专利名称：在低度偏轴碳化硅基片上的外延生长及利用其制造的半导体器件的制作方法
在低度偏轴碳化硅基片上的外延生长及利用其制造的半导体器件
本说明书中所使用的章节标题仅出于组织目的，不应认为其以任何方式限制本文 所述主题。技术领域
本申请主要涉及在单晶SiC基片上外延生长SiC层的方法和使用这些方法制造的 半导体器件。
背景技术：
碳化硅具有使其成为适于应用的优异的半导体材料的性质，所述应用涉及高温、 大功率、高辐射和/或高频率。有助于这些高级性能的性质为其较大的带隙、优异的物理稳 定性、高导热性、高击穿场强和高饱和电子漂移速度。由SiC制造的半导体器件能够在高于 600°C的温度工作。
SiC出现在称作多型体的许多不同的晶体结构中。SiC多型体通过堆叠双层的Si 和C原子而形成。双层的各层可以设置在由A、B和C表示的三个位置之一。堆叠顺序确定 特定的多型体。存在一种称作3C或β-SiC的立方多型体。其具有三层重复序列ABC。所 有其它多型体都被称为α _SiC，并具有六角形或菱形体结构。六角形4H-SiC多型体具有四 层重复序列ABCB。六角形6H-SiC多型体具有六层重复序列ABCACB。对于α -SiC多型体 而言，(0001)面称作基面，并且该面垂直于晶体c轴方向。
SiC的外延生长可见于以下参考文献美国专利第7，247, 513号和参考文献[8] 和[10]。α-SiC的均相外延生长已经在基片的偏轴表面(S卩，与基片的基面呈一定角度的 表面)上进行过。例如，美国专利第4，912，064号、第5，011，549号和第5，248，385号公开 了 SiC膜以非零度偏轴角在6H-SiC基片上的均相生长。公开了以非零度偏轴角在基片表 面上外延生长SiC的其它参考文献包括参考文献[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[9] 和[11]。但是，由于需要将单晶晶锭(boule)偏轴于晶体生长方向(即c方向)切片，因此 偏轴基片的使用导致浪费。随着晶片直径的增加，这可导致昂贵的单晶晶锭的大量浪费。
因此，仍然存在对于在基片上外延生长SiC层的改进方法的需求，所述改进方法 应具备成本效益并且可产生具有低缺陷密度的SiC层。发明内容
提供了一种方法，所述方法包括
在隔室中将单晶SiC基片加热至第一温度；
向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和
于第一温度在SiC基片的表面上外延生长SiC层；
其中第一温度为至少1400°C，其中SiC基片以至少30°C /分钟的速率加热至第一 温度，并且其中SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈Γ 3°的角度倾斜。
还提供了一种方法，所述方法包括
在隔室中将单晶SiC基片加热至至少为1400°C的第一温度；
向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和
在所述SiC基片的表面上外延生长SiC层；
其中SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1° 3°的角度倾斜；
其中所述载气、含硅气体和含碳气体各自在外延生长过程中以恒定流速引入所述 隔室中；并且
其中所述气体各自的恒定流速在将任何所述气体引入所述隔室中的10分钟内确立。
所述方法还可以包括在SiC基片上生长的SiC层上外延生长一层或多层另外的 SiC 层。
还提供了可通过上述方法制得的半导体器件。
本教导的这些和其它特征如本说明书中所述。
本领域技术人员将会理解，以下所述的附图仅出于说明目的。附图并不意在以任 何方式限制本教导的范围。
图IA IF是与基面偏轴2 °切割的SiC基片的交叉极化图(cross polar image)。
图2A 2D是在与基面偏轴2°切割的SiC基片上于不同工艺条件下外延生长的 SiC层的光学显微镜图。
具体实施方式
出于解释本说明书的目的，除非另有说明或使用“和/或”明显不合适，否则此处 使用的“或”指“和/或”。除非另有说明或使用“一种以上”明显不合适，否则此处使用的 “一种”指“一种或多种”。“包括”和“包含”的使用是可互换的，并且并非意在限制。此外， 当一个或多个实施方式的描述使用术语“包括”时，本领域技术人员将会理解，在某些具体 实例中，作为另外一种选择，所述实施方式可以使用短语“主要由……构成”和/或“由…… 构成”来描述。还应理解，在某些实施方式中，步骤的顺序或执行某些行为的顺序并不重要， 只要本教导保持可行即可。此外，在某些实施方式中，两个以上的步骤或行为可以同时进 行。
提供了一种方法，所述方法包括在隔室中将单晶SiC基片加热至至少1400°C的 温度(例如1570°C 1575°C )，向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和在所述 SiC基片的表面上外延生长SiC层。SiC基片以至少30°C/分钟的速率被加热至至少1400°C 的温度。SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1° 3°的角度倾斜。
根据一些实施方式，载气、含硅气体和含碳气体各自在外延生长过程中以基本恒 定的流速(例如，以变化不超过+/-5%的流速)引入所述隔室中，并且这些气体各自的基本 恒定的流速在将所述载气、含硅气体或含碳气体中的任何气体引入所述隔室中的10分钟 内(例如，6分钟内)确立。
根据一些实施方式，载气可以是H2，含硅气体可以是SiH4,含碳气体可以是邸8。
可以选择在外延生长过程中气体进入所述隔室中的流速，以产生所需的特性。根 据一些实施方式，H2气体可以以50slm 75slm的流速引入所述隔室，SiH4气体可以以 30sccm 40sccm的流速引入所述隔室，C3H8可以以15sccm 20sccm的流速引入所述隔 室。根据一些实施方式，含硅气体和含碳气体可以被引入所述隔室中以使在外延生长过程 中所述隔室中的碳与硅的原子比为1. 4 1. 6。
根据一些实施方式，在外延生长过程中也可以引入HCl气体。
根据一些实施方式，在外延生长过程中所述隔室中的压力可以为90毫巴 110毫 巴。
根据一些实施方式，SiC基片的表面可以以相对于基片材料的(0001)面(即，基 面)呈1° 3°的角度倾斜。例如，SiC基片的表面可以以相对于基片材料的(0001)面 呈1° 3°的角度向[11沙]方向之一倾斜。
