CN117637444B - 外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及半导体技术领域，具体公开一种外延生长方法，包括：将晶圆放置于反应腔，并调节所述反应腔内的压力和温度至预设范围；加入刻蚀气体至所述反应腔，以对所述晶圆的表面进行原位刻蚀；保持所述反应腔内的压力不变，降低所述反应腔内的温度，并加入反应气体至所述反应腔，以在所述晶圆表面生长缓冲层；保持所述反应腔内的温度不变，增加所述刻蚀气体的流量以及所述反应气体的流量，以进行外延层的生长。在上述过程中，降低反应腔内的温度以及增加刻蚀气体的流量可以有效降低外延片的台阶长度和密度，从而减少外延片中缺陷和杂质的产生，提高外延片的表面质量，进而提高器件的长期稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种外延生长方法。
背景技术
碳化硅（SiC）作为一种具有优异物理和化学特性的半导体材料，其被广泛应用于高功率电子器件、光电器件等领域。其中，碳化硅外延片是制备SiC器件的关键材料之一。
在碳化硅外延片的生长过程中，由于温度、压力、基底表面的微观结构、化学物质等外界因素的干扰，往往会出现碳化硅外延台阶聚集现象，即在晶圆表面出现不平整的台阶结构。这将使晶片中形成空隙和裂纹等微观结构缺陷，这些缺陷会导致器件的绝缘性能下降，在高温、高压等工作条件下，还会导致漏电和故障的发生，进而影响器件的可靠性和寿命，降低器件的性能和稳定性。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种外延生长方法，包括：
将晶圆放置于反应腔，并调节所述反应腔内的压力和温度至预设范围；
加入刻蚀气体至所述反应腔，以对所述晶圆的表面进行原位刻蚀；
保持所述反应腔内的压力不变，降低所述反应腔内的温度，并加入反应气体至所述反应腔，以在所述晶圆表面生长缓冲层；
保持所述反应腔内的温度不变，增加所述刻蚀气体的流量以及所述反应气体的流量，以进行外延层的生长。
在其中一个实施例中，在所述调节所述反应腔内的压力和温度至预设范围的步骤中，将所述反应腔内的压力调节至300mbar-500mbar之间，将所述反应腔内的温度调节至1595℃-1650℃之间。
在其中一个实施例中，所述刻蚀气体包括氯化氢。
在其中一个实施例中，在所述加入刻蚀气体至所述反应腔的步骤中，加入50sccm-150sccm的氯化氢至所述反应腔内。
在其中一个实施例中，在所述降低所述反应腔内的温度的步骤中，将所述反应腔内的温度降低至1500℃-1550℃之间。
在其中一个实施例中，在所述加入反应气体至所述反应腔的步骤中，加入85sccm-150sccm的TCS气体作为硅源，加入25sccm-40sccm的乙烯作为碳源，加入氮气作为掺杂气体。
在其中一个实施例中，在所述增加所述刻蚀气体的流量以及所述反应气体的流量的步骤包括：
增加所述氯化氢的流量至300sccm-450sccm之间，增加所述TCS的流量至350sccm-600sccm之间，增加所述乙烯的流量至100sccm-250sccm之间。
在其中一个实施例中，在进行外延层的生长时，控制所述晶圆的旋转速率大于100rpm。
在其中一个实施例中，当所述外延层生长结束后，所述外延生长方法还包括：
降低所述反应腔内的温度至预设温度值时，保持预设时长，并向所述反应腔内通入掺杂有氩气的氢气。
在其中一个实施例中，在所述降低所述反应腔内的温度至预设温度值时，保持预设时长，并向所述反应腔内通入掺杂有氩气的氢气中，降低所述反应腔内的温度至1400℃时，保持5min-10min，同时通入80slm-100slm掺杂有4%氩气的氢气。
本申请提供的外延生长方法，将晶圆放置于反应腔并调节反应腔内的压力和温度至预设范围后，加入刻蚀气体至反应腔以对晶圆的表面进行原位刻蚀，然后保持反应腔内的压力不变，同时降低反应腔内的温度并加入反应气体至反应腔，以在晶圆的表面生长缓冲层，最后保持反应腔内的温度不变，并增加刻蚀气体的流量以及反应气体的流量，以生长外延层。在上述过程中，降低反应腔内的温度以及增加刻蚀气体的流量可以有效降低外延片的台阶长度和密度，从而减少外延片中缺陷和杂质的产生，提高外延片的表面质量，进而提高器件的长期稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的外延生长方法的流程框图；
