一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法与流程

本发明涉及一种碳化硅外延生长方法，尤其涉及一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法。

背景技术：

在不同的宽禁带半导体材料中，碳化硅（sic）是非常具有潜力的外延材料，它具有热导率高、击穿场强高以及饱和电子漂移速率高以及抗辐照等特点。4h-sic是sic多型中性能最优异的材料，具有更大的带隙以及体电子迁移率，较小的各项异性，是研制电力电子器件的首选材料。

对比传统的硅器件，4h-sic电力电子器件最大的优势就是能够高压、超高压工作。因此适用于4h-sic电力电子器件的外延材料一直向着厚膜发展。随着关键技术的突破，4h-sic外延的方法可以在衬底上生长高质量的厚膜外延材料，工程化的4h-sic外延材料可以达到表面外延缺陷密度<1cm^-2的水平。但是，现有高质量外延材料依旧包含其他的影响器件性能的电学缺陷。在这些电学缺陷中，碳空位以及相关的点缺陷中心是造成外延层载流子寿命降低的首要因素。载流子寿命短是导致4h-sic高压电力电子器件，尤其是双极型器件功耗增加的主要原因。

为了使4h-sic高压电力电子器件达到工程化应用的要求，首先需要解决sic厚层外延中载流子寿命太短的问题。目前国际上主要采用对碳化硅外延片进行后期处理的方法进行。主要采用的方法有两种，分别是碳注入结合高温退火法以及长时间高温氧化法。这两种后期处理方法都存在一定的弊端。碳注入结合高温退火的法在高能碳离子注入过程中容易引入新的缺陷；同时受碳注入深度限制，对厚层碳化硅外延来说效果不够理想。高温氧化法则需要长时间的高温氧化处理，大大增加了时间以及经济成本。

因此，对sic外延的工艺进行控制，在外延过程中直接降低碳空位是提高sic外延层载流子寿命最简单有效的方法。现有的研究工作表明，采用高进气端碳硅比（c/si≥1.5）的工艺条件可以有效抑制外延层中的碳空位的形成，从而提高载流子寿命。但是对于sic外延来说，伴随外延速率的提高，进气端c/si比工艺窗口逐渐变小，如图2所示。采用10μm/h以上的外延速率，当进气端c/si比大于1.5时，外延片表面质量就会出现明显的台阶聚束（step-bunching）形貌导致表面粗糙度提高。因此如果需要采用高进气端c/si比的工艺条件，必须采用10μm/h以下的外延速率。适用于4h-sic高压电力电子器件研制的外延材料，外延厚度基本上都在10微米以上，而适用于4h-sic超高压电力电子器件研制的外延材料甚至达到了100微米以上。如果为了保证sic外延片的载流子寿命，而采用10μm/h以下的外延速率，sic外延片的产能将大大下降。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出了一种提高碳化硅外延层载流子方法。在保证外延速率的前提下，有效提高外延层载流子寿命。

具体来说，本发明采用了以下技术方案：

一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将其置于石墨基座内；

（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℃；

（3）到达设定温度后，打开硅源、碳源以及掺杂源的进气阀，并将各类源通入排外气路，通过质量流量设定各类源的流量，使其满足步骤（4）中生长缓冲层所需要的流量要求，保持其他参数不变，对碳化硅衬底进行5~15分钟原位氢气刻蚀处理；

（4）控制硅源和氢气的流量比≤0.03%，控制碳源的流量满足0.5≤c/si比≤1，向反应室通入设定好流量的硅源、碳源以及掺杂源，生长厚度为0.5-10μm，掺杂浓度1~2e18cm^-3的高掺缓冲层；

（5）将硅源、碳源及掺杂源转至排外气路，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，在30秒内将各类源的流量渐变至步骤（6）中所需要的流量值；

（6）控制硅源和氢气的流量比≤0.02%，控制碳源的流量满足1.5≤c/si比≤1.8，向反应室通入设定好流量的硅源、碳源以及掺杂源，生长厚度0.5-1.5μm，满足器件设计掺杂浓度的外延层；

（7）将硅源、碳源及掺杂源转至排外气路，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，在30秒内将各类源的流量渐变至步骤（8）中所需要的流量值，而掺杂源流量则根据在工艺条件变化的情况下掺杂源掺杂效率的变化进行调节；

（8）控制硅源和氢气的流量比≥0.12%，控制碳源的流量满足0.6≤c/si比≤0.9，向反应室通入设定好流量的硅源、碳源以及掺杂源，并根据工艺需要选择是否加入氯化氢气体，控制cl/si比≤3，生长厚度5-10μm，满足器件设计掺杂浓度的外延层；

（9）重复步骤（5）~（8）一定次数，使步骤（6）和（8）中生长的外延层厚度累计达到器件设计需求；

（10）关闭硅源和掺杂源，在步骤（8）中通入氯化氢的情况下还需要关闭氯化氢，保持其他参数不变，对碳化硅衬底进行10~20分钟原位退火处理；

（11）在退火完成后，关闭碳源，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。

其中，本发明方案中所采用的硅源为硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅，碳源为甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。

