一种提高碳化硅外延片载流子寿命的方法与流程

1.本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种提高碳化硅外延片载流子寿命的方法。


背景技术：

2.碳化硅(sic)作为第三代宽禁带半导体材料，具有优异的材料性能，在高温、高频、大功率、抗辐射等领域具有巨大的应用潜力，尤其是4h-sic双极型器件由于电导调制的特性，可实现超高的耐压的同时具有超低的导通电阻，尤其适用于高压和超高压领域应用。
3.超高压电力电子器件(＞10kv)用超厚低掺杂外延材料中载流子寿命的调控对于实现低功耗的双极型器件至关重要。研究表明低少子寿命对器件来说非常不利，它会显著增大sic基igbt器件的开态电阻，导致器件功耗增加。碳化硅同质外延过程中会形成碳空位缺陷，引入深能级缺陷，这种深能级缺陷会成为载流子的复合中心，造成外延层载流子寿命降低，无法实现有效的电导调制。
4.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和长时间高温氧化法。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，因此还需要开发新的处理方法。
5.控制sic材料的少子寿命需要从两方面考虑：一是注意在工艺过程中控制，使之不发生变化。主要是注意清洁度和操作过程的控制，以避免有害杂质的引入和减少工艺诱生的二次缺陷。二是通过有意减少杂质和缺陷，因为许多缺陷和杂质都将构成复合中心。通过外延生长工艺优化、氧化/退火和离子注入等手段，引起缺陷湮灭进而达到调控少子寿命的目的。目前商用的碳化硅材料，外延层载流子寿命水平仅仅在0.5-2μs，难以满足器件要求。
6.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。而sic电力电子器件耐压能力与外延厚度直接相关，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，显然不能采用太低的外延生长速率。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。高速外延工艺下当进气端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，且会引入如三角形缺陷变多等额外的问题。