图2为本申请另一实施例提供的外延生长方法的流程框图；
图3为本申请一实施例提供的外延生长方法中解离过程的示意图；
图4为采用传统工艺进行外延生长后得到的外延片表面形貌图；
图5为采用本申请实施例提供的外延生长方法得到的外延片表面形貌图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的优选实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本申请的公开内容理解得更加透彻全面。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
碳化硅（SiC）作为一种具有优异物理和化学特性的半导体材料，其被广泛应用于高功率电子器件、光电器件等领域。其中，碳化硅外延片是制备SiC器件的关键材料之一。
在碳化硅外延片的生长过程中，由于温度、压力、基底表面的微观结构、化学物质等外界因素的干扰，往往会出现碳化硅外延台阶聚集现象，即在晶圆表面出现不平整的台阶结构。这将使晶片中形成空隙和裂纹等微观结构缺陷，这些缺陷会导致器件的绝缘性能下降，在高温、高压等工作条件下，还会导致漏电和故障的发生，进而影响器件的可靠性和寿命，降低器件的性能和稳定性。
SiC台阶形貌演化过程与相邻层与层间相互作用的能量势垒EH以及能量势垒EB有关。较高的EB能量势垒降低了吸附原子向台阶扩散的能力，相应的台阶推进速率也会减少。同样，较低的能量势垒提高了台阶推进速率。对于4H-SiC多型，相邻层与层间相互作用的能量势垒EH以及ES能量势垒EB是不同的, 因此台阶向前推进速率不同，这使得邻晶面上台阶的宽度发生变化。一些台阶宽度会变窄，而另外一些台阶宽度会变宽。较宽的台阶意味着能给台阶边缘提供更多吸附原子，从而使得台阶推进速率更快。相反，较窄的台阶给台阶边缘提供吸附原子很少，所以台阶推进速率较慢。因此，随着生长过程的进行, 较宽的台阶会变得越来越宽, 较窄的台阶会变的越来越窄，最终导致了台阶聚并形貌的出现。
为了解决台阶聚集的问题，现有技术中出现了以下解决方案：通过增加生长压力来降低台阶的密度。但该解决方案会增加生长过程中的缺陷和硅的聚集，从而降低表面质量，并不是较佳解决方案。
为此，本申请提供一种外延生长方法，用于外延片的生长过程，以便解决外延片表面台阶聚集的问题。外延片包括但不限于碳化硅外延片。
参照图1，本实施例提供的外延生长方法包括以下步骤：
步骤 S200、将晶圆放置于反应腔，并调节所述反应腔内的压力和温度至预设范围。
首先可以将准备好的晶圆放置于外延生长设备的反应腔内，并将反应腔内的压力和温度调节至预设范围。其中，在放入晶圆之前，可以对晶圆进行双面抛光。
在步骤S200中，可以将反应腔内的压力调节至300mbar-500mbar之间，例如300mbar、350mbar 、400mbar、450mbar、500mbar等。传统工艺中，反应腔内的压力一般控制在100mbar-200mbar之间，本实施例中，增大了反应腔内的压力，以便降低台阶聚集的密度，同时结合后续工艺避免表面缺陷的产生。
在步骤S200中，可以将反应腔内的温度调节至1595℃-1650℃之间，例如1595℃、1598℃、1600℃、1625℃、1650℃等。
步骤 S400、加入刻蚀气体至所述反应腔，以对所述晶圆的表面进行原位刻蚀。
当反应腔内的压力和温度均达到预设范围时，即可进入高温刻蚀阶段。在该阶段中，向反应腔内通入刻蚀气体，以便对晶圆的表面进行原位刻蚀。
具体地，刻蚀气体可以为氯化氢，可以向反应腔内通入50sccm-150sccm的氯化氢，例如50sccm、70sccm、90sccm、100sccm、130sccm、150sccm等。其中，氢气气量可以为90slm-100slm，例如90slm、95slm、100slm等。氯化氢的通入时长一般为5min-8min，高温刻蚀阶段持续大约10min-20min。
步骤 S600、保持所述反应腔内的压力不变，降低所述反应腔内的温度，并加入反应气体至所述反应腔，以在所述晶圆表面生长缓冲层。
当高温刻蚀结束后，进入缓冲层生长阶段。在缓冲层生长阶段，可以保持反应腔内的压力不变，降低反应腔内的温度，同时加入相应的反应气体至反应腔，在上述条件下，可以在晶圆表面生长出缓冲层。
