CN117702264A - 降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，基于氯化氢辅助超低速SiC外延工艺原位生长一层修复层对表面微坑缺陷进行外延修复；在完成修复层生长后，进行修复层原位氯化氢辅助氢气刻蚀处理，并通过进行多个周期的原位修复刻蚀处理，最终将修复层部分去除或者完全去除，还原原始外延结构，并达到进一步降低厚层SiC外延薄膜表面微坑缺陷数量的效果。本发明适用于现有商业化SiC外延炉，工艺兼容于现有常规外延工艺，可以用于商业化SiC外延片的批量生产，具有极大的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅外延技术领域，具体涉及一种降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法。
背景技术
碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，以其卓越的本征材料优势成为下一代电力电子半导体器件的首选，将为电力电子技术带来革命性的巨变。SiC电力电子器件中的多层结构均需要通过外延生长来实现，因此，器件的性能很大程度上取决于外延结构材料的制作水平。外延生长过程中不可避免地产生各类外延缺陷，对于由衬底螺位错引起的表面微坑缺陷，其可能造成器件失效，特别是由混合螺位错导致的表现为微坑形貌的表面微坑缺陷可能造成器件提前击穿。为了控制表面微坑缺陷数量，目前常用的方法主要是基于C/Si比、生长温度、原位刻蚀等进行的工艺优化，其对如三角形胡萝卜掉落物等大的表面缺陷的优化效果明显。但是，该方法对于减少表面微坑缺陷的效果并不理想，并且由于表面微坑缺陷数量随着外延厚度的变大而迅速增加，其对30微米以上的厚层外延材料效果十分不理想。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，能有效解决上述方法对于降低30 μm以上的厚层外延材料缺陷的效果不理想的不足之处。
技术方案：降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，包括以下步骤：
S1、在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，采用高速外延工艺完成厚层碳化硅外延薄膜生长；
S2、将生长温度设置调低10-50℃，将碳源、硅源调节至超低速SiC外延工艺所需的流量，通入氯化氢辅助外延，原位生长一层修复层对表面微坑缺陷进行外延填充修复；
S3、完成修复层生长后，中断生长源，进行原位氯化氢辅助氢气刻蚀，将修复层部分刻蚀或完全去除；
S4、进行1~10个周期的步骤S2-S3的原位修复刻蚀处理；
S5、降温至取样温度，打开反应室取出外延材料。
优选的，步骤S2中所述碳源包括乙烯或丙烷，所述硅源包括硅烷或三氯氢硅。
优选的，步骤S2中以硅烷作为硅源，则将生长温度设置调低30-50℃；以三氯氢硅作为硅源，则将生长温度设置调低10-20℃。
优选的，步骤S2中超低速SiC外延工艺的生长速率＜10 μm/h，修复层厚度＜1 μm。
优选的，步骤S2中Cl/Si流量比为0~50。
优选的，步骤S2中修复层掺杂类型与原有外延层掺杂类型一致。
优选的，步骤S3中HCl/H2流量比小于2%，刻蚀时间由刻蚀厚度所决定，最长刻蚀时间为完全去除修复层所需时间，且刻蚀厚度不超过原始外延层厚度的5%。
有益效果：本发明在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，采用不同生长源体系进行原位修复层外延生长并进行原位刻蚀处理，可以有效降低厚层SiC外延薄膜表面微坑缺陷数量；
采用超低速SiC外延生长速率生长薄层修复层，保证修复效果的同时减少刻蚀工艺时间，避免引起颗粒掉落等异常；
通过在超低速SiC外延工艺过程中引入氯化氢辅助生长，优选合适的Cl/Si流量比，既能提高微坑修复效率又使刻蚀速率小于生长速率；在氢气原位刻蚀过程中引入氯化氢辅助，优选较低的HCl/H2流量比，提高原位刻蚀一致性的同时，减少选择性刻蚀；
通过进行1~10个周期的原位修复刻蚀处理，以进一步降低厚层SiC外延薄膜表面微坑缺陷数量；
本发明适用于现有商业化SiC外延炉，工艺兼容于现有常规外延工艺，可以用于商业化SiC外延片的批量生产。
附图说明
图1是本发明生长方法的流程示意图；
图2是实施不同优化方法的效果图，其中a为在传统方法制备的碳化硅外延薄膜上实施传统优化方法降低表面缺陷后的表面微坑缺陷分布效果图，b为在传统方法制备的碳化硅外延薄膜上实施本发明方法后的表面微坑缺陷分布效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：
实施例1
如图1所示：降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，包括以下步骤：
