本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性的方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的不断发展，以硅(si)材料为基础的传统电力电子器件的物理局限性日益显现，严重制约了器件的工作电压(<8kv)、工作电流、工作频率、工作温度(<175℃)、耗散功率和抗辐射等性能的提高。
当前，碳化硅(sic)材料被国际上公认是下一代的电力电子器件材料。sic电力电子器件拥有超高电压(高达4万伏)、超大电流(高达数千安培)、超高结温(500℃以上)和高可靠性等独特性能潜力，是大容量应用中电力电子装置的核心元件。作为一种双极型全控开关器件，绝缘栅场效应晶体管(igbt)是高压大容量电力电子器件的主导结构。igbt器件不同于肖特基二极管器件，其外延结构中含有高质量的p型外延层，获得低缺陷密度、高均匀性的p型sic外延层是sicigbt研制的基础。
近些年来，n型sic外延技术取得了很大的进展，无论是缺陷抑制还是均匀性调控技术都取得了突破，但p型sic外延技术则远不如n型sic外延技术成熟。在专利“一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法(zl201310615586.8)”中提出了通过在气浮气体中添加工艺气体，在不改变外延关键工艺参数的前提下，达到提高外延片片内n型掺杂浓度均匀性的目的。通过在气浮气体中添加工艺气体的调节外延片边缘掺杂的机理对于提高p型掺杂片内均匀性同样适用，但是p型掺杂和n型掺杂的控制规律完全不一样，该专利中提出的方法并不适用于p型sic外延。
铝是碳化硅的有效p型掺杂剂，在碳化硅中占据硅晶位，因此存在al杂质原子与si原子的竞争机制，p型掺杂效率和碳硅比(c/si比)成正比，通过调整工艺气体中的c/si比可以改变p型掺杂的效率。当外延片边缘和中心p型掺杂浓度差异不大的时候，通过在气体气浮中加入硅源或者碳源，局部调节外延片边缘的c/si比，达到由于优化片内均匀性的目的。当外延片边缘和中心p型掺杂浓度差异较大的情况下，如果进一步调节边缘的c/si比，将会导致边缘c/si比偏离工艺窗口，导致外延缺陷数量增加。此时需要通过其他的方式调节边缘的掺杂效率。氯化氢也可以大幅降低al进入晶格的几率，降低p型掺杂效率。通过在气浮中加入氯化氢可以降低外延片边缘的p型掺杂效率。而直接在气浮气体中加入三甲基铝可以直接提升外延片边缘的p型掺杂浓度。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性的方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性的方法，包括步骤：
(1)将硅面碳化硅衬底置于碳化硅外延系统反应室内的石墨基座上；
(2)采用氩气对反应室气体进行多次置换，向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60～120l/min，设置反应室压力为80～200mbar，将反应室逐渐升温至生长温度1550～1700℃，达到生长温度后维持反应室温度5～15分钟，对衬底进行纯氢气刻蚀；
(3)向反应室通入小流量硅源和碳源，控制硅源和氢气的流量比小于0.03％，并通入p型掺杂源三甲基铝，生长厚度为0.5-5μm，掺杂浓度为1～5e18cm-3的高掺缓冲层；
(4)采用线性缓变的方式将硅源、碳源和p型掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，并根据该工艺条件下典型外延片掺杂浓度沿衬底直径方向的分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型；
(5)完成外延结构生长后，关闭生长源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排出后，通过氩气对反应室内的气体进行多次置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
所述步骤(4)中，当外延片p型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布时，且边缘掺杂浓度不超过中心点掺杂浓度20％时，在气浮气体中加入硅源，气浮气体中添加的硅源流量不超过工艺用硅源流量的15％。
所述步骤(4)中，当外延片p型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布时，且边缘掺杂浓度超过中心点掺杂浓度20％时，在气浮气体中加入硅源以及氯化氢，气浮气体中添加的硅源流量不超过工艺用硅源流量的15％，氯化氢流量不超过反应室氢气流量0.05％。
所述步骤(4)中，当外延片p型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥状分布时，且边缘掺杂浓度超过中心点掺杂浓度20％时，气浮气体中加入碳源，气浮气体中添加的碳源流量不超过工艺用碳源流量的15％。
所述步骤(4)中，当外延片p型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥状分布时，且边缘掺杂浓度超过中心点掺杂浓度20％时，气浮气体中加入碳源及三甲基铝，气浮气体中添加的碳源流量不超过工艺用碳源流量的15％，三甲基铝实际流量不超过反应室氢气流量0.02％。
所述步骤(1)中，选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底。
所述步骤(4)中，所述硅源为硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅；所述碳源为甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。
有益效果：与通常的外延技术相比，本发明通过在气浮气体中加入少量的工艺气体，在不改变关键工艺参数的条件下，来实现外延片掺杂浓度均匀性的优化，从而加大了关键工艺参数的选择窗口，以实现更加优秀的背景浓度、表面形貌、缺陷密度等关键指标。
附图说明
图1是在基座气浮气体中加入辅助气体微调衬底边缘气体分布的示意图；