具体地，反应腔内的温度可以降至1500℃-1550℃之间，例如1500℃、1510℃、1530℃、1540℃、1550℃等。反应气体可以包括TCS气体和乙烯。TCS气体作为硅源，其含量可以位于85sccm-150sccm之间，例如85sccm、95sccm、115sccm、150sccm等。乙烯作为碳源，其含量可以位于25sccm-40sccm之间，例如25sccm、30sccm、35sccm、40sccm等。同时，还可以加入氮气，氮气作为掺杂气体，其含量可以根据实际需求设定。
根据实际需求，生长出的缓冲层的厚度可以位于1μm-3μm之间。
步骤 S800、保持所述反应腔内的温度不变，增加所述刻蚀气体的流量以及所述反应气体的流量，以进行外延层的生长。
缓冲层生长结束后，可以进入外延层生长阶段。在外延层生长阶段，可以保持反应腔内的温度不变，增加氯化氢的流量以及反应气体的流量，以生长出外延层。
具体地，可以将氯化氢的流量增加至300sccm-450sccm之间，例如300sccm、350sccm、400sccm、450sccm等。可以将TCS气体的流量增加至350sccm-600sccm之间，例如350sccm、400sccm、450sccm、600sccm等。可以将乙烯的流量增加至100sccm-250sccm之间，例如100sccm、150sccm、200sccm、250sccm等。
本申请提供的外延生长方法，将晶圆放置于反应腔并调节反应腔内的压力和温度至预设范围后，加入刻蚀气体至反应腔以对晶圆的表面进行原位刻蚀，然后保持反应腔内的压力不变，同时降低反应腔内的温度并加入反应气体至反应腔，以在晶圆的表面生长缓冲层，最后保持反应腔内的温度不变，并增加刻蚀气体的流量以及反应气体的流量，以生长外延层。在上述过程中，降低反应腔内的温度以及增加刻蚀气体的流量可以有效降低外延片的台阶长度和密度，从而减少外延片中缺陷和杂质的产生，提高外延片的表面质量，进而提高器件的长期稳定性和可靠性。
在降低反应腔内的温度后，可以将能量势垒EH和能量势垒EB的差距减小，通过增加反应腔内的压力，以及通入氯化氢对晶圆表面进行原位刻蚀，可以使晶圆表面台阶更规整，方便后续生长。另外，增加了台阶附近的硅源和碳源的供应量，可以增加台阶的扩散速率，减少台阶聚集的概率。
此外，在进行外延层的生长时，可以控制所述晶圆的旋转速率大于100rpm。通过增加旋转速率，可以使得表面源气分布更加均匀，微观角度、原子沉积方向性上更加平衡。
晶圆在外延层生长过程中，一般是设置在旋转台上，可以通入旋转气体，以驱动旋转台转动。本实施例中，可以在1min内逐渐增加旋转气体的气量至1.5slm-2.5slm之间，而传统工艺中，旋转气体的气量仅为0.6slm-1.0slm。通过增加旋转气体的气量可以增大晶圆的旋转速率，使其大于100rpm，相对于传统工艺中30rpm-50rpm的旋转速率，本实施例中增大了旋转速率，可以使外延片的台阶更加均匀地分布，进一步减少台阶聚集现象。
本实施例中，生长出的外延层的厚度可以位于5μm-20μm。
参照图2，在其中一个实施例中，当所述外延层生长结束后，本实施例提供的外延生长方法还包括：
步骤 S900、降低所述反应腔内的温度至预设温度值时，保持预设时长，并向所述反应腔内通入掺杂有氩气的氢气。
当外延层生长结束后，停止加热，对反应腔进行降温，停止通入反应气体，同时可以逐渐减小旋转气体的气量至0.1slm。当反应腔内的温度降至预设温度值时，维持该状态预设时长，同时可以向反应腔内通入掺杂有氩气的氢气，由此可以使表面残留的大台阶聚集发生解离，解离后的台阶高度大大降低，进而降低了台阶密度，提升了外延片表面质量。
具体地，可以在降低反应腔内的温度至1400℃时，保持该状态5min-10min，并通入80slm-100slm掺杂有4%氩气的氢气。其他条件保持不变的情况下，外延片表面的大台阶会发生解离，解离后的台阶高度仅为原来的10%-20%，约为0.5nm-1nm。
图3中（a）-（d）为解离过程的示意图，图3中（e）和（f）为微观示意图。
当解离完毕，继续降温，待降温完毕，通过机械臂进行取片，再对外延片表面进行量测。
通过上述方法，通过降低反应腔内的温度、增加氯化氢含量，可以降低台阶长度，同时适当增加反应腔内的压力和旋转速率，可以大幅度降低台阶聚集的密度，提高后续器件的长期可靠性和稳定性。
