专利名称：提高4H-SiC基面位错转化率的外延方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的制作，具体地说是使碳化硅晶体 中缺陷最小化的一种改进的外延方法，可用于半导体器件的材料制作。
背景技术：
碳化硅SiC由于其禁带宽度大、击穿电场高、热稳定性好、电子迁移率高和电子饱 和漂移速度大等特性而成为制作各种耐高温的高频大功率器件的极具潜力的半导体材料， 应用于硅器件难以胜任的场合。随着SiC外延生长技术的发展，晶片微管缺陷下降到1/cm2， 这成为SiC高频功率器件发展的最大契机。目前，SiC外延生长技术的主要问题是外延层中 高密度的缺陷。主要包括螺旋位错、刃型位错和基面位错等，其密度分别为104，104 105， IO4 105/cm2。其中基面位错对双极功率器件的影响较为严重。如PiN 二极管在正向导通 模式下长期工作会导致正向电压降漂移，从而严重影响了器件的稳定性。而正向电压降漂 移来自于衬底上的基面位错从SiC衬底向外延层的延伸。当器件工作于双极导通模式时， 基面位错为堆垛层错的生长提供了成核位，基面位错转变为堆垛层错。在阻挡层中进一步 扩展的堆垛层错将俘获载流子并显著的增加器件的电阻，导致器件正向电压漂移。因此，基 面位错成了严重影响器件可靠性的重要因素。为了进一步提高器件的可靠性，就必须降低 或消除基面位错。目前降低外延层中的基面位错密度的方法主要采用刻蚀法根据位错延伸和转化 的机理，利用刻蚀的方法可以使基面位错转化成刃型位错。该方法是先对衬底进行非选 择性刻蚀；再利用KOH熔液对衬底表面进行选择性刻蚀，刻蚀坑侧面结构如图2所示；接着 生长外延层，并对生长表面进行抛光；然后依次进行二次非选择性刻蚀、二次选择性刻蚀和 二次生长。虽然这种方法能够实现基面位错向刃型位错的转化，但是这种方法存在以下不 足(1)由于在刻蚀坑内有横向生长和阶梯流生长两种生长方式，当横向生长占优时， 基面位错的转化率就会提高，使得基面位错密度降低，从而提高器件的可靠性；而当阶梯流 方向生长占优时，就会使基面位错的转化率降低，使得产生于衬底的基面位错继续延伸到 外延层中，降低器件的可靠性；(2)由于微观的生长机理尚不清楚，刻蚀坑内的任何一种生长方式在工艺上目前 还不容易控制；(3)由于在二次刻蚀前需要进行抛光，故会引入更多的其他缺陷。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种在工艺上易于控制的提高 4H-SiC基面位错转化率的方法，以阻止基面位错继续延伸和其他缺陷的产生，提高PiN 二 极管的可靠性。实现本发明的目的技术关键是对外延生长工艺进行改进，优化生长参数，在刻蚀的基础上通过提高温度，通入丙烷，在刻蚀坑内生长出富碳的薄膜结构，使薄膜在后续的外 延生长中阻止刻蚀坑内阶梯流的生长，从而进一步提高基面位错的转化率。其具体实现步 骤包括如下(1)用K0H对4H_SiC衬底进行刻蚀，刻蚀温度为480°C 520°C，刻蚀时间为10 20min ；(2)对刻蚀后的4H_SiC衬底进行表面清洁处理；(3)将表面清洁处理后的4H-SiC样品放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到 10_7Pa，升高炉内温度至1400 1500°C，同时通入流量为20 501/min的氢气，保持5min ； 再通入流量为8 15ml/min丙烷，升温至1580 1600°C，在压力为80 lOOmbar下保持 30 50分钟；(4)在保持压力不变的条件下降温至1550士5°C时，通入硅烷进行外延生长。本发明具有如下优点1.由于本发明在通入氢气和外延生长之间通入了流量为8 15ml/min的丙烷，并 在温度为1580 1600°C，压力为80 lOOmbar下保持30 50分钟，阻止了刻蚀坑内阶梯 流的生长方式，使横向生长成为优先生长的方式，从而提高了基面位错的转化率。2.由于本发明是在一次刻蚀后进行的生长外延，避免了二次刻蚀以及二次抛光等 工艺，因此简化了工艺，缩短了器件材料的制备周期。
图1是本发明的4H_SiC基面位错转化率的外延工艺流程2是现有刻蚀坑示意图。
具体实施例方式本发明采用的4H_SiC衬底来自SiCrstal公司，主要参数如下掺杂类型为n型， 掺杂浓度3\1018/0113，样品直径5.08011，偏离主轴角度8°，厚度(380士30)iim。参照图1，本发明利用所述4H_SiC衬底，给出提高其基面位错转化率的外延方法 的以下三个实施例。实施例1，实现步骤如下步骤一，用K0H对衬底进行刻蚀，刻蚀温度为480°C，刻蚀时间为20min，刻蚀后的 结构如图2所示。步骤二，用乙醇清洗刻蚀后的衬底表面进行第一次清洗，以去除有机物；用HF对 刻蚀后的衬底表面进行第二次清洗，以去除离子型和原子型杂质；用高纯水进行第三次表 面清洗，以保证衬底表面洁净，最后将表面水分烘干。步骤三，将清洗后的4H_SiC衬底放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到 10_7Pa，升高炉内温度，同时通入流量为201/min的氢气，升温至1400°C，保持5min，再通入 流量为8ml/min丙烷，升温至1580°C，在压力为80mbar下保持50分钟。步骤四，保持压力不变降温至4H_SiC生长温度1545°C时，通入硅烷进行外延生长。实施例2，实现步骤如下
