CN117448955B - 一种碳化硅外延结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳化硅外延结构技术领域，具体涉及一种碳化硅外延结构的制备方法。本发明提供了一种碳化硅外延结构的制备方法，包括以下步骤：将碳化硅衬底置于反应腔室中，向反应腔室中通入碳源、硅源和氮气，采用垂直气流方向外延生长方式，在所述碳化硅衬底的表面依次生长碳化硅缓冲层和碳化硅外延层，得到所述碳化硅外延结构；所述生长碳化硅外延层时，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.65~1.85、1.46~1.66和1.3~1.5。本发明通过调控外延层生长过程中的硅碳比，使得在外延层生长的过程中，形成不同的背景浓度，进而实现调控不同分区中的氮掺杂浓度的目的，提高氮掺杂浓度的均一性以及碳化硅外延结构的质量。

Description

一种碳化硅外延结构的制备方法
技术领域
本发明属于碳化硅外延结构技术领域，具体涉及一种碳化硅外延结构的制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，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，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。
碳化硅外延结构通常采用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，外延层是低浓度掺杂，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层，改善外延层质量。
在进行外延层生长的过程中，在达到气体反应裂解温度时，硅源、碳源和掺杂气体氮气会分别裂解成硅原子、碳原子与氮原子，经过一系列的气相反应后会在缓冲层表面生成碳化硅外延层。但是目前的生长方法依然存在氮掺杂浓度不均匀、进而导致外延结构质量差的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅外延结构的制备方法，本发明提供的方法提高氮掺杂浓度的均一性，进而提高碳化硅外延结构的质量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种碳化硅外延结构的制备方法，包括以下步骤：
将碳化硅衬底置于反应腔室中，向反应腔室中通入碳源、硅源和氮气，采用垂直气流方向外延生长方式，在所述碳化硅衬底的表面依次生长碳化硅缓冲层和碳化硅外延层，得到所述碳化硅外延结构；
所述生长碳化硅外延层时，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.65~1.85、1.46~1.66和1.3~1.5。
优选的，所述碳源包括丙烷；所述硅源包括硅烷。
优选的，所述生长碳化硅缓冲层的条件包括：温度为1620~1650℃，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.75~1.95、1.58~1.78和1.4~1.6；
生长压力为15KPa，时间为15~120s。
优选的，所述碳化硅缓冲层的厚度为0.1~1μm。
优选的，所述生长碳化硅外延层时，所述硅源的总通入量为400sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中硅源的通入量分别为60sccm、140sccm和200sccm；
所述碳源的总通入量为250~286sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中碳源的通入量分别为32.4~36.3sccm、84.3~95.9sccm和133.3~153.8sccm。
优选的，所述生长碳化硅外延层的温度为1580~1620℃，生长压力为15KPa。
优选的，所述碳化硅外延层的厚度为5~200μm。
优选的，所述氮气的流量为1~800sccm。
优选的，所述生长前，还包括对所述碳化硅衬底进行预处理；
所述预处理包括依次进行清洗和刻蚀。
本发明提供了一种碳化硅外延结构的制备方法，包括以下步骤：将碳化硅衬底置于反应腔室中，向反应腔室中通入碳源、硅源和氮气，采用垂直气流方向外延生长方式，在所述碳化硅衬底的表面依次生长碳化硅缓冲层和碳化硅外延层，得到所述碳化硅外延结构；所述生长碳化硅外延层时，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.65~1.85、1.46~1.66和1.3~1.5。本发明通过调控外延层生长过程中的硅碳比，使得在外延层生长的过程中，形成不同的背景浓度，进而实现调控不同分区中的氮掺杂浓度的目的，提高氮掺杂浓度的均一性，进而提高碳化硅外延结构的质量。
附图说明
图1为本发明采用的气体喷头的结构示意图；
图2为实施例1和对比例1得到的碳化硅外延结构沿Y轴方向得到的掺杂浓度曲线图；
图3为实施例1和对比例1得到的碳化硅外延结构沿X轴方向得到的掺杂浓度曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种碳化硅外延结构的制备方法，包括以下步骤：
将碳化硅衬底置于反应腔室中，向反应腔室中通入碳源、硅源和氮气，采用垂直气流方向外延生长方式，在所述碳化硅衬底的表面依次生长碳化硅缓冲层和碳化硅外延层，得到所述碳化硅外延结构；
所述生长碳化硅外延层时，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.65~1.85、1.46~1.66和1.3~1.5。
在本发明中，所述碳化硅衬底的尺寸优选为6~8寸。
所述生长前，本发明还优选包括对所述碳化硅衬底进行预处理；所述预处理优选包括依次进行清洗和刻蚀。本发明对所述清洗的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，所述刻蚀的过程优选为：在氢气气氛中，对所述碳化硅衬底进行刻蚀。在本发明中，所述刻蚀的温度优选为1600℃，压力优选为15KPa，时间优选为10min；所述氢气的流量优选为120L/min。
在本发明中，所述碳源优选包括丙烷；所述硅源优选包括硅烷。在本发明中，所述氮气的流量优选为1~800sccm。
在本发明中，生长所述碳化硅缓冲层和碳化硅外延层时，采用的气体喷头的结构示意图如图1所示。