根据一些实施方式，基片可以是4H SiC基片。
根据一些实施方式，基片和外延生长层的总缺陷数可以< 40cm_2。根据一些实施 方式，在光学表面光度仪中测量的外延生长层的平均表面粗糙度可以是15埃以下。
根据一些实施方式，所述方法可以包括在基片上外延生长的SiC层上外延生长一 个以上另外的SiC层。
还提供了通过上述方法制得的半导体器件。
实验
使用10个与基面偏轴约2°切割的3英寸、350μπι的4H SiC基片，该基片具有 epi ready (开盒即用)制备的Si面。在这些基片上进行外延生长。
这些实验中使用的基片具有以下性质。
晶片MPD (cm"2)电阻系数Rho (Ohm* cm)翘曲度Bow (μηι)弯曲度Warp (μιη)TTV (μηι)181.49 χ IO"2-28.252281.48 χ 10々-29.092391.48 χ 10"ζ-19.451491.48 χ IO"2-28.823591.47 χ IO"2-28.043691.46 χ IO"2-29.123
利用Nomarski相衬技术在光学显微镜下检查基片，下表中提供了结果汇总。
权利要求
1.一种方法，所述方法包括在隔室中将单晶SiC基片加热至至少为1400°C的第一温度；向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和在所述SiC基片的表面上外延生长SiC层；其中所述SiC基片以至少30°C /分钟的速率被加热至所述第一温度；并且其中所述SiC基片的所述表面以相对于所述基片材料的基面呈Γ 3°的角度倾斜。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度为1570°C 1575°C。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述载气为H2，所述含硅气体为SiH4，并且其中所 述含碳气体为c3H8。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述H2气体以50slm 75slm的流速引入所述隔 室，所述SiH4气体以30SCCm 40SCCm的流速引入所述隔室，并且所述C3H8以15Sccm 20sccm的流速引入所述隔室。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在外延生长过程中将HCl气体引入所述隔室中。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在外延生长过程中所述隔室中的压力为90毫巴 110毫巴。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述SiC基片的所述表面以相对于所述基片材料的 (0001)面呈1° 3°的角度倾斜。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片为4HSiC基片。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述SiC基片的所述表面以相对于所述基片材料的 (0001)面呈1° 3°的角度向[1这0]方向之一倾斜。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述含硅气体和所述含碳气体被引入所述隔室 中，使得在外延生长过程中所述隔室中的碳与硅的原子比为1.4 1.6。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片和外延生长层的总缺陷数<40cm_2。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述外延生长层的平均表面粗糙度以光学表面光 度仪测量为15埃以下。
13.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述SiC基片上外延生长的所述SiC 层上外延生长一层或多层另外的SiC层。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述载气、所述含硅气体和所述含碳气体各自在 外延生长过程中以恒定流速引入所述隔室中，并且其中所述气体各自的恒定流速在将任何 所述气体引入所述隔室中的10分钟内确立。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述恒定流速在外延生长过程中的变化不超过5%。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述气体各自的恒定流速在将任何所述气体引 入所述隔室中的6分钟内确立。
17.一种半导体器件，所述半导体器件由权利要求1所述的方法制得。
18.一种半导体器件，所述半导体器件由权利要求13所述的方法制得。
19.一种方法，所述方法包括在隔室中将单晶SiC基片加热至至少为1400°C的第一温度；向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和 在所述SiC基片的表面上外延生长SiC层；其中所述SiC基片的所述表面以相对于所述基片材料的基面呈1° 3°的角度倾斜；其中所述载气、含硅气体和含碳气体各自在外延生长过程中以恒定流速引入所述隔室 中；并且其中所述气体各自的恒定流速在将任何所述气体引入所述隔室中的10分钟内确立。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述恒定流速在外延生长过程中的变化不超过5%。
全文摘要
本发明描述了一种在单晶SiC基片上外延生长SiC层的方法。该方法包括在隔室中将单晶SiC基片加热至至少1400℃的第一温度，向该隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和在SiC基片的表面上外延生长SiC层。SiC基片以至少30℃/分钟的速率被加热至第一温度。SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1°～3°的角度倾斜。
文档编号C30B29/36GK102037164SQ200980118597
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月26日
发明者张洁 申请人:半南实验室公司