一种减少碳化硅外延薄膜中缺陷的方法
【专利摘要】本发明是一种减少碳化硅外延薄膜中缺陷的方法，是在水平热壁式化学气相沉积（CVD）设备中进行，包括1）衬底准备：选取偏向<11-20>方向4°的0001硅面碳化硅衬底；2）生长前烘烤：准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热反应室；3）原位刻蚀：使用改良的氢气H2原位刻蚀技术对衬底进行生长前表面预处理；4）外延生长：当温度升温至外延生长温度时开始生长碳化硅薄膜。优点：采用本方法可以有效减少基于偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延薄膜中存在的缺陷，提高了外延薄膜的质量。本发明方法简单易行，外延工艺重复性和一致性好，外延薄膜质量高，适合规模生产。
【专利说明】一种减少碳化硅外延薄膜中缺陷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种减少基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底的同质外延薄膜中缺陷的方法。属于半导体材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近些年，碳化硅(SiC)外延材料和器件正在稳步而快速增长，在某些领域其正在逐步替代传统的硅和砷化镓材料。相对于硅和砷化镓来说，碳化硅具有更好的材料特性。例如4H-SiC，其具有大约4X 106V/cm的击穿场强，大约2X 107cm/s的电子漂移速度和大约
4.9ff/cm ? K的热导率，同时具有高化学稳定性和抗辐射性能。这些优异的材料特性表明碳化硅特别适合于高功率、高温和高频应用。
[0003]大多数器件制备均在外延薄膜上实现，因此，碳化硅器件制的性能很大程度上取决于碳化硅外延薄膜的质量。为了得到制备碳化硅器件所需的高质量外延薄膜，外延生长一般通常是在具有一定偏角的碳化硅衬底上进行的，这样可以很好地实现台阶控制外延生长，得到更高质量的碳化硅外延薄膜。尽管如此，碳化硅薄膜中仍不可避免地存在着各种类型的缺陷，这些缺陷将制约在该薄膜上制作的器件性能。因此，大量的研究集中在如何减少碳化硅薄膜中的缺陷。
[0004]目前，人们为了节约材料降低成本和减少外延薄膜中的基平面位错(Bros)，主要使用的是偏向〈11-20〉方向4°的碳化娃衬底进行外延。而由于在碳面碳化娃衬底上外延非常难以实现低的背景参杂浓度，外延碳化硅薄膜一般使用硅面碳化硅衬底。因此，外延碳化硅薄膜一般在偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上进行。然而，生长在4°偏角衬底上的外延薄膜中存在大量台阶状形貌、三角形缺陷等缺陷，不利于后期器件制作。尽管已有一些关于减少·偏向〈11-20〉方向4°的(0001)娃面碳化娃衬底上外延薄膜中缺陷的报道，如采用低C/Si比和氢气在线刻蚀等，但消除缺陷的效果并不理想，如图1和图2所示，外延薄膜中仍然存在大量台阶状形貌等缺陷。因此，需要进一步的减少缺陷以提高外延薄膜的质量，本方法在外延生长之前加入烘烤过程的同时使用改良的氢气在线刻蚀工艺，有效地减少了外延薄膜中的缺陷，特别是表面台阶缺陷被完全消除，外延缺陷密度减少至 Icm 2O
【发明内容】
[0005]本发明提出的是一种减少基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底的同质外延薄膜中缺陷的方法，其目的旨在针对在偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延碳化硅薄膜后存在的缺陷问题，提供一种基于水平热壁式CVD设备的工艺简单的外延方法。该工艺能有效减少在偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延薄膜中存在的台阶形貌等缺陷，提高了外延薄膜的质量。
[0006]本发明的技术解决方案:一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，包括如下工艺步骤:1)衬底准备:选取偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底，并对其进行标准清洗待用；
2)生长前烘烤:准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热反应室，射频功率为5~6KW，处理时间为10~20 min，升温至150~250°C ；
3)原位刻蚀:使用氢气(H2)原位刻蚀对衬底进行生长前表面预处理，H2的流量为60~90L/min，反应室压力为80~150mbar，升温至外延生长温度之上10~20°C，恒温5~15min,降温至外延生长温度，降温时间为10 min ；