技术实现要素：

7.针对现有碳化硅外延片载流子寿命较低，无法实现有效的电导调制的问题，本发
明提供了一种提高碳化硅外延片载流子寿命的方法。
8.本发明采用如下技术方案：一种提高碳化硅外延片载流子寿命的方法，包括以下步骤：s1.将选取的偏向《11-20》方向4
°
或者8
°
的硅面碳化硅衬底置于sic外延系统反应室内的石墨基座上；s2.采用氩气对反应室气体进行置换，之后向反应室中通入氢气，以c/si比为r0向反应室通入硅源和碳源作为生长源，并通入n型或者p型掺杂源，将反应室逐渐升温至外延生长温度，选用氢气或者氩气作为气浮气体推动石墨基座旋转，生长缓冲层；s3.保持生长温度和压力不变，降低c/si比至r
1l
，之后以线性渐变的方式提高c/si比至r
1h
，进行第1次速率切换梯度层生长，所述r
1l
小于r0，所述r
1h
大于r0；s4.保持生长温度和压力不变，继续进行n次速率切换梯度层生长，直至r
nh
大于外延层生长的c/si比时停止梯度层的生长，其中第i次速率切换梯度层生长为：先降低c/si比至r
il
，之后以线性渐变的方式提高c/si比至r
ih
，所述r
il
小于r
(i-1)h
，所述r
ih
大于r
(i-1)h
，2≤i≤n；s5.改变掺杂源流量至生长外延结构中外延层所需的设定值，保持外延层c/si比不变的条件下完成外延层的生长；s6.完成外延层生长后，关闭生长源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降至室温，之后将氢气排外，使用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。
9.进一步地，步骤s2中生长缓冲层时氢气流量为90~150l/min，反应室压力为80~200 mbar。
10.进一步地，步骤s2中缓冲层外延生长所用c/si比r0的值为0.45~0.75，生长速率小于20μm/h。
11.进一步地，步骤s2中生长的缓冲层厚度为0.5~2μm。
12.进一步地，步骤s4中外延层外延生长所用c/si比的值为0.85~1.15进一步地，步骤s5中外延层的生长速率大于30~90μm/h。
13.进一步地，步骤s3中第1次速率切换梯度层生长和步骤s4中第i次速率切换梯度层生长的时间均相等，其中1≤i≤n。
14.进一步地，步骤s3和步骤s4生长梯度层时间总和为0.5~5分钟。
15.本发明的有益效果：（1）本发明通过采用阶梯式生长提镀层的方法，优化了梯度层设计，达到补偿缓冲层产生的碳空位和抑制梯度层碳空位形成的目的；（2）本发明提供的方法生长的sic外延片载流子寿命达到4.3μs，相较于目前商用的碳化硅材料，外延层载流子寿命水平仅仅在0.5-2μs，大幅提高了碳化硅外延片的载流子寿命。
附图说明
16.图1 为常规工艺方法的流程示意图。
17.图2 为本发明提高碳化硅外延片载流子寿命方法的流程示意图。
18.图3为采用本发明工艺方法生长的sic外延片载流子寿命，达到4.3μs。
具体实施方式
19.以下结合实施例对本发明作进一步的描述，实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他替代手段，均在本发明权利要求范围内。
20.现有技术中生长外延片的常规技术手段如图1所示，在生长完成缓冲层后，呈线性提高碳硅比生长梯度层，碳硅比达到外延层的生长条件后，即开始外延层的生长，其特点是在生长梯度层时是碳硅比是持续增长的，通过这样方法生长的外延层寿命水平较差。
21.而本发明提供一种提高碳化硅外延片载流子寿命的方法，如图2所示，生长完成缓冲层后，在进行梯度层的生长时，利用阶梯式生长的方法，也即在生长过程中会出现碳硅比减小的时间段，梯度层生长完成后，进行外研层的生长，具体包括以下步骤：s1.将选取的偏向《11-20》方向4
°
或者8
°
的硅面碳化硅衬底置于sic外延系统反应室内的石墨基座上；s2.采用氩气对反应室气体进行置换，之后向反应室中通入氢气，逐渐增大氢气流量至90~150l/min，控制反应室压力为80~200 mbar，以c/si比r0的值为0.45~0.75向反应室通入硅源和碳源作为生长源，并通入n型或者p型掺杂源，将反应室逐渐升温至外延生长温度，选用氢气或者氩气作为气浮气体推动石墨基座旋转，以小于20μm/h的生长速率生长厚度为0.5~2μm缓冲层；s3.如图2所示，保持生长温度和压力不变，降低c/si比至r
1l
，之后以线性渐变的方式提高c/si比至r
1h
，进行第1次速率切换梯度层生长，所述r
1l
小于r0，所述r
1h
大于r0；s4.如图2所示，在完成第1次速率切换梯度层生长后，保持生长温度和压力不变，继续进行n次速率切换梯度层生长，直至r
nh
大于外延层生长的c/si比时停止梯度层的生长，所述外延层生长的c/si比的值为0.85~1.15，其中第i次速率切换梯度层生长为：先降低c/si比至r
il
，之后以线性渐变的方式提高c/si比至r
ih
，所述r
il
小于r
(i-1)h
，述r
ih
大于r
(i-1)h
，2≤i≤n，生长第1次速率切换梯度层直至第n次速率切换梯度层的时间均相等，且总的生长时间为为0.5~5分钟；s5.改变掺杂源流量至生长外延结构中外延层所需的设定值，保持外延层c/si比不变的条件下以大于30μm/h的生长速率完成外延层的生长；s6.完成外延层生长后，关闭生长源和掺杂源，在氢气气氛中将反应室温度降至室温，之后将氢气排外，使用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。
22.实施例1提供的在sic化学气相沉积外延系统中，利用一种通过优化梯度层结构提高碳化硅外延片载流子寿命的方法生长耐压15kv igbt结构外延材料的方法，包括以下步骤：s1.选取偏向《11-20》方向4
°
的硅面碳化硅衬底，将清洗过的衬底置于sic外延系统反应室内的石墨基座上。
23.s2.采用氩气对反应室气体进行置换，选用氩气作为气浮气体推动石墨基座旋转，打开通向反应室的氢气开关，控制反应室压力逐渐增大到100mbar，同时控制氢气流量逐渐
增大到100l/min，将反应室逐渐升温至生长温度1650℃，达到温度后维持反应室温度5分钟，对衬底进行原位氢气h2刻蚀。
24.之后通入流量为40sccm 的乙烯、流量为100sccm 的三氯氢硅和用作p型掺杂源的以氢气作为载气流量为200sccm的三甲基铝，生长sic igbt结构的p型高掺层。生长时间60分钟，生长厚度为15μm、掺杂浓度为5e18 cm-3
的igbt结构高掺p型层。
25.然后向反应室通入流量为100sccm的氮气，降低乙烯流量至30sccm，使c/si 比r0为0.6，生长时间5分钟，低速生长1μm厚的常规缓冲层。
26.s3.保持生长温度和压力不变，降低乙烯流量至25sccm，使c/si比降低至缓冲层生长c/si比r0之下的低位r
1l
=0.5，而后以线性渐变的方式提高乙烯和三氯氢硅流量，即提高c/si至高位r
1h
=0.75，进行第1次的速率切换梯度层生长。
27.s4.保持生长温度和压力不变，继续进行n次速率切换梯度层生长，直至r
nh
大于外延层生长的c/si比时停止梯度层的生长，此实施例中外延层生长的c/si比为1.0，因此当r
nh
大于1.0时即完成梯度层的生长，其中第i次速率切换梯度层生长为：先降低c/si比至r
il
，之后以线性渐变的方式提高c/si比至r
ih
，所述r
il
小于r
(i-1)h
，述r
ih
大于r
(i-1)h
，2≤i≤n，本实施例中各周期c/si比（r
nl
和r
nh
）如下表1所示：第2次r
2l
为0.6，小于r
1h
的0.75，r
2h
为0.85，大于r
1h
的0.75；第3次r
3l
为0.7，小于r
2h
的0.85，r
3h
为0.95，大于r
2h
的0.85；第4次r
4l
为0.8，小于r
3h
的0.95，r
4h
为1.05，大于r
3h
的0.95，此时，第4次的速率切换梯度层生长r
4h
为1.05，大于外延层生长的c/si比1.0，则结束梯度层生长，生长第1次速率切换梯度层直至第4次速率切换梯度层的时间均为30s，且总的生长时间为2分钟；在此生长条件下的常规梯度层生长时间为2分钟。
28.表1各生长条件的c/si比s5.改变乙烯和三氯氢硅流量分别为150sccm和300sccm，通入外延结构中外延层所需流量的氮气，保持外延层c/si比等于1不变完成器件结构外延层的生长，生长速率为30μm/h，生长时间为150分钟，生长厚度150μm，完成igbt全结构生长。
29.s6.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，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。
30.该实施例中sic外延片的载流子寿命测试结果如图3所示，外延片载流子寿命为4.3μs。通过数据可以看出，采用本发明提供的方法，可以大幅度提高碳化硅外延片的载流子寿命。
31.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳
实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。