CN117766557A - 一种高质量结晶的3C-SiC外延片 - Google Patents
一种高质量结晶的3C-SiC外延片 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种高质量结晶的3C‑SiC外延片，属于半导体制备技术领域。该3C‑SiC外延片为异质外延，且3C‑SiC外延片的DPB小于100个/cm2，其结晶质量远高于现有的3C‑SiC外延片，具有更多的可利用面积，提高其使用率，从而降低了使用其制作的半导体器件的成本，利于工业化推广使用。
Description
技术领域
本申请涉及一种高质量结晶的3C-SiC外延片，属于半导体制备技术领域。
背景技术
碳化硅具有非常多的晶型，其中最常见的是4H、6H和3C晶型，目前商用的大部分都是4H-SiC晶型。3C-SiC是所有多型中唯一一个立方结构的晶型，因此有着一些潜在的应用前景。
3C-SiC晶型除了具有和其他多型体一样的宽禁带性质之外，还具有更高的电子迁移率和更好的电子漂移速度等，这将有利于MOSFET和HEMT器件，另外，由于3C-SiC的高电子漂移速度，还可以用作导通电极，起到降低电阻率的作用。
然而，传统的3C-SiC异质外延是通过CVD(化学气相沉积)方法在Si衬底上进行的，这会存在严重的晶格失配，比如热扩展系数8％不兼容，晶格常数20％失配等，导致3C-SiC结晶质量较差，而且具有高密度的缺陷，比如层错、空洞、反相缺陷(APD)等。
因此研究者们现在会更倾向于选择六方晶型的衬底来进行外延生长3C-SiC，比如4H-SiC、6H-SiC等。但是，这又会引入一种新的缺陷类型，即DPB(Double PositionBoundary,双定位边界)，DPB缺陷的成因是3C-SiC具有两种不同的排列方式，即ABC和ACB，因此在4H-SiC或6H-SiC上进行外延生长时，会不可避免的生长这两种晶型，而它们的交界线便是DPB缺陷。故目前在在4H-SiC和6H-SiC上外延生长得到的3C-SiC外延片，其具有高密度的DPB缺陷，严重阻碍3C-SiC衬底的进一步应用。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种高质量结晶的3C-SiC外延片，该3C-SiC外延片的DPB小于100个/cm2，结晶质量远高于现有的3C-SiC外延片，具有更多的可利用面积，提高其使用率，从而降低了使用其制作的半导体器件的成本，利于工业化推广使用。
本申请提供了一种高质量结晶的3C-SiC外延片，所述3C-SiC外延片为异质外延，且所述3C-SiC外延片的DPB小于100个/cm2。
可选地，所述3C-SiC外延片中至少40cm2的整块区域无DPB。
该整块区域是指由平滑的曲线或直线所限定的区域，整块区域的形状可以为三角形、矩形、圆形、椭圆形或多边形(边长不超过8)的任意一种，无DPB的整块区域面积越大，其3C-SiC外延片的可利用面积越大，因此同一外延片就能切割出更多数量的合格品，故利用该合格品制作的器件数量就越多，从而能够降低器件的制作成本，利用规模化扩大生产。对比结晶质量好的区域，在边缘位置能明显看到DPB密度增多，即可认为在降低DPB密度的同时，将DPB限定在边缘位置生长，提高无DPB区域的面积。
可选地，所述3C-SiC外延片自中心起每15mm划分为一个同心区域，自中心向边缘方向，所述同心区域内的DPB密度递增。
优选的，相邻同心区域DPB密度的差值为0-500个/cm2，优选为0-350个/cm2，更优选的，越靠近边缘，相邻同心区域的DPB密度差值越大。
将3C-SiC外延片的中心至15mm处为中心圆，自中心圆的边缘向外每15mm均为一个同心环，中心圆和每个同心环均单独计算其内的DPB密度、掺杂均匀性和厚度均匀性，此处同心区域是指中心圆和多个同心环的统称。
可选地，所述3C-SiC外延片的电阻率为0.001-100Ω·cm。
可选地，所述3C-SiC外延片的电阻率为中心向边缘降低，最高点为中心。
3C-SiC外延片的电阻率反映了产品的导电性能，电阻率越低，则外延片的品质越好，制备的得到的器件的质量也越高。
可选地，所述3C-SiC外延片的表面粗糙度Ra小于0.2nm。
3C-SiC外延片的表面粗糙度越小，外延片的表面质量越好，其应用价值也越高。
可选地，所述3C-SiC外延片的直径不小于6英寸。
优选的，所述3C-SiC外延片的直径不小于8英寸。
