4H-SiC选择性同质外延生长方法

专利名称：4H-SiC选择性同质外延生长方法
技术领域：
本发明属于微电子器件技术领域，特别是涉及一种4H-SiC选择性同质外 延生长方法，可用于SiC器件的制备和性能的改进。
技术背景SiC材料作为第三代半导体材料，相对于以Si为代表的第一代半导体材料和 以GaAs为代表的第二代半导体材料具有相当多的优势。SiC材料具有大的禁带 宽度，可在更高温度下工作，同时有助于大功率器件的制备；具有大的载流子 饱、漂移速度和迁移率，为器件的响应速度提供了良好的基础。目前，SiC器件 的研制己经成为半导体器件和电路领域的研究热点。为了实现碳化硅的局部掺杂，即在4H-SiC晶片中获得浓度不均匀且可控的 区域，可以利用扩散、离子注入以及外延生长的方法。离子注入掺杂具有以下优点(1) 可在较低的温度下进行，避免了由于高温处理而产生的不利影响；(2) 能精确控制掺入杂质的浓度，分布和注入深度；(3) 所掺入杂质是经过质量分析器单一地分选后注入的，可避免混入其它 杂质；(4) 能在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；(5) 可获得高浓度掺杂层而不受固溶度限制；(6) 有可能发展为无掩模惨杂技术。但SiC离子注入掺杂需要高温退火以消除其带来的晶格损伤，且离子注入 掺杂难以形成深结，深度小于lpm。目前用氮、硼、铝作为注入杂质的研究已取得成果。Al和B均为P型杂质。 Al具有较低的电离能，在室温下电离度较高，可使注入层具有良好的P型特性。 B的电离能较高，但可获得较高的注入深度。此外，B比A1更易注入和激活，因为A1比B重得多，且引入许多晶格损伤。作为半导体局部掺杂的另一种方法，热扩散广泛应用于Si基和GaAs基集成电路。与离子注入相比，热扩散的优点在于掺杂过程不会带来辐射损伤， 不需要高温热退火来实现电激活，可以实现较深的线性缓变pn结。然而，对 SiC材料而言，即使在180(TC高温下，杂质的扩散系数仍然很低，因而SiC的 扩散掺杂需要极高的温度。高温工艺又可能导致SiC升华及SiC表面反应物的再次淀积，从而扩散掺杂很难得到光滑的表面，掺杂过程也变得难以控制。此 外，如何得到适合的扩散局部掺杂的耐高温掩膜层也是一项艰巨的任务。目前杂质在SiC内的扩散机制尚未完全解释清楚，因此它并不是实现SiC可控掺杂的实用方法。 发明内容本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种4H-SiC选择性同质 外延生长方法，以增加掺杂区域的厚度，避免对4H-SiC晶体质量造成损伤。为实现上述目的，本发明提供的4H-SiC选择性同质外延生长方法，包括 以下步骤(1) 对4H-SiC衬底进行钝化、清洗和去氧化层预处理，并在该4H-SiC 衬底正面生长N—外延层；(2) 在N—型外延层上淀积50-5000nm钜金属层作为掩膜层，形成条形选 择性生长区域，掩膜层开口从朝向(l 了 OO)方向到朝向(l 1 5 O)方向；(3) 将覆盖有钽的4H-SiC晶片放入通有丙烷的化学气相淀积反应室中碳 化，碳化的温度为1000°C-1300°C，时间为10-30分钟，将钽转化为碳化钽；(4) 将进行完上述步骤后的样片放入化学气相淀积反应室进行选择性外延 生长，外延生长的温度为150(TC-160(TC，时间为10-120分钟；(5) 将外延生长后的样片放入溶剂中湿法刻蚀，除去碳化钽掩膜层，完成 4H-SiC选择性外延生长。本发明具有如下优点l)本发明选用淀积金属钽，并将其碳化形成碳化钽，做为选择性外延的掩膜层，既能对同质外延生长不造成污染，又能耐高温；2) 本发明通过掩膜层形状和大小的变化，控制掺杂的区域，有利于不同器 件制备；3) 本发明通过掩膜层开口方向、厚度的变化，控制外延生长的质量和厚度；4) 本发明通过含有HF和HN03的溶剂进行湿法刻蚀，刻蚀时间为10-30 分钟，除去碳化钽掩膜层，同时不刻蚀4H-SiC。


图1是本发明实施方法的流程图。
具体实施方式
实施例l参照图1，本发明包括如下步骤步骤1 ，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018Cm'3。首先，用 熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210'C、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后， 用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。步骤2，在衬底上生长N'外延层。在预处理后的基片上通过化学气相淀积法生长同质N—型外延层，外延层掺 杂为1.5xlO'W3，厚度为10士0.5pm。步骤3，采用金属剥离方法制作钜阻挡层。3a,对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影，掩膜层开口方向 朝向(l 1. 2 0);3b.