优选地，步骤（6）和步骤（8）中生长的外延层具有相同的掺杂浓度。

另外优选地，步骤（6）采用的条件为高进气端碳硅比的低速外延生长。

在优选实施方案中，步骤（8）采用的条件为低进气端碳硅比的高速外延生长。

根据优选的实施方案，器件结构中的外延层通过重复步骤（5）~（8）一定次数，使步骤（6）和（8）中生长的外延层厚度累计达到器件设计需求。

作为优选方案，步骤（10）采用的条件为富碳气氛的高温热退火处理。

有益效果：本专利提供的方法采用低速高碳硅比以及高速低碳硅比工艺结合，周期性生长所需的厚层碳化硅外延层，对比单一的低速高碳硅比工艺，有效提高了外延层的生长速率。同时结合高温退火处理，利用化学气相沉积热力学平衡条件下，周期结构内不同外延层间碳元素的迁移达到消除碳空位的目的，实现了原位生长过程中碳空位的有效修复，达到了提高碳化硅外延层载流子寿命的目的。采用本发明专利提供的外延方法生长的外延材料在外延完成后不需再利用离子注入或高温氧化的后处理方式，兼容于现有商业化碳化硅外延炉的基础工艺，具有极大的推广价值。

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是生长高表面质量sic外延层所对应的进气端c/si比工艺窗口示意图；

图3是耐压3300v碳化硅肖特基二极管所需的外延材料结构。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法，以便在保证外延速率的前体下，有效提高外延层载流子寿命。本发明所提供的方法包括以下步骤：

（1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将衬底置于石墨基座内；

（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℃；

（3）到达设定温度后，打开硅源、碳源以及掺杂源的进气阀，并将各类源通入排外气路，通过质量流量设定各类源的流量，使其满足步骤（4）中生长缓冲层所需要的流量要求，保持其他参数不变，对碳化硅衬底进行5~15分钟原位氢气刻蚀处理；

（4）控制硅源和氢气的流量比≤0.03%，控制碳源的流量满足0.5≤c/si比≤1，向反应室通入设定好流量的硅源、碳源并以及掺杂源，生长厚度为0.5-10μm，掺杂浓度1~2e18cm^-3的高掺缓冲层；

（5）将硅源、碳源及掺杂源转至排外气路，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，在30秒内将各类源的流量渐变至步骤（6）中所需要的流量值；

（6）控制硅源和氢气的流量比≤0.02%，控制碳源的流量满足1.5≤c/si比≤1.8，向反应室通入设定好流量的硅源、碳源并以及掺杂源，生长厚度0.5-1.5μm，满足器件设计掺杂浓度的外延层；

（7）将硅源、碳源及掺杂源转至排外气路，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，在30秒内将各类源的流量渐变至步骤（8）中所需要的流量值，由于步骤（6）和步骤（8）工艺条件不同导致掺杂源掺杂效率不同，掺杂源流量需要根据实际情况进行调节；

（8）控制硅源和氢气的流量比≥0.12%，控制碳源的流量满足0.6≤c/si比≤0.9，向反应室通入设定好流量的硅源、碳源并以及掺杂源，并根据工艺需要选择是否加入氯化氢气体，控制cl/si比≤3，生长厚度5-10μm，满足器件设计掺杂浓度的外延层；

（9）重复步骤（5）~（8）一定次数，使步骤（6）和（8）中生长的外延层厚度累计达到器件设计需求；

（10）关闭硅源、掺杂源以及氯化氢（如果步骤（8）中通入氯化氢），保持其他参数不变，对碳化硅衬底进行10~20分钟原位退火处理；

（11）在退火完成后，关闭碳源，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。

下面利用实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

生长图3所示碳化硅外延结构的具体方法：

（1）选取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅衬底将衬底置于反应室石墨基座内；

（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100l/min，设置反应室的压力为100mbar，并将反应室逐渐升温至1600℃；

（3）到达设定温度后，打开硅烷、丙烷以及氮气的进气阀，并将各类源通入排外气路，设定硅烷流量25sccm，丙烷流量7.5sccm，氮气流量500sccm，保持其他参数不变，对碳化硅衬底进行10分钟原位氢气刻蚀处理；

（4）向反应室通入硅烷、丙烷以及氮气，设定生长时间10分钟，生长厚度1μm，1e18cm^-3的高掺缓冲层；

（5）将硅烷、丙烷及氮气转至排外气路，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，在30秒内将硅烷、丙烷以及氮气流量分别改变为20sccm、10sccm以及5sccm；

（6）向反应室通入硅烷、丙烷以及氮气，控制生长时间7分钟，生长厚度0.5μm，掺杂浓度3e15cm^-3外延层；

（7）将硅烷、丙烷以及氮气转至排外气路，保持反应室压力、生长温度以及氢气流量不变，在30秒内将硅烷、丙烷以及氮气流量分别改变为120sccm、32sccm以及2sccm；

（8）向反应室通入通入硅烷、丙烷以及氮气，并通入240sccm的氯化氢，控制生长时间11分钟，生长厚度5.5μm，掺杂浓度3e15cm^-3外延层；

（9）重复步骤（5）~（8），重复次数5次，完成累计厚度30μm，掺杂浓度3e15cm^-3外延层的生长；

（10）关闭硅烷、氮气以及氯化氢，保持丙烷流量不变，保持其他参数不变，对碳化硅衬底进行20分钟原位退火处理；

（11）在退火完成后，关闭丙烷，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。

上面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。