CN117766558A - 一种高均一性3C-SiC外延片 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高均一性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外延片的掺杂浓度的均匀性小于2％，外延片的质量提升，从而可提高外延片的利用率，进而提高采用该外延片制备的半导体器件的性能，提高3C‑SiC外延片的应用价值。
Description
技术领域
本申请涉及一种高均一性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。
目前3C-SiC外延生长过程中的温场主要分为两种：中心温度高边缘温度低和中心温度低边缘温度高，上述两种均使得外延片的生长中边缘和中心温度分布不均匀，而温度对于外延片的生长速率和掺杂都会有很大的影响，因此以往的工艺生长出来的外延片的厚度和掺杂均一性不易控制，降低外延片的品质，并且温场分布不均匀也更容易向外延片内引入应力，导致外延片的缺陷密度更高，从而影响3C-SiC外延片的使用。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种高均一性3C-SiC外延片，该3C-SiC的外延片的掺杂均一性和厚度均一性较高，且缺陷密度更低，提高了外延片的利用率，使得可以用于制作半导体器件的有效面积更大。
本申请提供了一种高均一性3C-SiC外延片，所述3C-SiC外延片的掺杂浓度的均匀性小于2％。
可选地，所述3C-SiC外延片的掺杂浓度为1×1015/cm3-1×1020/cm3。
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，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％。
更优选的，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。
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。
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。
可选地，所述3C-SiC外延片的厚度为0.3-30μm，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。
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。
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，厚度越厚，其高均一性和无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°。
可选地，所述SiC衬底为半绝缘型或导电型。
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。
可选地，所述3C-SiC外延片的微管数量、层错数量、划痕数量和三角形缺陷数量均为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-3.5μm，且小于8μm，warp值小于15μm。
可选地，所述3C-SiC外延片的粗糙度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，自中心向边缘方向，所述同心区域内的DPB密度呈阶梯递增。
优选的，相邻同心区域DPB密度的差值为0-550个/cm2，优选为0-500个/cm2，更优选为0-400个/cm2，越靠近边缘，相邻同心区域的DPB密度差值越大。
上述3C-SiC外延片的生产工艺包括下述步骤：
S1：将SiC衬底固定；
S2：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；
S3：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.本申请的高均一性3C-SiC外延片，其掺杂均一性和厚度均一性较高，能提高外延片的品质，进而提高采用该外延片制备的半导体器件的性能，提高3C-SiC外延片的应用价值。
2.本申请的高均一性3C-SiC外延片，其尺寸至少为6寸，厚度为0.3-30μm，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.本申请采用SiC衬底上进行外延生长得到，既解决了Si片上异质外延3C-SiC存在晶格失配严重的问题，又能够得到高均一性和低密度缺陷的外延片，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1-9的外延过程中所用到的石墨盘的结构示意图。
图2为实施例1涉及的3C-SiC外延片的AFM测试图。
图3为本申请实施例1涉及的3C-SiC外延片的拉曼光谱。
部件和附图标记列表：
1、石墨盘本体；2、凹槽；3、台阶。
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。
下述实施例中的外延生长中，用到图1的石墨盘，该石墨盘主要用于中心温度高边缘温度低的温场。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边缘至凹槽2中心设置有3个台阶3，台阶3为石墨材质，台阶3的高度均小于凹槽2的高度，且台阶3的高度自凹槽2边缘向凹槽2中心逐级且等距递减，相邻台阶3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，每个台阶3的宽度相等；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，且每个台阶3的宽度相等。
该石墨盘结构使得外延生长3C-SiC薄膜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、厚度分布更均匀、掺杂分布更均匀。
实施例1
本实施例涉及一种高均一性3C-SiC外延片的生产加工，包括下述步骤：
S1：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≤1°，将该SiC衬底固定；
S2：在1700℃下，使用HCl对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为10min；
S3：降温至1400℃，通入碳源，碳源的流量为20ml/min，通入1min后停掉碳源，持续2min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在1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1μm/h，生长时间为7min；再进行外延层的生长，控制长速为30μm/h，生长时间为15min，得到3C-SiC外延片。对实施例1得到的3C-SiC外延片进行拉曼测试，结果见图3，3C-SiC的拉曼特征峰是972cm-1，根据图3的测试结果可知已成功制备3C-SiC外延片。
实施例2
本实施例涉及一种高均一性3C-SiC外延片的生产加工，包括下述步骤：
S1：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8英寸，偏角≤1°，将该SiC衬底固定；
S2：在1600℃下，使用HCl对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为30min；
S3：降温至1300℃，通入碳源，碳源的流量为15ml/min，通入5min后停掉碳源，持续3min以后，通入氮气，氮气的流量为100ml/min，并按照碳源和硅源的碳硅比在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0.1μm/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3
本实施例涉及一种高均一性3C-SiC外延片的生产加工，包括下述步骤：
S1：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；
S2：在1650℃下，使用H2对SiC衬底进行刻蚀，刻蚀时间为1min；
S3：降温至1550℃，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在0.5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3μm/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4
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S3中碳源和硅源的碳硅比为2，其余步骤与实施例1相同，得到3C-SiC外延片。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S3中3C-SiC缓冲层的长速为3μm/h，其余步骤与实施例1相同，得到3C-SiC外延片。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S3中外延层的长速为45μm/h，其余步骤与实施例1相同，得到3C-SiC外延片。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S3中氮气的流量为300ml/min，其余步骤与实施例1相同，得到3C-SiC外延片。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于，未进行步骤S2，其余步骤与实施例1相同，得到3C-SiC外延片。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S3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1相同，得到3C-SiC外延片。
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中表面粗糙度Ra的测试采用AFM进行，实施例1外延片的AFM测试图见图2，可知其表面粗糙度Ra为0.174。
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)
1.一种高均一性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外延片的掺杂浓度的均匀性小于2％。
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外延片的掺杂浓度为1×1015/cm3-1×1020/cm3。
3.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述掺杂浓度为N的掺杂浓度。
4.根据权利要求1所述的3C-SiC外延片，其特征在于，3C-SiC外延片的厚度均匀性小于1％。
5.根据权利要求4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，所述同心区域的厚度均匀性和掺杂均匀性下降。
6.根据权利要求5所述的3C-SiC外延片，其特征在于，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％。
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外延片的厚度为0.3-30μm。
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外延片的直径不小于6英寸。
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外延片通过在SiC衬底上进行外延生长得到。
10.根据权利要求9所述的3C-SiC外延片，其特征在于，所述SiC衬底的偏角≤4°。
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