一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；(2)向反应室通入H2直至反应室气压到达100mbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量逐渐增至60L/min，继续向反应室通气；(3)打开高频线圈感应加热器RF，逐渐增大该加热器的功率，当反应室温度升高逐渐至1400℃进行原位刻蚀；(4)当反应室温度到达到1580℃-1600℃时，保持温度和压强恒定，向反应室通入C3H8和SiH4，生长缓冲层。缓冲层生长结束后，设置N2流量，生长低掺杂的集电区。集电区生长结束后，设置Al流量，生长双层阶梯掺杂的基区，其中第一层低掺缓变区，第二层为高掺杂。最后，设置N2流量，生长高掺杂的发射区。
【专利说明】一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体器件制造【技术领域】，尤其涉及一种利用现有的碳化硅材料 MOCVD生长工艺，制备P型缓变掺杂碳化硅外延层的方法。
【背景技术】
[0002] 碳化硅具有宽带隙、高导热率、高击穿强度、高电子饱和漂移速度、高的硬度等优 点，也有着很强的化学稳定性。这些优良的物理和电学性能使碳化硅在应用上具有很多优 势。禁带宽使得碳化硅本征载流子在高温下仍能保持较低的浓度，因而能工作在很高的温 度下。高击穿场强使碳化硅可以承受高电场强度，这使得碳化硅可以用于制作高压，高功率 的半导体器件。高热导率使碳化硅具有良好的散热性，有助于提高器件的功率密度和集成 度、减少附属冷却设施，从而使系统的体积和重量大大地降低、效率则大大地提高，这对于 开发空间领域的电子器件极具优势。碳化硅的饱和电子迁移速度很高，这一特性也使它可 以用于射频或者微波器件，从而提高器件工作速度。
[0003] 碳化硅BJT很早就受到研究者的重视，从器件特性上来说，其主要是在下面几个 方面有着极大的优势：（I) SiC的BJT受表面缺陷影响较小，高温下比较稳定；（2) SiC的BJT 器件用作开关器件时，随温度增加，电流增益降低，特征导通阻抗增加，对大器件或多并联 器件的稳定工作很有用。（3)由于碳化硅材料的载流子饱和迁移率比硅高很多，击穿后电 流密度不足以影响到集电区的电场分布，集电区压降不会很快降低，因而从这个角度来看， SiC的BJT无二次击穿效应。然而，由于基区需要离子注入才能形成高掺杂的欧姆接触区， 而离子注入形成大量晶格损伤，造成注入区非平衡载流子复合很严重。同时，基区和发射区 之间复合严重的复合也会造成碳化硅BJT电流增益的降低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基区缓变掺杂碳化硅外延 层的制备方法，利用碳化硅的CVD设备，制备出具有基区缓变掺杂浓度梯度可控的碳化硅 外延层结构，满足了制备碳化硅BJT的要求。
[0005] 为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤。
[0006] (1)将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；
[0007] (2)向反应室通入H2直至反应室气压到达lOOmbar，保持反应室气压恒定，再将H 2 流量逐渐增至60L/min，继续向反应室通气；
[0008] (3)打开高频线圈感应加热器RF，逐渐增大该加热器的功率，当反应室温度升高 逐渐至1400°C进行原位刻蚀；
[0009] (4)当反应室温度到达到1580°C -1600°c时，保持温度和压强恒定，向反应室通入 C3H8和SiH4，生长缓冲层。缓冲层生长结束后，设置N2流量，生长低掺杂的集电区。集电区 生长结束后，设置Al流量，生长双层阶梯掺杂的基区，其中第一层低掺缓变区，第二层为高 掺杂。最后，设置N 2流量，生长高掺杂的发射区。
[0010] (5)当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片 在氧气流中降温；
[0011] (6)当温度降低到700°C以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使 衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。
[0012] 本发明与现有的技术相比，具有如下优点：
[0013] 1.本发明采用高纯N2和三甲基铝分别作为N型和P型掺杂源，掺入的氮原子和铝 原子能有效的替换碳化硅材料中碳原子和硅原子，形成替位杂质，相对于离子注入工艺，制 备的惨杂碳化娃材料晶格完整，缺陷少，有利于提1?器件性能。
[0014] 2.本发明采用碳化娃的CVD外延设备，在碳化娃衬底或已有外延层的碳化衬底进 行外延，通过生长参数控制纵向掺杂浓度，可在连续生长不同掺杂浓度的外延层的同时生 长具有缓变掺杂浓度的外延层，使器件的制备工艺简化。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及 优点将变得更加易于清楚，在附图中：
[0016] 图1是本发明技术方案的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0017] 在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然 而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相 反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领 域技术人员。
