CN117626424A - 一种改善6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数控加工技术领域，具体公开了一种改善6英寸4H‑S iC外延片表面粗糙度的方法，包括：装载、抽压、升温、外延生长包括H2刻蚀，长缓冲层、长外延层、降温取片、测试等，本发明采用改变碳硅比的方式对外延片表面进行改善，来获得比较光滑的外延片表面，一方面参数能够精准控制，便于调整，另一方面，参数变化幅度较小，不会对其余表征产生影响。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种改善6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法。
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)和良好的热稳定性，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，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。近年来被广泛应用于新能源汽车、光伏发电、5G通信、智能电网、国防军工等重要领域。
现阶段，4H-SiC外延材料的表面对器件的制作至关重要。粗糙的表面使得器件在迁移率等方面的半导体特性大大受到影响，同时对芯片的性能和可靠性有着至关重要的影响。
而通常的外延生长对表面粗糙度的调整式为：
1、外延生长通过对温度的调整，来影响晶体的生长质量或生长速率，从而间接达到控制表面的情况。而温度的调整容易引起其他的生长变化，比如厚度/浓度均匀性变化，缺陷增多等，引发的变量较多，不利于生长调整。
2、在外延生长阶段前，通入H2，利用在高温下H2对衬底的刻蚀作用，对晶圆表面进行处理。通过对H2流量和刻蚀时间的控制对晶圆表面有较好的控制。但H2的刻蚀作用不仅作用于衬底，同时对设备本身的石墨件也有刻蚀。易于引发颗粒，造成设备维护周期缩短，石墨件使用寿命降低。
而此两种调整方式都是有缺点对环境和条件的限制较大。
外延材料表面形貌与工艺参数有着密切的关系，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。
碳硅比的调整主要会影响外延生长时的掺杂浓度和外延缺陷。掺杂浓度可以通过调整掺杂元素的量精准控制。外延缺陷影响对应的碳硅比范围较大，易于掌控。
本发明的目的主要是在保证其他外延参数的同时，通过对碳硅比的精确控制来得到更光滑的外延片表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法，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6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
S1、装载：把衬底放置在外延炉的LOADLOCK位置，用Ar气置换出空气，然后传送进传送腔，再到反应室；
S2、抽压：在生长前，往反应室通入Ar,通过Ar填充排出腔室残余气体，保持腔室压力在800～1200mbar，在衬底水平放置腔室后，再用H2置换出Ar，同时进行抽压，维持压力在50～200mbar；
S3、升温：用加热电源给反应室加热，温度升温到1500～1700℃，升温时间10～20min，稳定2～5min，同时通入少量H2气浮1～3L/min推动载盘缓慢旋转，改善外延生长的均匀性；
S4、外延生长：主要包括H2刻蚀，长缓冲层、长外延层；
S5、降温取片：待生长完成，往反应室通入Ar持续20～50L/min与H2持续50～150L/min,通过气体带走热量，使反应室降温，整个过程持续10～30min左右，待反应室降温到900℃以后，用机械手取片，把外延片从反应室传送到LOADLOCK，进行自然降温；
S6、测试：取片后，对SiC外延片进行表征测试，厚度，载流子浓度，均匀性，缺陷，粗糙度等，然后分类，根据芯片要求，做成相关器件。
优选的，所述S4中：①H2刻蚀：在温度稳定阶段即可通入H2,流量80～150L/min,时间3～10min，通过H2的刻蚀作用，去掉衬底表面的一些脏污和颗粒；
②长缓冲层：往反应室通入三氯氢硅和乙烯，三氯氢硅TCS流量为50～150sccm,乙烯流量为30～100sccm，同时通入高纯氮作为N掺杂源，N2流量为20～200sccm，时间5～10min，使N掺杂源的载流子浓度在1E17～1E18cm-3左右；
③长外延层：保持之前的温度、压力不变，往反应室通入三氯氢硅、乙烯、氮气等气体流量均在50～500mL/min，使得碳硅比在1.0～1.4之间，N掺杂浓度在1E15～1E17cm-3，时间5～30min，厚度约5～30μm，生长速率20～60μm/h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用改变碳硅比的方式对外延片表面进行改善，来获得比较光滑的外延片表面。一方面参数能够精准控制，便于调整，另一方面，参数变化幅度较小，不会对其余表征产生影响。
附图说明
图1为本发明实验样品的形貌数据之一；
图2为本发明实验样品的形貌数据之一；
图3为本发明实验样品的形貌数据之一；
图4为本发明实验样品的形貌数据之一；
图5为本发明实验样品的形貌数据之一；
图6为本发明的SiC的外延结构图；
图7为本发明外延生长具体的流程图。
