低压制备碳化硅薄膜外延的方法与流程

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种低压制备碳化硅薄膜外延的方法。

背景技术：

碳化硅具有宽带隙、高导热率、高击穿强度、高电子饱和漂移速度、高的硬度等优点，也有着很强的化学稳定性。这些优良的物理和电学性能使碳化硅在应用上具有很多优势。禁带宽使得碳化硅本征载流子在高温下仍能保持较低的浓度，因而能工作在很高的温度下。高击穿场强使碳化硅可以承受高电场强度，这使得碳化硅可以用于制作高压，高功率的半导体器件。高热导率使碳化硅具有良好的散热性，有助于提高器件的功率密度和集成度、减少附属冷却设施，从而使系统的体积和重量大大地降低、效率则大大地提高，这对于开发空间领域的电子器件极具优势。碳化硅的饱和电子迁移速度很高，这一特性也使它可以用于射频或者微波器件，从而提高器件工作速度。制备高压sic电力电子器件需要厚的sic外延层，当采用基于sih4-c3h8-h2生长系统进行碳化硅外延材料生长时，由于常规工艺条件下生长速率较慢(5μm/h)，因此厚膜外延材料(＞100μm)的生长需要较长的生长时间(>20h)，增加了制备成本。提高源气体(c3h8、sih4)流量可以将sic外延层的生长速率提高到10μm/h以上，出现的主要问题是气相中同种组分的成核现象，即si滴的出现。si滴会沉积在衬底上，导致外延表面形貌的退化和材料质量的降低。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种低压制备碳化硅薄膜外延的方法。

具体地，本发明实施例提出的一种低压制备碳化硅薄膜外延的方法，包括：

将碳化硅衬底放置到碳化硅cvd设备的反应室中，并将反应室抽成真空；

向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流，在第一氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温；

在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀；

将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后，向反应室通入c3h8、sih4，在碳化硅衬底上生长外延层；

在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底；

在第四恒压下、在第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底；

在第三恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底，得到碳化硅外延片。

在本发明的一个实施例中，将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后，向反应室通入c3h8、sih4，在碳化硅衬底上生长外延层的步骤包括：

将反应室加热至第二恒温后保持恒定；

将反应室气压调节至第二恒压后保持恒定；

向反应室通入具有第四恒定流量的c3h8气流和具有第五恒定流量的sih4气流，使c3h8气流和c3h8气流与第一氢气流混合进入反应室，在碳化硅衬底上生长外延层。

在本发明的一个实施例中，第二恒压的范围为40mbar～80mbar。

在本发明的一个实施例中，第二恒压为40mbar。

在本发明的一个实施例中，第二恒压为60mbar。

本发明提供的低压制备碳化硅薄膜外延的方法，采用现有的sih4-c3h8-h2生长系统，无需对设备进行改造，通过改进生产工艺流程便可实现高质量碳化硅薄膜外延的生长。采用较低的生长压强，避免了si滴的沉积，生长出的外延层的非故意掺杂浓度低，降低了外延层的表面缺陷密度，提高了外延层的质量。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的低压制备碳化硅薄膜外延的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于三色工字形led芯片的虚拟led显示模组的结构示意图。

101、将碳化硅衬底放置到碳化硅cvd设备的反应室中，并将反应室抽成真空。cvd表示化学气相沉积(chemicalvapordeposition)。该步骤具体包括：

101a、选择碳化硅衬底；

在本发明的一个实施例中，选取偏向[1120]晶向4°的4h碳化硅衬底；

在本发明的另一个实施例中，选取偏向[1120]晶向8°的4h碳化硅衬底；

101b、将反应室抽成真空，具体为使反应室气压低于1×10^-7mbar。

102、向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流，在第一氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温。具体包括：