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作50nm的钽层，然后 浸泡在丙酮中做超声波处理，剥离金属形成阻挡层。 步骤4，碳化钽形成碳化钽。 4a.采用RCA标准清洗样片； 4b.在10(TC下对样片进行烘干20min;4c.将覆盖有钽的SiC晶片放入充有10ml/min的C3H8的化学气相淀积反应 室中加热到100(TC碳化10分钟，将钽碳化为碳化钽。 步骤5，选择性同质外延生长。将4H-SiC晶片放化学气相淀积反应室中外延生长，温度为1500"C，压强 为100torr，时间为IO分钟。步骤6，碳化钽掩膜层的去除将生长完的样品放入含有HF和HN03的溶剂进行湿法刻蚀，刻蚀时间为 IO分钟，除去碳化钽掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。 实施例2步骤l，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018cm'3。首先，用 熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210°C 、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后， 用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。步骤2，在衬底上生长N-外延层。在预处理后的基片上通过化学气相淀积法生长同质N"型外延层，外延层掺 杂为1.5xl015cm_3，厚度为10±0.5pm。步骤3，采用金属剥离方法制作钽阻挡层。3a,对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影，掩膜层开口方向 偏离(l 1 5 0)方向45度；3b.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作500mn的钽层，然 后浸泡在丙酮中做超声波处理，剥离金属形成阻挡层。步骤4，碳化钜形成碳化钽。4a.采用RCA标准清洗样片；4b.在10(TC下对样片进行烘干20min;4c.将覆盖有钽的SiC晶片放入充有15ml/min的(^3118的化学气相淀积反 应室中加热到120(TC碳化20分钟，将钜碳化为碳化钽。步骤5，选择性同质外延生长。将4H-SiC晶片放化学气相淀积反应室中外延生长，温度为1550°C，压强 为150torr，时间为60分钟。步骤6，碳化钽掩膜层的去除将生长完的样品放入含有HF和HN03的溶剂进行湿法刻蚀，刻蚀时间为 20分钟，除去碳化钽掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。 实施例3步骤1 ，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018cm—3。首先，用 熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为21(TC、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后， 用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。步骤2，在衬底上生长N々卜延层。在预处理后的基片上通过化学气相淀积法生长同质M型外延层，外延层掺 杂为1.5xl015cm'3，厚度为10士0.5拜。步骤3，采用金属剥离方法制作钽阻挡层。3a,对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影，掩膜层开口方向 朝向(l T OO)方向；3b.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作5000nm的钽层，然 后浸泡在丙酮中做超声波处理，剥离金属形成阻挡层。步骤4，碳化钽形成碳化钽。4a.采用RCA标准清洗样片；4b.在100。C下对样片进行烘千20min;4c.将覆盖有钽的SiC晶片放入充有20ml/min的(:31￡8的化学气相淀积反 应室中加热到130(TC碳化30分钟，将钽碳化为碳化钽。 步骤5，选择性同质外延生长。将4H-SiC晶片放化学气相淀积反应室中外延生长，温度为160(TC，压强为200torr，时间为60分钟。步骤6，碳化钽掩膜层的去除将生长完的样品放入含有HF和HN03的溶剂进行湿法刻蚀，刻蚀时间为 30分钟，除去碳化钽掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。 实施例4步骤l，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018cm-3。首先，用 熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210°C、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后， 用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。