4)外延生长:当温度升温至外延生长温度时开始生长碳化硅薄膜，生长源为硅烷SiH4和丙烷C3H8，生长温度为1550~1580°〇，生长压力为80~1501^&1'，氮气队和三甲基铝丁獻分别作为N型和P型掺杂剂。 [0007]本发明与通常外延技术相比具有如下优点:本发明提供的在偏向〈11-20〉方向4°的(0001)娃面碳化娃衬底上外延生长的方法，如图4和图5所不,能够有效地减少基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底外延薄膜中的缺陷，特别是表面台阶缺陷被完全消除，外延缺陷密度减少至lcm_2。具有方法简单易行，外延工艺重复性和一致性好，外延薄膜质量高，适合规模生产等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是采用通常方法制备的基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底的外延薄膜的缺陷分布示意图。
[0009]图2是采用通常方法制备的基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底的外延薄膜的原子力显微镜图像示意图。
[0010]图3是本发明外延工艺过程图。
[0011]图4是本发明制备的基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底的外延薄膜的缺陷分布示意图。
[0012]图5是本发明制备的基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底的外延薄膜的原子力显微镜图像示意图。
【具体实施方式】
[0013]一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，包括如下工艺步骤:
1)衬底准备:选取偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底，并对其进行标准清洗待用；
2)生长前烘烤:准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热反应室，射频功率为5~6KW，处理时间为10~20 min，升温至150~250°C ；
3)原位刻蚀:使用氢气H2原位刻蚀对衬底进行生长前表面预处理，H2的流量为60~90L/min，反应室压力为80~150mbar，升温至外延生长温度之上10~20°C，恒温5~15min,降温至外延生长温度，降温时间为10 min ；
4)外延生长:当温度升温至外延生长温度时开始生长碳化硅薄膜，生长源为硅烷SiH4和丙烷C3H8，生长温度为1550~1580°〇，生长压力为80~1501^&1'，氮气队和三甲基铝丁獻分别作为N型和P型掺杂剂。
[0014]所述娃面碳化娃衬底选自4H或者6H晶型，并且选取偏向〈11-20〉方向4°的娃面碳化硅衬底，包括3?6英寸N +导电碳化硅衬底和半绝缘碳化硅衬底。
[0015]所述的生长前烘烤，应在准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前进行。
[0016]所述的对反应室进行的生长前烘烤，射频功率为5?6KW，处理时间为10?20min，加热反应室至150?250°C。
[0017]所述的氢气H2原位刻蚀，H2的流量为60?90L/min，反应室压力为80?150mbar，温度爬升至外延生长温度之上10?20°C，恒温5?15min，随后IOmin降温至外延生长温度。
[0018]所述的外延碳化硅使用硅烷SiH4和丙烷C3H8作为生长源，氮气N2和三甲基铝TMA分别作为N型和P型掺杂剂。
[0019]所述的外延碳化硅生长源流量和参杂流量及外延生长时间根据外延层结构设定。
[0020]下面参照附图3进一步详细的描述本出发明的最佳实施例。
[0021]实施例1
1)选择偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面4H-SiC导电衬底并对其进行标准清洗待
用；
2)将衬底置于热的石墨基座上，送入反应室体，抽真空至<3X10_6mbar；
3)在准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热镀有碳化钽涂层的石墨反应室(包含基座)，射频功率为5KW，处理时间为15min，升温至200°C ；
4)在H2的流量为75L/min和反应室压力为IOOmbar气氛下，徐徐升温至1570°C，保持温度不变lOmin，用IOmin降温至外延生长温度1550°C，去除表面的损伤和沾污，同时有助于减少外延时缺陷；
5)温度稳定在1550°C，反应压力为lOOmbar，通入生长源硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)，流量分别为50ml/min和25ml/min，通入掺杂剂流量为50ml/min的N2生长30 y m具有N型掺杂的碳化硅外延薄膜；
6)关闭生长源和掺杂源，反应室降温、抽真空。
[0022]实施例2
1)选择偏向〈11-20〉方向4°的(0001)硅面4H-SiC高纯半绝缘衬底并对其进行标准清洗待用；
2)将衬底置于热的石墨基座上，送入反应室体，抽真空至<3X10_6mbar；
3)在准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热镀有碳化钽涂层的石墨反应室(包含基座)，射频功率为6KW，处理时间为20min，升温至240°C ；