S1、在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，采用高速外延工艺完成50 μm厚的碳化硅外延薄膜生长；
S2、保持反应室温度和压力不变，将乙烯、三氯氢硅和氯化氢的流量分别调节至30sccm、100 sccm和4000 sccm，原位生长一层修复层对表面微坑缺陷进行外延填充修复，生长时间为5 min；
S3、完成修复层生长后，中断生长源，将氯化氢流量调节至1000 sccm，进行原位氯化氢辅助氢气刻蚀，刻蚀时间为30 min，将修复层刻蚀去除，还原原始外延结构；
S4、重复进行3个周期的步骤S2-S3的原位修复刻蚀处理；
S5、降温至取样温度，打开反应室取出外延材料。
实施例2
降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，包括以下步骤：
S1、在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，采用高速外延工艺完成100 μm厚的碳化硅外延薄膜生长；
S2、保持反应室温度和压力不变，将乙烯、硅烷和氯化氢的流量分别调节至20sccm、50 sccm和1800 sccm，原位生长一层修复层对表面微坑缺陷进行外延填充修复，生长时间为3 min；
S3、完成修复层生长后，中断生长源，将氯化氢流量调节至500 sccm，进行原位氯化氢辅助氢气刻蚀，刻蚀时间为15 min，将修复层刻蚀去除，还原原始外延结构；
S4、重复进行5个周期的步骤S2-S3的原位修复刻蚀处理；
S5、降温至取样温度，打开反应室取出外延材料。
实施例3
降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，包括以下步骤：
S1、在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，采用高速外延工艺完成60 μm厚的碳化硅外延薄膜生长；
S2、保持反应室温度和压力不变，将乙烯、硅烷和氯化氢以及氮气的流量分别调节至20 sccm、50 sccm和1800 sccm及100 sccm，原位生长一层n型掺杂的修复层对表面微坑缺陷进行外延填充修复，生长时间为1 min；
S3、完成修复层生长后，中断生长源，关闭氯化氢和氮气，进行原位氢气刻蚀，刻蚀时间为5 min，将修复层刻蚀去除，还原原始外延结构；
S4、降温至取样温度，打开反应室取出外延材料。
在传统方法制备的碳化硅外延薄膜上实施传统优化方法，得到的碳化硅外延薄膜的表面微坑缺陷分布效果如图2中a所示；在传统方法制备的碳化硅外延薄膜上实施本发明方法（实施例3的方法），得到的碳化硅外延薄膜的表面微坑缺陷分布效果如图2中b所示。本发明方法实施后表面微坑缺陷数量大幅度下降，表明本发明方法解决了传统工艺优化方法对30 μm以上的厚层外延材料降低表面微坑缺陷效果不佳的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在完成常规厚层碳化硅外延薄膜生长后，采用高速外延工艺完成厚层碳化硅外延薄膜生长；
S2、将生长温度设置调低10-50℃，将碳源、硅源调节至超低速SiC外延工艺所需的流量，通入氯化氢辅助外延，原位生长一层修复层对表面微坑缺陷进行外延填充修复；
S3、完成修复层生长后，中断生长源，进行原位氯化氢辅助氢气刻蚀，将修复层部分刻蚀或完全去除；
S4、进行1~10个周期的步骤S2-S3的原位修复刻蚀处理；
S5、降温至取样温度，打开反应室取出外延材料。
2.根据权利要求1所述的降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于：步骤S2中所述碳源包括乙烯或丙烷，所述硅源包括硅烷或三氯氢硅。
3.根据权利要求1所述的降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于：步骤S2中以硅烷作为硅源，则将生长温度设置调低30-50℃；以三氯氢硅作为硅源，则将生长温度设置调低10-20℃。
4.根据权利要求1所述的降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于：步骤S2中超低速SiC外延工艺的生长速率＜10 μm/h，修复层厚度＜1 μm。
5.根据权利要求1所述的降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于：步骤S2中Cl/Si流量比为0~50。
6.根据权利要求1所述的降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于：步骤S2中修复层掺杂类型与原有外延层掺杂类型一致。
7.根据权利要求1所述的降低厚层碳化硅外延材料表面微坑缺陷数量的生长方法，其特征在于：步骤S3中HCl/H2流量比小于2%，刻蚀时间由刻蚀厚度所决定，最长刻蚀时间为完全去除修复层所需时间，且刻蚀厚度不超过原始外延层厚度的5%。
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