3C-SiC外延片直径越大，其无DPB的区域面积越大，即有效利用面积越多，则同一外延片切割后得到的合格品数量越多，制备的器件数量也越多，进而能够提高外延片的利用率，降低器件的生产成本。
可选地，所述3C-SiC外延片的偏角≤4°，优选的，所述3C-SiC外延片的偏角≤1°。
可选地，所述3C-SiC外延片的厚度大于0.5μm。
优选的，所述3C-SiC外延片的厚度为0.5-30μm。所述3C-SiC外延片包括缓冲层和外延层，所述缓冲层的厚度为0.1-3μm。
可选地，所述3C-SiC外延片的厚度分布为中心向边缘逐渐变薄，最高点为中心。
3C-SiC外延片的厚度越大，其耐压越高，该外延片的应用越广。
可选地，所述3C-SiC外延片通过在SiC衬底上进行外延生长得到。
可选地，所述SiC衬底的表面粗糙度Ra小于1nm。
可选地，所述SiC衬底的偏角≤4°。
优选的，所述SiC衬底的偏角≤1°。
可选地，所述SiC衬底为半绝缘型或导电型。
优选的，所述导电型包括N型掺杂和P型掺杂。
可选地，所述3C-SiC外延片的晶向为(111)方向，外延片在4H-SiC或6H-SiC衬底的(0001)方向进行生长，得到的外延片晶向为(111)方向，晶向发生变化。
可选地，所述3C-SiC外延片的半峰宽小于60arcsec。
优选的，所述3C-SiC外延片的半峰宽小于40arcsec。
可选地，所述3C-SiC外延片的微管数量、层错数量和划痕数量均为0，表面颗粒物小于100个/cm2。
可选地，所述3C-SiC外延片的Bow值大于-10μm，且小于10μm，Warp值小于30μm，优选的，所述3C-SiC外延片的Bow值大于-2.5μm，且小于5.5μm，Warp值小于15μm。
可选地，所述3C-SiC外延片的掺杂浓度的均匀性小于2％。
可选地，所述掺杂浓度为N的掺杂浓度。
该3C-SiC外延片的掺杂浓度的均匀性越小，代表外延片在各个区域的质量越均匀，越能够提高外延片的导电性，从而提高其制备的半导体器件的质量及使用寿命。
可选地，3C-SiC外延片的厚度均匀性小于1％。
该3C-SiC外延片的厚度均匀性越小，表示外延片的厚度偏差越小，可提高同一外延片得到的合格品数量，即提高了外延片的利用率，降低了半导体器件的生产成本。
可选地，自中心向边缘方向，所述同心区域的厚度均匀性和掺杂均匀性下降。
优选的，相邻同心区域的厚度均匀性的差值为0-0.5％，掺杂均匀性的差值为0-1.0％，且越靠近边缘，相邻同心区域的厚度均匀性和掺杂均匀性的差值越大。
中心圆中的DPB密度、掺杂均匀性和厚度均匀性最低，越远离中心，同心环中的DPB密度、掺杂均匀性和厚度均匀性均增加，且增加幅度也越大。
上述厚度均匀性和掺杂均匀性的计算公式如下：
其中U代表均匀性，数值越小，代表均匀性越好，是测试点的平均值，σ为标准差，σ的计算公式如下：
其中，xi为每一个点的测试数值，n是测试点数。实际测试中通常沿直径测试10-15个点。
上述3C-SiC外延片的生产工艺包括下述步骤：
(1)将SiC衬底固定；
(2)在1600-1700℃下，使用H2或者HCl对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为1-30min；
(3)降温至1300-1550℃，通入碳源，碳源的流量为1-20ml/min，通入1-10min后停掉碳源，持续1-3min以后，通入氮气，氮气的流量为10-500ml/min，并按照碳源和硅源的碳硅比在0.5-3范围内通入碳源和硅源，控制碳源和硅源的流量，先进行3C-SiC缓冲层的生长，控制长速为0.1-3μm/h，生长时间为2-10min；再进行外延层的生长，控制长速为10-60μm/h，生长时间为1-30min，得到3C-SiC外延片。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.本申请公开了一种低DPB密度缺陷的高质量结晶的3C-SiC外延片，其在至少40cm2的整块区域无DPB，可利用面积大大提高，在后续器件的制作中，能够通过切割该3C-SiC外延片来获得更多数量的合格品。
2.本申请的高质量结晶的3C-SiC外延片，其尺寸至少为6寸，厚度至少为0.5μm，使得可用于制作半导体器件的有效面积更大，能够节省半导体器件的生产成本，提高3C-SiC外延片的利用率。
