CN116844940A - 一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法 - Google Patents

一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，具体公开了一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，包括以下步骤：抽真空；升温至1550～1770℃，原位刻蚀；沉积N‑SiC缓冲层，厚度0.3～1.5μm；沉积U‑SiC外延层，厚度10μm～15μm；本发明通过改变氮气旁路和主路的气体流量比例可以在提升掺杂浓度均匀性，且简便易操作，生产成本较低，不会破坏晶体质量，保障制备出浓度均匀，质量较好的碳化硅外延片。

Description

一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法。
背景技术
SiC是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，属于第三代半导体，具有大的禁带宽度，约为Si的3倍，以及良好的热稳定性，保证了SiC器件具有更高的工作结温，SiC具有高的击穿电场强度(2.5MV/cm)，是Si的8～10倍，极大地提高了SiC器件耐压容量和开关速度，SiC具有高的饱和电子漂移速度决定了SiC器件的高频、高速工作性能，高热导率有助于SiC器件的散热，可以大大提高功率密度和电路的集成度，基于4H-SiC优异的材料性能优势，高压大功率SiC电力电子器件拥有更高的阻断电压，更大的输出功率、更高工作频率及更高的工作温度等性能优势。
半导体材料的载流子浓度是材料的基本电学参数之一，这一参数可以通过材料掺杂控制来实现。影响材料杂质水平的因素很多，例如：衬底及SiC原材料的杂质水平、生长室内气压及气流的均匀性分布、掺杂元素引入的方式及其在生长室内的分压等。在SiC材料体系中，外延生长对于制造掺杂浓度和厚度符合设计要求的有源层是至关重要的。通过在CVD生长过程中引入N2可以很轻易地实现原位N型掺杂，基本机理是N原子通过“竞位效应”，取代SiC结构中的C原子，如果生长环境中的C原子的含量较高，N的“竞位”效率就会降低，可控氮掺杂4H-SiC外延主要影响因素为氮气在生长环境中的含量。在温度、碳硅比等条件保持不变的情况下，N掺杂浓度和氮气的流量成正相关的关系，虽然N型掺杂很容易实现，但其掺杂均匀性还有待提高。
目前，通常的浓度均匀性调控是降低生长速率或改变碳硅比来进行实现的，这样会使得生长厚度发生变化，厚度均匀性也会存在差异。碳硅比在外延生长中对外延材料的质量起着至关重要的作用，碳原子过多时，外延材料的表面会因为形成C-C键而变得粗糙；硅原子过多时，外延材料的表面会因为形成Si滴而变得粗糙，改变碳硅比容易引起一些缺陷，从而影响器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，包括：
S1、抽真空；
S2、升温至1550～1770℃，原位刻蚀；
S3、沉积N-SiC缓冲层，厚度0.3～1.5μm；
S4、沉积U-SiC外延层，厚度10μm～15μm；
S5、冷却降温至850～930℃，取出碳化硅外延片。
优选的，所述S1中将N+-SiC导电型衬底放置在水平热壁式的外延炉内，腔室抽至真空，先抽至低真空3～4mbar，再抽至高真空0.0002～0.002mbar。
优选的，所述S2中调节反应腔室压力为100～120mbar，反应腔室温度稳定在1550℃～1700℃，氢气气浮流量为1.5～4slm，氢气载气流量为100～130slm，刻蚀时间为3～5min，以消除SiC衬底因抛光等加工过程引起的表面划痕和损伤。
优选的，所述S3中以碳源为乙烯，硅源为三氯氢硅，N型掺杂源为氮气，保持S2中的反应腔室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为10～30sccm，三氯氢硅的流量为30～60sccm，氮气主路流量为30～60sccm，旁路流量为30～60sccm，生长时间为3～6min。
优选的，所述S4中，保持S2的反应室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为60～100sccm，三氯氢硅的流量为150～200sccm，氮气主路流量为50～120sccm，旁路流量为40～120sccm，其中旁路和主路流量的比例为0.75～0.95，所述外延生长时间为20～30min，其中生长速率为30～40μm/h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过改变氮气旁路和主路的气体流量比例可以在提升掺杂浓度均匀性，且简便易操作，生产成本较低，不会破坏晶体质量，保障制备出浓度均匀，质量较好的碳化硅外延片。
附图说明
图1为本发明的SiC的外延结构示意图；
图2为本发明的SiC的外延流程示意图；
图3为本发明的碳化硅外延炉主路和旁路出气孔示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-图3所示，一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，包括：
S1、抽真空；
S2、升温至1550～1770℃，原位刻蚀；
S3、沉积N-SiC缓冲层，厚度0.3～1.5μm；
S4、沉积U-SiC外延层，厚度10μm～15μm；
S5、冷却降温至850～930℃，取出碳化硅外延片。
由图1及图2可知，所述S1中将N+-SiC导电型衬底放置在水平热壁式的外延炉内，腔室抽至真空，先抽至低真空3～4mbar，再抽至高真空0.0002～0.002mbar，所述S2中调节反应腔室压力为100～120mbar，反应腔室温度稳定在1550℃～1700℃，氢气气浮流量为1.5～4slm，氢气载气流量为100～130slm，刻蚀时间为3～5min，以消除SiC衬底因抛光等加工过程引起的表面划痕和损伤，所述S3中以碳源为乙烯，硅源为三氯氢硅，N型掺杂源为氮气，保持S2中的反应腔室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为10～30sccm，三氯氢硅的流量为30～60sccm，氮气主路流量为30～60sccm，旁路流量为30～60sccm，生长时间为3～6min。
