N₂的流量分别为80～300sccm、80～300sccm、80～500sccm，通入气体的C/Si比为1.0～1.2，N的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～2×10¹⁸cm^-3；生长时长为1～3h。

10.根据权利要求5所述的控制TSD缺陷的4H-SiC外延结构的生长方法，其特征在于：所述步骤4)的操作方法为，调节反应室的温度为1400～1600℃，压强为40～200mbar，向反应室内通入流量分别为80～300sccm、80～300sccm、40～300sccm的含氯的硅源气体、碳源气体和N₂，通入气体的C/Si比为1.0～1.2，N的掺杂浓度为8×10¹⁵cm^-3～2×10¹⁶cm^-3，生长时长为0.5～2h；调节反应室的温度为20～30℃并持续5～20min以进行退火处理。