降低碳化硅外延基平面位错密度的方法与流程

本发明涉及一种碳化硅外延层的生长方法，尤其涉及一种降低碳化硅外延基平面位错密度的方法。

背景技术：

碳化硅电力电子商业化主要受限于碳化硅外延层中的结构缺陷，结构缺陷会导致碳化硅器件性能的退化，会导致击穿电压下降，降低少数载流子寿命，增加正向导通电阻，增加漏电的量级等问题，碳化硅研究的长远目标就是消除这些缺陷。

目前研究碳化硅器件的主要问题是解决正向偏压下器件有源区内诱导复合引起的堆垛层错。堆垛层错导致器件性能随着时间退化，增加导通压降和开态能量损失。为了避免器件性能的退化，需要避免衬底中bpd缺陷进入外延层。

目前国际上常用的降低外延层中bpd缺陷的方法是对碳化硅衬底进行koh或koh–naoh–mgo共融腐蚀形成bpd腐蚀坑，然后在腐蚀处理后的衬底上进行外延生长，利用bpd腐蚀坑附近的横向外延速率，闭合bpd缺陷的传播通道，使其转化为具有相同伯格斯矢量的刃位错(ted)缺陷，ted缺陷对器件危害比较低。但是碳化硅衬底的koh熔融腐蚀或者koh–naoh–mgo共融腐蚀对碳化硅衬底表面破坏严重，而且工艺相对繁琐，并不适用于碳化硅外延工艺集成。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种降低碳化硅外延基平面位错密度的方法。

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：一种降低碳化硅外延基平面位错密度的方法，包括以下步骤：

(1)将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，然后向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60～120l/min，设置反应室的压力为80～200mbar，并将反应室逐渐升温至1550～1700℃，到达设定温度后，保持所有参数不变，对碳化硅衬底进行5～15分钟原位氢气刻蚀处理；

(3)原位氢气刻蚀处理完成后，向反应室通入小流量的硅源和碳源，控制硅源和氢气的流量比小于0.03％，并通入掺杂源，生长出厚度为0.2-0.5μm，掺杂浓度2～5e18cm^-3的缓冲层1；

(4)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，对缓冲层1进行原位氢气刻蚀处理，处理时间2-10分钟；

(5)向反应室通入小流量硅源和碳源，硅源的流量与步骤(3)相同，并通入掺杂源，生长出厚度为0.2-0.5μm，掺杂浓度5～8e18cm^-3的缓冲层2；

(6)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，对缓冲层2进行原位氢气刻蚀处理，处理时间2-10分钟；

(7)重复步骤(3)～(6)，完成复合缓冲层的生长；

(8)通入生长源和掺杂源，采用线性缓变的方式将生长源和掺杂源的流量改变至生长外延结构所需的设定值，根据常规工艺程序生长外延结构；

(9)在完成外延结构生长后，关闭生长源和掺杂源，在氢气氛围中将反应室温度降至室温，然后将氢气排出，并通入氩气对反应室气体进行多次置换，并利用氩气将反应室压力提高至大气压，然后开腔取片。

有益效果：本发明与现有技术相比，在sic衬底上外延生长多个周期的高-低掺杂结构的复合缓冲层，并在对每个单层缓冲层进行界面高温氢气刻蚀处理，利用界面高温处理以及掺杂诱导引入多个界面，利用界面象力促进bpd缺陷向ted缺陷的转化，极大减少了外延层中的bpd缺陷；该方法工艺简单有利于外延工艺集成，同时避免了对sic衬底进行复杂的前期处理，减少了对衬底表面的破坏。