步骤一，用K0H对衬底进行刻蚀，刻蚀温度为520°C，刻蚀时间为lOmin。步骤二，用乙醇清洗刻蚀后的衬底表面进行第一次清洗，以去除有机物；用HF对 刻蚀后的衬底表面进行第二次清洗，以去除离子型和原子型杂质；用高纯水进行第三次表 面清洗，以保证衬底表面洁净，最后将表面水分烘干。步骤三，将清洗后的4H_SiC衬底放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到 10_7Pa，升高炉内温度，同时通入流量为501/min的氢气，升温至1500°C，保持5min，再通入 流量为15ml/min丙烷，升温至1600°C，在压力为lOOmbar下保持30分钟。步骤四，保持压力不变，使4H_SiC衬底降温至生长温度1555°C时，通入硅烷进行 外延生长。实施例3，实现步骤如下步骤一，用K0H对衬底进行刻蚀，刻蚀温度为490°C，刻蚀时间为15min。步骤二，用乙醇清洗刻蚀后的衬底表面进行第一次清洗，以去除有机物；用HF对 刻蚀后的衬底表面进行第二次清洗，以去除离子型和原子型杂质；用高纯水进行第三次表 面清洗，以保证衬底表面洁净，最后将表面水分烘干。步骤三，将清洗后的4H_SiC衬底放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到 10_7Pa，升高炉内温度，同时通入流量为301/min的氢气，升温至1450°C，保持5min，再通入 流量为lOml/min丙烷，升温至1590°C，在压力为90mbar下保持45分钟。步骤四，保持压力不变，使4H_SiC衬底降温至生长温度1550°C时，通入硅烷进行 外延生长。
权利要求
一种提高4H-SiC基面位错转化率的外延方法，包括如下步骤(1)用KOH对4H-SiC衬底进行刻蚀，刻蚀温度为480℃～520℃，刻蚀时间为10～20min；(2)对刻蚀后的4H-SiC衬底进行表面清洁处理；(3)将表面清洁处理后的4H-SiC样品放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到10-7Pa，升高炉内温度至1400～1500℃，，同时通入流量为20～50l/min的氢气，保持5min，再通入流量为8～15ml/min丙烷，升温至1580～1600℃，在压力为80～100mbar下保持30～50分钟；(4)在保持压力不变的条件下降温至1550±5℃时，通入硅烷进行外延生长。
2.一种提高4H-SiC基面位错转化率的外延方法，包括如下步骤1)对衬底进行KOH刻蚀，刻蚀温度为500°C，刻蚀时间为15min；2)对刻蚀后的4H-SiC衬底进行表面清洁处理；3)将表面清洁处理后的4H-SiC样品放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到 IO-7Pa,升高炉内温度至1450°C，同时通入流量为301/min的氢气，保持5min，再通入流量为 10ml/min丙烷，升温至1580°C，在压力为90mbar下保持45分钟；4)在保持压力不变的条件下降温至1550°C时，通入硅烷进行外延生长。
全文摘要
本发明公开了一种提高4H-SiC基面位错转化率的外延方法。主要解决利用刻蚀的方法使基面位错转化成刃型位错时转化率不高的问题。其方法是(1)用KOH对4H-SiC衬底进行刻蚀，刻蚀温度为480℃～520℃，刻蚀时间为10～20min；(2)对刻蚀后的4H-SiC衬底进行表面清洁处理；(3)将表面清洁处理后的4H-SiC样品放置在CVD炉腔中，抽真空使炉内压强达到10-7Pa，升高炉内温度至1400～1500℃，同时通入流量为20～50l/min的氢气，保持5min，再通入流量为8～15ml/min丙烷，升温至1580～1600℃，在压力为80～100mbar下保持30～50分钟；(4)在保持压力不变的条件下降温至1550±5℃时，通入硅烷进行外延生长。本发明可应用于4H-SiC同质外延材料的制作。
文档编号H01L21/205GK101877309SQ20091021865
公开日2010年11月3日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者张义门, 张玉明, 汤晓艳, 苗瑞霞 申请人:西安电子科技大学