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7所示，一种改善6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
S1、装载：把衬底放置在外延炉的LOADLOCK位置，用Ar气置换出空气，然后传送进传送腔，再到反应室；
S2、抽压：在生长前，往反应室通入Ar,通过Ar填充排出腔室残余气体，保持腔室压力在800～1200mbar，在衬底水平放置腔室后，再用H2置换出Ar，同时进行抽压，维持压力在50～200mbar；
S3、升温：用加热电源给反应室加热，温度升温到1500～1700℃，升温时间10～20min，稳定2～5min，同时通入少量H2气浮1～3L/min推动载盘缓慢旋转，改善外延生长的均匀性；
S4、外延生长：主要包括H2刻蚀，长缓冲层、长外延层，其中①H2刻蚀：在温度稳定阶段即可通入H2,流量80～150L/min,时间3～10min，通过H2的刻蚀作用，去掉衬底表面的一些脏污和颗粒；
②长缓冲层：往反应室通入三氯氢硅和乙烯，三氯氢硅TCS流量为50～150sccm,乙烯流量为30～100sccm，同时通入高纯氮作为N掺杂源，N2流量为20～200sccm，时间5～10min，使N掺杂源的载流子浓度在1E17～1E18cm-3左右；
③长外延层：保持之前的温度、压力不变，往反应室通入三氯氢硅、乙烯、氮气等气体流量均在50～500mL/min，使得碳硅比在1.0～1.4之间，N掺杂浓度在1E15～1E17cm-3，时间5～30min，厚度约5～30μm，生长速率20～60μm/h；
S5、降温取片：待生长完成，往反应室通入Ar持续20～50L/min与H2持续50～150L/min,通过气体带走热量，使反应室降温，整个过程持续10～30min左右，待反应室降温到900℃以后，用机械手取片，把外延片从反应室传送到LOADLOCK，进行自然降温。
S6、测试：取片后，对SiC外延片进行表征测试，厚度，载流子浓度，均匀性，缺陷，粗糙度等，然后分类，根据芯片要求，做成相关器件。
外延材料表面形貌与工艺参数有着密切的关系，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。碳硅比的调整主要会影响外延生长时的掺杂浓度和外延缺陷。掺杂浓度可以通过调整掺杂元素的量精准控制。外延缺陷影响对应的碳硅比范围较大，易于掌控。
本发明的目的主要是在保证其他外延参数的同时，通过对碳硅比的精确控制来得到更光滑的外延片表面。
通过实验采用了五组样品作对比：其余生长条件不变，只改变碳硅比，即在TCS流量一定的情况下，只改变C2H4的流量。然后根据AFM的测试结果来确认表面的粗糙度。实验结果请见表1，形貌数据见图1～5。
表一：
根据实验结果：在一定范围内，C/Si的数值越高，外延片的表面越光滑。当超出范围，表面开始变差。C/Si较高达到1.4附近时，C元素开始过量，边缘出现碳化。C/Si比较低时(<1.0)，表面很粗糙，AFM测试不清晰，显微镜下表面出现巨型台阶。
实验结果显示：当C/Si在1.1～1.3之间时，外延片可以获得很好的表面，满足生长需求(Rq<0.5)。当然，因为设备之间的差异，这个范围可能会有10％范围的浮动。
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 (2)
1.一种改善6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、装载：把衬底放置在外延炉的LOADLOCK位置，用Ar气置换出空气，然后传送进传送腔，再到反应室；
S2、抽压：在生长前，往反应室通入Ar,通过Ar填充排出腔室残余气体，保持腔室压力在800～1200mbar，在衬底水平放置腔室后，再用H2置换出Ar，同时进行抽压，维持压力在50～200mbar；
S3、升温：用加热电源给反应室加热，温度升温到1500～1700℃，升温时间10～20min，稳定2～5min，同时通入少量H2气浮1～3L/min推动载盘缓慢旋转，改善外延生长的均匀性；
S4、外延生长：主要包括H2刻蚀，长缓冲层、长外延层；
S5、降温取片：待生长完成，往反应室通入Ar持续20～50L/min与H2持续50～150L/min,通过气体带走热量，使反应室降温，整个过程持续10～30min左右，待反应室降温到900℃以后，用机械手取片，把外延片从反应室传送到LOADLOCK，进行自然降温；
S6、测试：取片后，对SiC外延片进行表征测试，厚度，载流子浓度，均匀性，缺陷，粗糙度等，然后分类，根据芯片要求，做成相关器件。
2.根据权利要求1所述的一种改善6英寸4H-SiC外延片表面粗糙度的方法，其特征在于：所述S4中：①H2刻蚀：在温度稳定阶段即可通入H2,流量80～150L/min,时间3～10min，通过H2的刻蚀作用，去掉衬底表面的一些脏污和颗粒；
②长缓冲层：往反应室通入三氯氢硅和乙烯，三氯氢硅TCS流量为50～150sccm,乙烯流量为30～100sccm，同时通入高纯氮作为N掺杂源，N2流量为20～200sccm，时间5～10min，使N掺杂源的载流子浓度在1E17～1E18 cm-3左右；
③长外延层：保持之前的温度、压力不变，往反应室通入三氯氢硅、乙烯、氮气等气体流量均在50～500mL/min，使得碳硅比在1.0～1.4之间，N掺杂浓度在1E15～1E17 cm-3，时间5～30min，厚度约5～30μm，生长速率20～60μm/h。
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