优先的，所述S4中，保持S2的反应室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为60～100sccm，三氯氢硅的流量为150～200sccm，氮气主路流量为50～120sccm，旁路流量为40～120sccm，其中旁路和主路流量的比例为0.75，所述外延生长时间为20～30min，其中生长速率为30～40μm/h。
实施例二：
参考图1和图2所示，
S1、抽真空；
S2、升温至1550～1770℃，原位刻蚀；
S3、沉积N-SiC缓冲层，厚度0.3～1.5μm；
S4、沉积U-SiC外延层，厚度10μm～15μm；
S5、冷却降温至850～930℃，取出碳化硅外延片。
由上可知，所述S1中将N+-SiC导电型衬底放置在水平热壁式的外延炉内，腔室抽至真空，先抽至低真空3～4mbar，再抽至高真空0.0002～0.002mbar，所述S2中调节反应腔室压力为100～120mbar，反应腔室温度稳定在1550℃～1700℃，氢气气浮流量为1.5～4slm，氢气载气流量为100～130slm，刻蚀时间为3～5min，以消除SiC衬底因抛光等加工过程引起的表面划痕和损伤，述S3中以碳源为乙烯，硅源为三氯氢硅，N型掺杂源为氮气，保持S2中的反应腔室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为10～30sccm，三氯氢硅的流量为30～60sccm，氮气主路流量为30～60sccm，旁路流量为30～60sccm，生长时间为3～6min。
优选的，所述S4中，保持S2的反应室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为60～100sccm，三氯氢硅的流量为150～200sccm，氮气主路流量为50～120sccm，旁路流量为40～120sccm，其中旁路和主路流量的比例为0.85，所述外延生长时间为20～30min，其中生长速率为30～40μm/h。
实施例三：
参考图1和图2所示，
S1、抽真空；
S2、升温至1550～1770℃，原位刻蚀；
S3、沉积N-SiC缓冲层，厚度0.3～1.5μm；
S4、沉积U-SiC外延层，厚度10μm～15μm；
S5、冷却降温至850～930℃，取出碳化硅外延片。
由上可知，所述S1中将N+-SiC导电型衬底放置在水平热壁式的外延炉内，腔室抽至真空，先抽至低真空3～4mbar，再抽至高真空0.0002～0.002mbar，所述S2中调节反应腔室压力为100～120mbar，反应腔室温度稳定在1550℃～1700℃，氢气气浮流量为1.5～4slm，氢气载气流量为100～130slm，刻蚀时间为3～5min，以消除SiC衬底因抛光等加工过程引起的表面划痕和损伤，述S3中以碳源为乙烯，硅源为三氯氢硅，N型掺杂源为氮气，保持S2中的反应腔室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为10～30sccm，三氯氢硅的流量为30～60sccm，氮气主路流量为30～60sccm，旁路流量为30～60sccm，生长时间为3～6min。
优选的，所述S4中，保持S2的反应室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为60～100sccm，三氯氢硅的流量为150～200sccm，氮气主路流量为50～120sccm，旁路流量为40～120sccm，其中旁路和主路流量的比例为0.95，所述外延生长时间为20～30min，其中生长速率为30～40μm/h。
其中，采用汞探针电容-电压法对上述中，实施例一、实施例二、实施例三的碳化硅外延片进行掺杂浓度的测试。
可以得到，实施例二具有更好的掺杂浓度均匀性，测试结果见表1：
表1使用汞CV测试方法得到的不同样品外延片的掺杂浓度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、抽真空；
S2、升温至1550～1770℃，原位刻蚀；
S3、沉积N-SiC缓冲层，厚度0.3～1.5μm；
S4、沉积U-SiC外延层，厚度10μm～15μm；
S5、冷却降温至850～930℃，取出碳化硅外延片。
2.根据权利要求1所述的一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，其特征在于：所述S1中将N+-SiC导电型衬底放置在水平热壁式的外延炉内，腔室抽至真空，先抽至低真空3～4mbar，再抽至高真空0.0002～0.002mbar。
3.根据权利要求1所述的一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，其特征在于：所述S2中调节反应腔室压力为100～120mbar，反应腔室温度稳定在1550℃～1700℃，氢气气浮流量为1.5～4slm，氢气载气流量为100～130slm，刻蚀时间为3～5min，以消除SiC衬底因抛光等加工过程引起的表面划痕和损伤。
4.根据权利要求1所述的一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，其特征在于：所述S3中以碳源为乙烯，硅源为三氯氢硅，N型掺杂源为氮气，保持S2中的反应腔室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为10～30sccm，三氯氢硅的流量为30～60sccm，氮气主路流量为30～60sccm，旁路流量为30～60sccm，生长时间为3～6min。
5.根据权利要求1所述的一种改善SiC外延片浓度均匀性的制备方法，其特征在于：所述S4中，保持S2的反应室压力、温度、氢气气浮和载气参数不变，设置乙烯的流量为60～100sccm，三氯氢硅的流量为150～200sccm，氮气主路流量为50～120sccm，旁路流量为40～120sccm，其中旁路和主路流量的比例为0.75～0.95，所述外延生长时间为20～30min，其中生长速率为30～40μm/h。
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