在本发明中，所述生长碳化硅缓冲层的条件优选包括：温度为1620~1650℃，进一步优选为1630℃；生长压力为15KPa；时间为15~120s，进一步优选为75s。在本发明中，所述生长碳化硅缓冲层时，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.75~1.95、1.58~1.78和1.4~1.6，进一步优选为1.85、1.68和1.5。本发明对所述生长碳化硅缓冲层的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，所述碳化硅缓冲层的厚度优选为0.1~1μm。
在本发明中，所述生长碳化硅外延层时，所述硅源的总通入量优选为400sccm；气体喷头的内圈、中圈和外圈中硅源的通入量分别优选为60sccm、140sccm和200sccm；所述碳源的总通入量优选为250~286sccm；气体喷头的内圈、中圈和外圈中碳源的通入量分别优选为32.4~36.3sccm、84.3~95.9sccm和133.3~153.8sccm。
在本发明中，所述生长碳化硅外延层时，气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.65~1.85、1.46~1.66和1.3~1.5，进一步优选为1.75、1.56和1.4。在本发明中，所述生长碳化硅外延层的温度优选为1580~1620℃，进一步优选为1615℃；生长压力优选为15KPa。本发明对所述生长的时间没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
在本发明中，所述碳化硅外延层的厚度优选为5~200μm。
本发明对所述生长碳化硅外延层的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种碳化硅外延结构的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将尺寸为6寸的碳化硅衬底进行清洗，然后置于反应腔室内，以120L/min的流量通入氢气，在压力为15KPa、温度为1600℃下进行刻蚀10min；
然后向反应腔室内，同时通入硅烷、丙烷和氮气，采用垂直气流方向外延生长方式，在压力为15KPa、温度为1630℃下生长碳化硅缓冲层，维持生长75s，得到厚度为1μm的碳化硅缓冲层；其中氮气的流量为100sccm，控制气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.85、1.68和1.5；
然后在压力为15KPa、温度为1615℃下生长碳化硅外延层，维持生长12min，制备厚度为10μm的碳化硅外延层；其中氮气的流量为11sccm；硅烷的总通入量为400sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中硅源的通入量分别为60sccm、140sccm和200sccm；丙烷的总通入量为266.9sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中碳源的通入量分别为34.3sccm、89.7sccm和142.9sccm，控制气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.75、1.56和1.4，最终得到所述碳化硅外延结构。
对比例1
按照实施例1的方式，制备得到碳化硅外延结构，区别在于，碳化硅外延层的制备过程为：
在压力为15KPa、温度为1615℃下生长碳化硅外延层，维持生长12 min，得到厚度为10μm的碳化硅外延层；其中氮气的流量为11sccm；硅烷的总通入量为400sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中硅源的通入量分别为60sccm、140sccm和200sccm；丙烷的总通入量为266.6sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中碳源的通入量分别为40sccm、93.3sccm和133.3sccm，控制气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.5、1.5和1.5。
性能测试
对实施例1和对比例1得到的碳化硅外延结构中氮的掺杂浓度进行测试，得到的测试曲线如图2~3所示，其中图2为沿Y轴方向得到的掺杂浓度曲线图，图3为沿X轴方向得到的掺杂浓度曲线图；图2和图3中，A曲线为对比例1的掺杂浓度测试曲线图，B曲线为控制气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.62、1.5和1.42的氮掺杂浓度测试曲线图，C曲线为实施例1的掺杂浓度测试曲线图；
从图2~3可以看出，对比例1得到的碳化硅外延结构中，氮的掺杂浓度平均标准偏差百分比为4.92%，平均范围差值(最高)/分)百分比为16.72%；而实施例1得到的碳化硅外延结构中，氮的掺杂浓度平均标准偏差百分比为1.10%，平均范围差值(最高)/分)百分比为4.34%。
由此可以看出，本发明提供的制备方法能够进一步提高外延结构中氮的掺杂浓度的均一性，进而提高外延结构的质量。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (1)

1.一种碳化硅外延结构的制备方法，其特征在于，步骤为：
将尺寸为6寸的碳化硅衬底进行清洗，然后置于反应腔室内，以120L/min的流量通入氢气，在压力为15KPa、温度为1600℃下进行刻蚀10min；
然后向反应腔室内，同时通入硅烷、丙烷和氮气，采用垂直气流方向外延生长方式，在压力为15KPa、温度为1630℃下生长碳化硅缓冲层，维持生长75s，得到厚度为1μm的碳化硅缓冲层；其中氮气的流量为100sccm，控制气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.85、1.68和1.5；
然后在压力为15KPa、温度为1615℃下生长碳化硅外延层，维持生长12min，制备厚度为10μm的碳化硅外延层；其中氮气的流量为11sccm；硅烷的总通入量为400sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中硅源的通入量分别为60sccm、140sccm和200sccm；丙烷的总通入量为266.9sccm，气体喷头的内圈、中圈和外圈中碳源的通入量分别为34.3sccm、89.7sccm和142.9sccm，控制气体喷头的内圈、中圈和外圈的硅碳比分别为1.75、1.56和1.4，最终得到所述碳化硅外延结构。
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