4)在H2的流量为75L/min和反应室压力为IOOmbar气氛下，徐徐升温至1590°C，保持温度不变5min，用IOmin降温至外延生长温度1580°C，去除表面的损伤和沾污，同时有助于减少外延时缺陷；
5)温度稳定在1580°C，反应压力为lOOmbar，通入生长源硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)，流量分别为20ml/min和10ml/min，通入掺杂剂流量为1.25 X 10_3ml/min的三甲基铝(TMA)生长0.5 ii m具有P型掺杂的碳化硅外延薄膜；
6)关闭生长源和掺杂源，反应室降温、抽真空。[0023]用此方法同质外延生长获得的碳化硅薄膜仍属于硅面，光学显微镜下观察可知，该硅面外延膜表面平整光亮。对本发明实施例获得的样品进行测试分析。图4是本发明制备的基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)娃面碳化娃衬底的外延薄膜的缺陷分布,表面台阶缺陷被完全消除，外延缺陷密度减少至lcm_2，远小于通常外延技术制备的外延薄膜缺陷密度值10cm_2。图5是本发明的碳化硅外延膜的原子力显微镜(AFM)表面形貌图。扫描面积为IOiimX IOii m，表面无台阶形貌等缺陷，表面粗糙度均方根(RMS)仅为0.231nm。上述结果表明本发明可以有效地减少基于偏向〈11-20〉方向4°的(0001)娃面碳化娃衬底外延薄膜中的缺陷，特别是表面台阶缺陷被完全消除，外延缺陷密度减少至1cm—2，获得高质量外延薄膜。且本发明简单易行，涉及的外延工艺重复性和一致性好，适合规模生产。
[0024]以上制作实例为本发明的一般实施方案，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，在水平热壁式化学气相沉积(CVD)设备中进行，其特征是该方法包括如下工艺步骤: 1)衬底准备:选取偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底，并对其进行标准清洗待用； 2)生长前烘烤:准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热反应室，射频功率为5~6KW，处理时间为10~20 min，升温至150~250°C ； 3)原位刻蚀:使用氢气H2原位刻蚀对衬底进行生长前表面预处理，H2的流量为60~90L/min，反应室压力为80~150mbar，升温至外延生长温度之上10~20°C，恒温5~15min,降温至外延生长温度，降温时间为10 min ； 4)外延生长:当温度升温至外延生长温度时开始生长碳化硅薄膜，生长源为硅烷SiH4和丙烷C3H8，生长温度为1550~1580°〇，生长压力为80~1501^&1'，氮气队和三甲基铝丁獻分别作为N型和P型掺杂剂。
2.根据权利要求1所述的一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，其特征是所述硅面碳化硅衬底选自4H或者6H晶型，并且选取偏向〈11-20〉方向4°的娃面碳化娃衬底,包括3~6英寸N+导电碳化硅衬底和半绝缘碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，其特征是所述的生长前烘烤，应在准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前进行。
4.根据权利要求1所述的一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，其特征是所述的对反应室进行的生长前烘烤，射频功率为5~6KW，处理时间为10~20min，加热反应室至150~250°C。
5.根据权利要求1所述的一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，其特征是所述的氢气H2原位刻蚀，H2的流量为60~90L/min，反应室压力为80~150mbar，温度爬升至外延生长温度之上10~20°C,恒温5~15min,随后IOmin降温至外延生长温度。
6.根据权利要求1所述的一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，其特征是所述的外延碳化硅使用硅烷SiH4和丙烷C3H8作为生长源，氮气N2和三甲基铝TMA分别作为N型和P型掺杂剂。
7.根据权利要求1所述的一种减少在偏向〈11-20〉方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，其特征是所述的外延碳化硅生长源流量和参杂流量及外延生长时间根据外延层结构设定。
【文档编号】H01L21/20GK103715069SQ201310627032
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】赵志飞 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所