[0018] 以下参照附图1，对本发明的技术方案作进一步详细描述，以下给出两种实施例。
[0019] 实施例1
[0020] 步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。
[0021] (I. 1)选取偏向[I do]晶向4°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应 室中；
[0022] (1. 2)将反应室抽真空，直到反应室气压低于I X 10_7mbar。
[0023] 步骤二，在氢气流中加热反应室。
[0024] (2. 1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到60L/min ;
[0025] (2. 2)打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在IOOmbar ;
[0026] (2. 3)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高。
[0027] 步骤三，对衬底进行原位刻蚀。
[0028] (3. 1)当反应室温度达到1400°C以后，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻 蚀。
[0029] 步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
[0030] (4. 1)当反应室温度达到1580°C下，保持反应室温度和压强恒定；
[0031] (4.3)打开C3H8、SiH4的开关，向反应室中通入流量为7mL/min的C 3H8、流量为 21mL/min的SiH4，开始生长缓冲层，生长时间为6min。之后关闭C 3H8、SiH4lmin，其间将高纯 N2流量设置为25mL/min。打开C3H8、SiH4和高纯N 2的开关，向反应室中通入流量为7mL/min 的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为25mL/min的高纯N 2，开始生长集电区，生长时间 为lOmin。集电区生长结束后，关闭C3H8、SiH 4和高纯N2开关lmin，之后打开C3H8、SiH 4和三 甲基铝开关，流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH 4和流量为8. 9mL/min的三甲 基错，生长低掺缓变区6min，在此其间，三甲基错流量由8. 9mL/min逐渐增大到12mL/min。 低掺缓变区生长结束后，关闭(：占8、5丨!14和三甲基铝开关lmin，其间将三甲基铝流量增大到 30mL/min。三甲基铝流量稳定后，开始生长P型高掺层，生长时间为3min。P型高掺层生长 结束后，关闭C 3H8、SiH4和三甲基铝开关lmin，其间将高纯N2流量设置为2000ml/L，最后打 开C 3H8、SiH4和高纯N2的开关，向反应室中通入流量为7mL/min的C 3H8、流量为21mL/min的 SiH4和流量为2000mL/min的高纯N2，开始生长发射区，生长时间为lOmin。
[0032] 步骤五，在氢气流中冷却衬底。
[0033] (5. 1)当外延层P2生长结束后，关闭C3H8、SiH4和三甲基铝的开关，停止生长；
[0034] (5. 2)设置通向反应室的氢气流量为20L/min，保持反应室气压为IOOmbar，使长 有碳化娃外延层的衬底在氢气流中冷却25min ;
[0035] (5. 3)将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
[0036] 步骤六，在氩气中冷却衬底。
[0037] (6. 1)当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的氢气开关；
[0038] (6. 2)将反应室抽真空，直到气压低于I X KT7Iiibar ;
[0039] (6. 3)打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的氩气，使长有碳化硅外延层 的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;
[0040] (6. 4)缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
[0041] 实施例2
[0042] 步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。
[0043] (I. 1)选取偏向[1120]晶向8°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应 室中；
[0044] (1. 2)将反应室抽真空，直到反应室气压低于I X l(T7mbar。
[0045] 步骤二，在氢气流中加热反应室。
[0046] (2. 1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到60L/min ;
[0047] (2. 2)打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在IOOmbar ;