步骤2，在衬底上生长1ST外延层。在预处理后的基片上通过化学气相淀积法生长同质N'型外延层，外延层掺 杂为1.5xl015cm-3，厚度为10±0.5拜。步骤3，采用金属剥离方法制作钽阻挡层。3&对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影，掩膜层开口方向 朝向(l 1 5 O)方向；3b.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作500nm的钽层，然 后浸泡在丙酮中做超声波处理，剥离金属形成阻挡层。步骤4，碳化钽形成碳化钽。4a.采用RCA标准清洗样片；4b.在10(TC下对样片进行烘干20min;4c.将覆盖有钽的SiC晶片放入充有15ml/min的<:3118的化学气相淀积反 应室中加热到120(TC碳化20分钟，将钽碳化为碳化钽。 步骤5，选择性同质外延生长。将4H-SiC晶片放化学气相淀积反应室中外延生长，温度为155(TC，压强 为100torr，时间为60分钟。步骤6，碳化钽掩膜层的去除将生长完的样品放入含有HF和HN03的溶剂进行湿法刻蚀，刻蚀时间为 20分钟，除去碳化钽掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。本发明的方法不限于上述4种实施例，显然任何人均可在本发明的技术构 思下进行不同参数的更换，但这些均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种4H-SiC选择性同质外延生长的方法，包括如下步骤(1)对4H-SiC衬底进行钝化、清洗和去氧化层预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N-外延层；(2)在N-型外延层上淀积50-5000nm钽金属层作为掩膜层，形成条形选择性生长区域，掩膜层开口从朝向(1<overscore>1</overscore>00)方向到朝向(11<overscore>2</overscore>0)方向；(3)将覆盖有钽的4H-SiC晶片放入通有丙烷的化学气相淀积反应室中碳化，碳化的温度为1000℃-1300℃，时间为10-30分钟，将钽转化为碳化钽；(4)将进行完上述步骤后的样片放入化学气相淀积反应室进行选择性外延生长，外延生长的温度为1500℃-1600℃，时间为10-120分钟；(5)将外延生长后的样片放入溶剂中湿法刻蚀，除去碳化钽掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。
2. 根据权利要求1所述的选择性外延的生长方法，其中步骤(1)所 述的在4H-SiC衬底正面生长N'外延层，是通过气相外延生长化学气相淀 积法生长同质N"型外延层，外延层掺杂为1.5xl0"cm^，厚度为10士0.5拜。
3. 根据权利要求1所述的选择性外延的生长方法，其中步骤(5)所 述的湿法刻蚀溶剂含有HF和HN03，刻蚀时间为10-30分钟。
4. 一种4H-SiC选择性同质外延生长的方法，包括如下步骤(1) 对4H-SiC衬底进行钝化、清洗和去氧化层的预处理，并在该 4H-SiC衬底正面生长N"外延层；(2) 在N"型外延层上淀积500nm的钽金属层作为掩膜层，形成条 形选择性生长区域，掩膜层开口方向朝向(l 1 2 0);(3) 将覆盖有钽的4H-SiC晶片放入通有丙垸的化学气相淀积反应 室中碳化，碳化的温度为1200°C，时间为20分钟，将钽转化为碳化钽；(4) 将进行完上述步骤后的样片放入化学气相淀积反应室进行选择 性外延生长，温度为155(TC，压强为100torr，时间为60分钟；(5) 将外延生长后的样片放入含有HF和HN03溶剂中湿法刻蚀20 分钟，除去碳化钜掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。
全文摘要
本发明公开了一种4H-SiC选择性同质外延方法，可用于4H-SiC器件的制备和性能的改进。其具体过程是(1)对4H-SiC衬底进行预处理，在该4H-SiC衬底正面生长N^-外延层；(2)在N^-型外延层上淀积钽金属层作为掩膜层，形成选择性生长区域；(3)将覆盖有钽的晶片放入通有丙烷的CVD反应室中加热到碳化，将钽碳化为碳化钽；(4)将样品放入CVD反应室进行选择性外延生长，(5)将生长完的样品放入含有HF和HNO₃溶剂中湿法刻蚀，除去碳化钽掩膜层，完成4H-SiC选择性外延生长。本发明增加了掺杂区域的厚度，避免了对4H-SiC晶体的损伤，可用于4H-SiC选择性区域掺杂和器件的制备。
文档编号C30B25/20GK101608339SQ200910023360
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者张义门, 张玉明, 王悦湖, 贾仁需, 辉 郭 申请人:西安电子科技大学