图2是在气浮气体中加入3.5ml/min丙烷后，在气浮气体中添加不同流量三甲基铝，外延片掺杂浓度沿径向分布的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
为了在不改变外延关键工艺参数的前提下，提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性，降低碳化硅外延片中心点和边缘点的掺杂浓度偏差，本发明提出一种提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性的方法。
本发明的提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性的方法，包括步骤：
(1)选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于sic外延系统反应室内的石墨基座上；
(2)采用氩气对反应室气体进行多次置换，向反应室通入氢气(h2)，逐渐加大氢气流量至60～120l/min，选用氢气作为气浮气体推动石墨基座旋转，设置反应室压力为80～200mbar，将反应室逐渐升温至生长温度1550～1700℃，达到生长温度后维持反应室温度5～15分钟，对衬底进行纯氢气h2刻蚀；
(3)向反应室通入小流量硅源和碳源，控制硅源和氢气的流量比(si/h2比)小于0.03％，并通入p型掺杂源三甲基铝(tma)，生长厚度0.5-5μm，掺杂浓度1～5e18cm-3的高掺缓冲层；
(4)采用线性缓变的方式将硅源、碳源和p型掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根并根据该工艺条件下典型外延片掺杂浓度沿衬底直径方向的分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型，如图1所示，具体选择方法如下：
(4.1)当工艺条件下，外延片p型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布时，且边缘掺杂浓度不超过中心点掺杂浓度20％的情况下，在气浮气体中加入硅源，气浮气体中添加的硅源流量不超过工艺用硅源流量的15％；
(4.2)当工艺条件下，外延片p型掺杂浓度两边高，中间低，呈碗状分布时，且边缘掺杂浓度超过中心点掺杂浓度20％的情况下，在气浮气体中加入硅源以及氯化氢，气浮气体中添加的硅源流量不超过工艺用硅源流量的15％，氯化氢流量不超过反应室氢气流量0.05％；
(4.3)当工艺条件下，外延片p型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥状分布时，且边缘掺杂浓度超过中心点掺杂浓度20％的情况下，气浮气体中加入碳源，气浮气体中添加的碳源流量不超过工艺用碳源流量的15％；
(4.4)当工艺条件下，外延片p型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥状分布时，且边缘掺杂浓度超过中心点掺杂浓度20％的情况下，气浮气体中加入碳源以及三甲基铝，气浮气体中添加的碳源流量不超过工艺用碳源流量的15％，三甲基铝实际流量不超过反应室氢气流量0.01％。
气浮气体中加入的辅助气体的流量根据关键工艺条件设定，实际数值需要通过多次实验对比决定，以实现平坦的掺杂浓度径向分布为选择标准。外延生长时间根据实际的外延速率及所需外延层厚度设定。
(5)在完成外延结构生长之后，关闭生长源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排外后，通过氩气对反应室内的气体进行多次置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
下面通过一具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的在sic化学气相沉积外延系统中提高碳化硅外延片片内p型掺杂浓度均匀性的方法包括以下步骤：
1、选取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于sic外延系统反应室内的石墨基座上；
2、采用氩气对反应室气体进行多次置换，向反应室通入氢气(h2)，逐渐加大氢气流量至100l/min，选用氢气作为气浮气体推动石墨基座旋转，氢气流量1000ml/min，设置反应室压力为100mbar，将反应室逐渐升温至生长温度1650℃，达到生长温度后维持反应室温度5分钟，对衬底进行纯氢气h2刻蚀；
3、向反应室通入硅烷和丙烷，流量分别是20ml/min和10ml/min，并通入掺杂源三甲基铝，流量20ml/min，时间设定为12分钟，生长厚度1μm，掺杂浓度3e18cm-3的p型高掺缓冲层；
4、设定三甲基铝流量至10ml/min，采用线性缓变的方式在30秒内将硅烷和丙烷的流量提升至50ml/min和25ml/min，在气浮气体中加入丙烷以及三甲基铝流量分别设定为3.5ml/min和3ml/min，时间设定为30分钟,生长12微米的p型掺杂外延层；
5、在完成外延结构生长之后，关闭生长源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降温至室温，反应室温度达到室温后将氢气排外后，通过氩气对反应室内的气体进行多次置换，最终用氩气将反应室压力充气至大气压后，开腔取片。
上述步骤4中气浮气体中丙烷以及三甲基铝流量分别设定为3.5ml/min和3ml/min的原因为：在硅烷流量50ml/min、丙烷流量25ml/min、生长温度1650℃、反应室压力100mbar、氢气气浮流量1000ml/min的典型工艺条件下，外延片p型掺杂浓度两边低，中间高，呈拱桥分布，边缘和中心点的p型掺杂浓度偏差大于20％。根据本发明提出的方法，由于工艺采用的丙烷为25ml/min，气浮气体中添加的丙烷流量不应该大于3.75ml/min，本实施例中选择在气浮气体中加入3.5ml/min丙烷。之后通过在气浮气体中加入三甲基铝进行调节。图2是在气浮气体中加入3.5ml/min丙烷后，在气浮气体中添加不同流量三甲基铝，外延片掺杂浓度沿径向分布的对比图。可以看出该工艺条件下，选用3ml/min的三甲基铝流量可以实现较为平坦的p型掺杂浓度。
通过在气浮气体中加入少量的工艺气体，在不改变关键工艺参数的条件下，可以有效优化外延片的片内掺杂浓度均匀性。从而加大了关键工艺参数的窗口，以实现更加优秀的背景浓度、表面形貌、缺陷密度等关键指标。