[0048] (2. 3)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高。
[0049] 步骤三，对衬底进行原位刻蚀。
[0050] (3. 1)当反应室温度达到1400°C以后，向反应室中通入流量为7mlL/min的C3H8, 保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀。
[0051] 步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
[0052] (4. 1)当反应室温度达到1580°C下，保持反应室温度和压强恒定；
[0053] (4. 3)打开C3H8、SiH4的开关，向反应室中通入流量为7mL/min的C 3H8、流量为 21mL/min的SiH4，开始生长缓冲层，生长时间为6min。之后关闭C 3H8、SiH4lmin，其间将高纯 N2流量设置为25mL/min。打开C3H8、SiH4和高纯N 2的开关，向反应室中通入流量为7mL/min 的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为25mL/min的高纯N 2，开始生长集电区，生长时间 为lOmin。集电区生长结束后，关闭C3H8、SiH4和高纯N 2开关lmin，之后打开C3H8、SiH4和三 甲基铝开关，流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH4和流量为8. 9mL/min的三甲 基错，生长低掺缓变区6min，在此其间，三甲基错流量由8. 9mL/min逐渐增大到12mL/min。 低掺缓变区生长结束后，关闭(：占 8、5丨!14和三甲基铝开关lmin，其间将三甲基铝流量增大到 30mL/min。三甲基铝流量稳定后，开始生长P型高掺层，生长时间为3min。P型高掺层生长 结束后，关闭C3H 8、SiH4和三甲基铝开关lmin，其间将高纯N2流量设置为2000ml/L，最后打 开C 3H8、SiH4和高纯N2的开关，向反应室中通入流量为7mL/min的C 3H8、流量为21mL/min的 SiH4和流量为2000mL/min的高纯N2，开始生长发射区，生长时间为lOmin。
[0054] 步骤五，在氢气流中冷却衬底。
[0055] (5. 1)当外延层P2生长结束后，关闭C3H8、SiH4和三甲基铝的开关，停止生长；
[0056] (5. 2)设置通向反应室的氢气流量为20L/min，保持反应室气压为IOOmbar，使长 有碳化娃外延层的衬底在氢气流中冷却25min ;
[0057] (5. 3)将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
[0058] 步骤六，在氩气中冷却衬底。
[0059] (6. 1)当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的氢气开关；
[0060] (6. 2)将反应室抽真空，直到气压低于I X KT7Hibar ;
[0061] (6. 3)打开氦气开关，向反应室通入流量为12L/min的氦气，使长有碳化娃外延层 的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;
[0062] (6. 4)缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
[0063] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合 适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基区缓变掺杂碳化硅薄膜外延制备方法，其特征在于： 所述制备方法包括以下步骤： (1) 将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空； (2) 向反应室通入H2直至反应室气压到达lOOmbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量 逐渐增至60L/min，继续向反应室通气； (3) 打开高频线圈感应加热器RF，逐渐增大该加热器的功率，当反应室温度升高逐渐 至1400°C进行原位刻蚀； (4) 当反应室温度到达到1580°C -1600°C时，保持温度和压强恒定，向反应室通入C3H8 和SiH4，生长缓冲层；缓冲层生长结束后，设置N2流量，生长低掺杂的集电区；集电区生长结 束后，设置A1流量，生长双层阶梯掺杂的基区，其中第一层低掺缓变区，第二层为高掺杂； 最后，设置N 2流量，生长高掺杂的发射区； (5) 当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片在氢 气流中降温； (6) 当温度降低到700°C以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底 片在氩气环境下自然冷却到室温。
【文档编号】C30B25/20GK104264219SQ201410350129
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】王悦湖, 胡继超, 宋庆文, 张艺蒙, 张玉明 申请人:西安电子科技大学