将外延生长的其中一种传统工艺与本申请实施例提供的外延生长方法进行比较，传统工艺与本申请实施例提供的外延生长方法之间的主要区别是在于：在传统工艺中，在生长缓冲层的步骤（对应步骤S600）中，保持反应腔内的温度不变，且在生长外延层的步骤（对应步骤S800）中，保持刻蚀气体的流量不变。
图4示出了采用上述传统工艺进行外延生长后得到的外延片表面形貌图，图5示出了采用本申请实施例提供的外延生长方法得到的外延片表面形貌图。通过比对图4和图5可以看出， 采用本申请实施例提供的外延生长方法得到的外延片的表面更平整，外延片的表面质量较高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种外延生长方法，其特征在于，包括：
将晶圆放置于反应腔，并调节所述反应腔内的压力和温度至预设范围；
加入刻蚀气体至所述反应腔，以对所述晶圆的表面进行原位刻蚀；
保持所述反应腔内的压力不变，降低所述反应腔内的温度，并加入反应气体至所述反应腔，以在所述晶圆表面生长缓冲层；
保持所述反应腔内的温度不变，增加所述刻蚀气体的流量以及所述反应气体的流量，以进行外延层的生长；
在所述调节所述反应腔内的压力和温度至预设范围的步骤中，将所述反应腔内的压力调节至300mbar-500mbar之间，将所述反应腔内的温度调节至1595℃-1650℃之间。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括氯化氢。
3.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于，在所述加入刻蚀气体至所述反应腔的步骤中，加入50sccm-150sccm的氯化氢至所述反应腔内。
4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，在所述降低所述反应腔内的温度的步骤中，将所述反应腔内的温度降低至1500℃-1550℃之间。
5.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于，在所述加入反应气体至所述反应腔的步骤中，加入85sccm-150sccm的TCS气体作为硅源，加入25sccm-40sccm的乙烯作为碳源，加入氮气作为掺杂气体。
6.根据权利要求5所述的外延生长方法，其特征在于，在所述增加所述刻蚀气体的流量以及所述反应气体的流量的步骤包括：
增加所述氯化氢的流量至300sccm-450sccm之间，增加所述TCS的流量至350sccm-600sccm之间，增加所述乙烯的流量至100sccm-250sccm之间。
7.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，在进行外延层的生长时，控制所述晶圆的旋转速率大于100rpm。
8.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，当所述外延层生长结束后，所述外延生长方法还包括：
降低所述反应腔内的温度至预设温度值时，保持预设时长，并向所述反应腔内通入掺杂有氩气的氢气。
9.根据权利要求8所述的外延生长方法，其特征在于，在所述降低所述反应腔内的温度至预设温度值时，保持预设时长，并向所述反应腔内通入掺杂有氩气的氢气中，降低所述反应腔内的温度至1400℃时，保持5min-10min，同时通入80slm-100slm掺杂有4%氩气的氢气。
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| CN105869996A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-08-17 | 全球能源互联网研究院 | 一种碳化硅外延生长系统及其生长方法 |
| KR20180074893A (ko) * | 2016-12-23 | 2018-07-04 | 주식회사 포스코 | 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 |
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2024
- 2024-01-25 CN CN202410102618.2A patent/CN117637444B/zh active Active
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