附图说明

图1是按照本发明生长出的外延片结构示意图；

图2是生长一个复合缓冲层的sic外延片的pl成像bpd缺陷分析结果；

图3是生长两个复合缓冲层的sic外延片的pl成像bpd缺陷分析结果。

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。

本发明所述的降低碳化硅外延基平面位错密度的方法，主要通过在sic衬底上外延生长多个周期的高-低掺杂浓度的复合缓冲层，并对每个单层缓冲层进行界面高温氢气刻蚀处理，利用界面高温处理以及掺杂诱导引入多个界面，利用界面象力(imageforce)促进bpd缺陷向ted缺陷的转化，极大减少了外延层中的bpd缺陷，该方法工艺简单有利于外延工艺集成，同时避免了对sic衬底进行复杂的前期处理，减少了对衬底表面的破坏，具体包括以下步骤：

(1)将碳化硅衬底置于sic外延系统反应室内，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化钽涂层，碳化硅衬底可以选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底；

(2)采用氩气对反应室气体进行多次置换，然后向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60～120l/min，设置反应室的压力为80～200mbar，并将反应室逐渐升温至1550～1700℃，到达设定温度后，保持所有参数不变，对碳化硅衬底进行5～15分钟原位氢气刻蚀处理；

(3)向反应室通入小流量的硅源和碳源，其中，硅源可以是硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅、四氯氢硅等，碳源可以是甲烷、乙烯、乙炔、丙烷等，控制硅源和氢气的流量比小于0.03％，调节碳源流量，控制进气端c/si比为0.9，并通入n型掺杂源高纯氮气(n2)，或者通入p型掺杂源三甲基铝(tma)，可以通入500sccm高纯氮气(n2)，设定生长时间6分钟，生出长厚度为0.2-0.5μm，掺杂浓度2～5e18cm^-3的缓冲层1；

(4)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及h2流量不变，对缓冲层1进行原位氢气刻蚀处理，处理时间2-10分钟；

(5)向反应室通入小流量硅源和碳源，硅源流量与步骤(3)相同，加大碳源流量，控制进气端c/si比为1.2，并通入n型掺杂源高纯氮气(n2)，通入或者p型掺杂源三甲基铝(tma)，可以通入500sccm高纯氮气(n2)，设定生长时间6分钟，生长出厚度为0.2-0.5μm，掺杂浓度由5～8e18cm^-3的缓冲层2；

(6)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及h2流量不变，对缓冲层1进行原位氢气刻蚀处理，处理时间2-10分钟；

(7)重复步骤3-6，完成复合缓冲层的生长，具体重复次数可以由工艺人员根据实验结果进行确认；

(8)采用线性缓变(ramping)的方式改变生长源及掺杂源的流量，控制sih4/h2流量比为0.1％，进气端c/si比为1.2，并通入氯化氢气体，设定进气端cl/si比为2.5，并通入10sccm的氮气，外延时间设定为15分钟，均设定为生长外延结构所需的设定值，根据常规工艺程序生长外延结构；

(9)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，将反应室真空抽至0mbar，维持5分钟，向反应室充入氩气至大气压，开腔取片。

在进行氢气刻蚀过程中，可以引入适量的氯化氢气体、丙烷、硅烷或者三氯氢硅等工艺气体辅助氢气刻蚀，工艺人员可以根据实际情况进行选择判断。

步骤3和步骤5中缓冲层1和缓冲层2具有不同的掺杂浓度，可以通过改变进气端c/si比或者掺杂源流量的方法实现。对于n型掺杂，掺杂浓度和进气端c/si比成反比，对于p型掺杂，掺杂浓度和进气端c/si比成正比。不论n型或者p型掺杂，掺杂浓度均和掺杂源流量成正比关系。

按照本发明生长出的外延片结构如图1所示，具有多个复合缓冲层。下面通过两个实施例说明生长一个周期和生长二个周期高-低掺杂结构的复合缓冲层的情况。

实施例一

生长一个周期高-低掺杂结构的复合缓冲层上生长sic外延片，具体步骤如下：

(1)选取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，衬底bpd缺陷密度为1000cm^-2,，将衬底置于sic外延系统反应室内，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化钽涂层；

(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h2流量至80l/min，设置反应室的压力为100mbar，将反应室逐渐升温至生长温度1600℃，达到生长温度后维持反应室温度10分钟，对衬底进行纯氢气刻蚀；