102a、向反应室中持续通入第一氢气流，并控制和一氢气流流量，使其逐渐增大到第一恒定流量值后保持恒定。第一恒定流量的范围为60l/min～65l/min。

在本发明的一个实施例中，第一恒定流量优选方案采用60l/min。

在本发明的另一个实施例中，第一恒定流量优选方案采用64l/min。

102b、在通入氢气流过程中，同时利用真空泵以恒定流量抽取反应室中部分气体，使反应室气压保持在第一恒压，如此在反应室中形成恒定氢气流量及恒定气压。

在本发明的一个实施例中，第一恒压为100mbar。

102c、在以上步骤形成的恒定状态下对反应室进行加热。加热时，逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高，直到温度达到第一恒温。

在本发明的一个实施例中，对反应室进行加热的加热源采用高频线圈感应加热器rf，使反应室温度达到的第一恒温为1400℃。

103、在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀。

在本发明的一个实施例中，对碳化硅衬底进行原位刻蚀的时长为10min。

104、将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后，向反应室通入c3h8、sih4，在碳化硅衬底上生长外延层。具体包括：

104a、将反应室加热至第二恒温后保持恒定；

在本发明的一个实施例中，采用高频线圈感应加热器rf对反应室进行加热，第二恒温的范围为1580℃～1600℃，优选方案采用1580℃。

104b、将反应室气压调节至第二恒压后保持恒定。第二恒压的范围在40mbar～80mbar。

在本发明的一个实施例中，第二恒压为40mbar。

在本发明的另一个实施例中，第二恒压为60mbar。

104c、向反应室通入具有第四恒定流量的c3h8气流和具有第五恒定流量的sih4气流，使其与第一氢气流混合进入反应室，在碳化硅衬底上生长外延层。外延层生长时长到达后，停止通入c3h8气流和sih4气流，外延层生长结束。其中，第四恒定流量和第五恒定流量的大小，以及外延层的生长时长均根据生长需要进行设置。

在本发明的一个实施例中，第四恒定流量为33.3ml/min；第五恒定流量为100ml/min。外延层的生长时长为2h。

本发明实施例中，采用了较低的生长压强即第二恒压在100mbar以下，随着生长压强的降低，外延层生长表面过饱和度降低。同时，吸附si原子表面迁移增强、表面扩散长度变大，吸附si原子更易于到达台阶处并与台阶处原子成键，从而并入碳化硅衬底中。因此，生长表面过饱和度的降低及吸附si原子表面迁移的增强抑制了表面自发的2d成核，使起源于表面2d成核的三角形缺陷密度降低。可见采用低压生长的方式生长出的外延层避免了si滴的沉积，非故意掺杂浓度低，降低了外延层的表面缺陷密度。

105、在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底。

在本发明的一个实施例中，设置第二恒定流量为20l/min；调节反应室气压到第三恒压为100mbar；长有外延层的碳化硅衬底的冷却时长为25min。

106、在第四恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底。

在本发明的一个实施例中，将反应室气压升高至第四恒压为700mbar。

107、在第三恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底，得到碳化硅外延片。具体包括：

107a、降低反应室温度到第三恒温时，停止通入第二氢气流；

在本发明的一个实施例中，第三恒温为700℃。

107b、将反应室内抽真空，直到气压低于1×10^-7mbar；

107c、向反应室通入具有第三恒定流量的氩气流，将长有外延层的碳化硅衬底在氩气环境下继续冷却。

在本发明的一个实施例中，第三恒定流量为12l/min；碳化硅衬底在氩气流中的冷却时长为30min。

107d、缓慢升高反应室内气压到常压，将长有外延层的碳化硅衬底自然冷却至室温，得到碳化硅外延片。

108、从反应室中取出碳化硅外延片。

承上述，本发明提供的低压制备碳化硅薄膜外延的方法，采用现有的sih4-c3h8-h2生长系统，无需对设备进行改造，通过改进生产工艺流程便可实现高质量碳化硅薄膜外延的生长。采用较低的生长压强，避免了si滴的沉积，生长出的外延层的非故意掺杂浓度低，降低了外延层的表面缺陷密度，提高了外延层的质量。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明低压制备碳化硅薄膜外延的方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。