3.本申请的高质量结晶的3C-SiC外延片，解决了Si片上异质外延3C-SiC存在晶格失配严重的问题，通过在SiC衬底上进行外延生长得到，又能够降低DPB缺陷密度，扩大了3C-SiC外延片的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例2涉及的3C-SiC外延片的拉曼光谱。
图2为本申请实施例2涉及的3C-SiC外延片的图片。
图3为图2中A点的显微放大图。
图4为图2中B点的显微放大图。
图5为图2中C点的显微放大图。
图6为图2中D点的显微放大图。
图7为图2中E点的显微放大图。
图8为图2中F点的显微放大图。
图9为图2中G点的显微放大图。
图10为实施例3涉及的3C-SiC外延片的AFM测试图。
图11为本申请的外延过程中所用到的石墨盘的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
下述实施例用到图11的石墨盘进行外延生长，该石墨盘主要用于中心温度低边缘温度高的温场，该石墨盘，包括：石墨盘本体1，石墨盘本体1的上表面向下凹陷形成凹槽2，凹槽2的中心设置有凸起3，凸起3的高度不高于凹槽2的高度，凸起3周向设置有2个台阶4，台阶4的高度小于凸起3的高度，且台阶4的高度自凸起3向凹槽2边缘逐级递减，凸起3与台阶4均为石墨材质。相邻凸起3的第一个台阶4的宽度为A，凸起3的直径为B，A：B＝1：2，每个台阶4的宽度的宽度相等，凸起3和与相邻凸起3的第一个台阶4的高度差为1mm，相邻台阶4的高度差为1mm。生产6英寸的外延片时，石墨盘本体1的直径为150mm，凹槽2的直径为145mm；生产8英寸的外延片时，石墨盘本体1的直径为200mm，凹槽2的直径为195mm。
该石墨盘结构使得外延生长3C-SiC外延片的过程中温场分布更均匀，径向温度梯度更小，使得得到的3C-SiC的外延片缺陷密度更低，结晶质量更高。
实施例1
本实施例涉及一种高质量结晶的3C-SiC外延片的生产加工，包括下述步骤：
(1)对半绝缘SiC衬底进行研磨抛光，得到表面平整度很好的SiC衬底，其表面粗糙度Ra小于1nm，衬底的尺寸为6英寸，偏角≤4°，将该SiC衬底固定；
(2)在1600℃下，使用H2对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为30min；
(3)降温至1300℃，通入碳源，碳源的流量为1ml/min，通入10min后停掉碳源，持续1min以后，通入氮气，氮气的流量为10ml/min，并按照碳源和硅源的碳硅比为0.5通入碳源和硅源，控制碳源和硅源的流量，先进行3C-SiC缓冲层的生长，控制长速为0.1μm/h，生长时间为10min；再进行外延层的生长，控制长速为10μm/h，生长时间为30min，得到3C-SiC外延片。
实施例2
本实施例涉及一种高质量结晶的3C-SiC外延片的生产加工，包括下述步骤：
(1)对N型掺杂的SiC衬底进行研磨抛光，得到表面平整度很好的SiC衬底，其表面粗糙度Ra小于1nm，衬底的尺寸为8英寸，偏角≤1°，将该SiC衬底固定；
(2)在1650℃下，使用H2对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为20min；
(3)降温至1450℃，通入碳源，碳源的流量为10ml/min，通入5min后停掉碳源，持续3min以后，通入氮气，氮气的流量为300ml/min，并按照碳源和硅源的碳硅比为1通入碳源和硅源，控制碳源和硅源的流量，先进行3C-SiC缓冲层的生长，控制长速为2μm/h，生长时间为5min；再进行外延层的生长，控制长速为40μm/h，生长时间为20min，得到3C-SiC外延片。
实施例3
本实施例涉及一种高质量结晶的3C-SiC外延片的生产加工，包括下述步骤：
(1)对P型掺杂的SiC衬底进行研磨抛光，得到表面平整度很好的SiC衬底，其表面粗糙度Ra小于1nm，衬底的尺寸为6英寸，偏角≤1°，将该SiC衬底固定；
(2)在1700℃下，使用HCl对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为1min；
(3)降温至1550℃，通入碳源，碳源的流量为20ml/min，通入1min后停掉碳源，持续3min以后，通入氮气，氮气的流量为500ml/min，并按照碳源和硅源的碳硅比为3通入碳源和硅源，控制碳源和硅源的流量，先进行3C-SiC缓冲层的生长，控制长速为3μm/h，生长时间为2min；再进行外延层的生长，控制长速为60μm/h，生长时间为1min，得到3C-SiC外延片。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于，步骤(3)中碳源和硅源的碳硅比为2，其余步骤与实施例2相同，得到3C-SiC外延片。