(3)向反应室通入小流量硅烷(sih4)和丙烷(c3h8)，控制sih4/h2比为0.025％，控制c/si比为0.9，并通入500sccm高纯氮气，生长时间设定为6分钟，生长出厚度为0.5μm，掺杂浓度为2e18cm^-3的缓冲层1；

(4)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及h2流量不变，对缓冲层1进行原位氢气刻蚀处理，处理时间5分钟；

(5)向反应室通入硅烷和丙烷，硅烷流量与步骤(3)相同，加大丙烷流量，控制c/si比为1.2，通入500sccm高纯氮气，生长时间设定为6分钟，生长出厚度为0.5μm，掺杂浓度为5e17cm^-3的缓冲层2；

(6)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，对缓冲层2进行原位氢气刻蚀处理，处理时间5分钟；

(7)采用线性缓变(ramping)的方式改变硅烷、丙烷以及氮气流量，控制sih4/h2流量比为0.1％，设定进气端c/si比为1.2，并通入氯化氢气体，设定进气端cl/si比为2.5，并通入10sccm的氮气，外延时间设定为15分钟；

(8)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，通入氩气置换反应室内的氢气，将反应室真空抽至0mbar，维持5分钟，向反应室充入氩气至大气压，打开反应室，取出外延片。采用pl成像bpd检测方法对外延片表面进行表征，结果如图2所示。

实施例二

生长两个周期高-低掺杂结构的复合缓冲层上生长sic外延片，具体步骤如下：

(1)选取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底，衬底bpd缺陷密度为1000cm^-2,，将衬底置于sic外延系统反应室内，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化钽涂层；

(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h2流量至80l/min，设置反应室的压力为100mbar，将反应室逐渐升温至生长温度1600℃，达到生长温度后维持反应室温度10分钟，对衬底进行纯氢气刻蚀；

(3)向反应室通入小流量硅烷(sih4)和丙烷(c3h8)，控制sih4/h2比为0.025％，控制c/si比为0.9，并通入500sccm高纯氮气，生长时间设定为6分钟，生长出厚度为0.5μm，掺杂浓度为2e18cm^-3的缓冲层1；

(4)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及h2流量不变，对缓冲层1进行原位氢气刻蚀处理，处理时间5分钟；

(5)向反应室通入硅烷和丙烷，硅烷流量与步骤(3)相同，加大丙烷流量，控制c/si比为1.2，通入500sccm高纯氮气，生长时间设定为6分钟，生长出厚度为0.5μm，掺杂浓度为5e17cm^-3的缓冲层2；

(6)关闭生长源及掺杂源，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，对缓冲层2进行原位氢气刻蚀处理，处理时间5分钟；

(7)重复步骤3～6一次；

(8)用流量增加的方式改变硅烷、丙烷以及氮气流量，控制sih4/h2流量比为0.1％，设定进气端c/si比为1.2，并通入氯化氢气体，设定进气端cl/si比为2.5，通入10sccm的氮气，外延时间设定为15分钟；

(9)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，通入氩气置换反应室内的氢气，将反应室真空抽至0mbar，维持5分钟，向反应室充入氩气至大气压，打开反应室，取出外延片。采用pl成像bpd检测方法对外延片表面进行表征，结果如图3所示。

通过图2和图3可以看出该工艺下，具有一个周期高-低掺杂结构的复合缓冲层上生长的外延片bpd缺陷密度已经降低至2.5cm^-2，bpd转化率达到99.75％；具有二个周期高-低掺杂结构的复合缓冲层上生长的外延片bpd缺陷密度已经降低至0.5cm^-2，bpd转化率达到99.95％。可以看出利用界面高温氢气处理结合掺杂诱导工艺可以有效降低外延层中的bpd缺陷密度，同时通过增加复合缓冲层中高-低掺杂结构的重复周期，可以进一步降低外延层中的bpd缺陷密度。