实施例5
本实施例与实施例2的区别在于，步骤(3)中3C-SiC缓冲层的长速为3μm/h，其余步骤与实施例2相同，得到3C-SiC外延片。
实施例6
本实施例与实施例2的区别在于，步骤(3)中外延层的长速为50μm/h，其余步骤与实施例2相同，得到3C-SiC外延片。
实施例7
本实施例与实施例2的区别在于，步骤(3)中氮气的流量为100ml/min，其余步骤与实施例2相同，得到3C-SiC外延片。
实施例8
本实施例与实施例2的区别在于，未进行步骤(2)，其余步骤与实施例2相同，得到3C-SiC外延片。
实施例9
本实施例与实施例2的区别在于，步骤(3)中未预先通入碳源，直接通入氮气和碳硅比为1的碳源和硅源，其余步骤与实施例2相同，得到3C-SiC外延片。
对实施例2得到的3C-SiC外延片进行拉曼测试，结果见图1，3C-SiC的拉曼特征峰是972cm-1，根据图1的测试结果可知已成功制备3C-SiC外延片；参见图2，对实施例2得到的3C-SiC外延片进行定位，选择A-G共7个测试点，对上述测试点进行显微镜观察，观察结果分别见图3-9，可以得知本申请制备的3C-SiC外延片的DPB密度低，图3(A点)-图7(E点)中均未有DPB，图5-7(C-E点)中并不存在DPB，而是一些3C成核点，不属于外延片的缺陷，图8(F点)出现DPB，图9(G点)DPB进一步增多，但是即使在G点的DPB较多的区域，DPB缺陷密度也要比目前采用SiC衬底制作的3C-SiC外延片的结果要好，且该G点在边缘位置，后续使用中可将边缘位置切除，该外延片仍具有非常大的可利用面积。
对上述实施例得到的3C-SiC外延片进行检测，测试结果见下表1和表2，其中3C-SiC外延片的微管数量、层错数量、划痕数量和三角形缺陷均为0，表面颗粒物的数量小于100个/cm2。表2中的表面粗糙度Ra的测试采用AFM进行，实施例3外延片的AFM测试图见图10，可知其表面粗糙度Ra为0.191。
表1
表2
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高质量结晶的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片为异质外延，且所述3C-SiC外延片的DPB小于100个/cm2。
2.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片中至少40cm2的整块区域无DPB。
3.根据权利要求2所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片自中心起每15mm划分为一个同心区域，自中心向边缘方向，所述同心区域内的DPB密度递增。
4.根据权利要求3所述的3C-SiC外延片，其特征在于，相邻同心区域DPB密度的差值为0-500个/cm2。
5.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片的电阻率为0.001-100Ω·cm。
6.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片的直径不小于6英寸。
7.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片的厚度大于0.5μm。
8.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片通过在SiC衬底上进行外延生长得到。
9.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片的微管数量、层错数量和划痕数量均为0。
10.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述3C-SiC外延片的半峰宽小于60arcsec。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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