CN102037164B - 在低度偏轴碳化硅基片上的外延生长及利用其制造的半导体器件 - Google Patents

在低度偏轴碳化硅基片上的外延生长及利用其制造的半导体器件 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种在单晶SiC基片上外延生长SiC层的方法。该方法包括在隔室中将单晶SiC基片加热至至少1400℃的第一温度，向该隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和在SiC基片的表面上外延生长SiC层。SiC基片以至少30℃/分钟的速率被加热至第一温度。SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1°～3°的角度倾斜。

Description

在低度偏轴碳化硅基片上的外延生长及利用其制造的半导体器件
本说明书中所使用的章节标题仅出于组织目的，不应认为其以任何方式限制本文所述主题。
技术领域
本申请主要涉及在单晶SiC基片上外延生长SiC层的方法和使用这些方法制造的半导体器件。
背景技术
碳化硅具有使其成为适于应用的优异的半导体材料的性质，所述应用涉及高温、大功率、高辐射和/或高频率。有助于这些高级性能的性质为其较大的带隙、优异的物理稳定性、高导热性、高击穿场强和高饱和电子漂移速度。由SiC制造的半导体器件能够在高于600℃的温度工作。
SiC出现在称作多型体的许多不同的晶体结构中。SiC多型体通过堆叠双层的Si和C原子而形成。双层的各层可以设置在由A、B和C表示的三个位置之一。堆叠顺序确定特定的多型体。存在一种称作3C或β-SiC的立方多型体。其具有三层重复序列ABC。所有其它多型体都被称为α-SiC，并具有六角形或菱形体结构。六角形4H-SiC多型体具有四层重复序列ABCB。六角形6H-SiC多型体具有六层重复序列ABCACB。对于α-SiC多型体而言，(0001)面称作基面，并且该面垂直于晶体c轴方向。
SiC的外延生长可见于以下参考文献：美国专利第7,247,513号和参考文献[8]和[10]。α-SiC的均相外延生长已经在基片的偏轴表面(即，与基片的基面呈一定角度的表面)上进行过。例如，美国专利第4,912,064号、第5,011,549号和第5,248,385号公开了SiC膜以非零度偏轴角在6H-SiC基片上的均相生长。公开了以非零度偏轴角在基片表面上外延生长SiC的其它参考文献包括：参考文献[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[9]和[11]。但是，由于需要将单晶晶锭(boule)偏轴于晶体生长方向(即c方向)切片，因此偏轴基片的使用导致浪费。随着晶片直径的增加，这可导致昂贵的单晶晶锭的大量浪费。
因此，仍然存在对于在基片上外延生长SiC层的改进方法的需求，所述改进方法应具备成本效益并且可产生具有低缺陷密度的SiC层。
发明内容
提供了一种方法，所述方法包括：
在隔室中将单晶SiC基片加热至第一温度；
向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和
于第一温度在SiC基片的表面上外延生长SiC层；
其中第一温度为至少1400℃，其中SiC基片以至少30℃/分钟的速率加热至第一温度，并且其中SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1°～3°的角度倾斜。
还提供了一种方法，所述方法包括：
在隔室中将单晶SiC基片加热至至少为1400℃的第一温度；
向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和
在所述SiC基片的表面上外延生长SiC层；
其中SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1°～3°的角度倾斜；
其中所述载气、含硅气体和含碳气体各自在外延生长过程中以恒定流速引入所述隔室中；并且
其中所述气体各自的恒定流速在将任何所述气体引入所述隔室中的10分钟内确立。
所述方法还可以包括在SiC基片上生长的SiC层上外延生长一层或多层另外的SiC层。
还提供了可通过上述方法制得的半导体器件。
本教导的这些和其它特征如本说明书中所述。
附图说明
本领域技术人员将会理解，以下所述的附图仅出于说明目的。附图并不意在以任何方式限制本教导的范围。
图1A～1F是与基面偏轴2°切割的SiC基片的交叉极化图(cross polarimage)。
图2A～2D是在与基面偏轴2°切割的SiC基片上于不同工艺条件下外延生长的SiC层的光学显微镜图。
具体实施方式
出于解释本说明书的目的，除非另有说明或使用“和/或”明显不合适，否则此处使用的“或”指“和/或”。除非另有说明或使用“一种以上”明显不合适，否则此处使用的“一种”指“一种或多种”。“包括”和“包含”的使用是可互换的，并且并非意在限制。此外，当一个或多个实施方式的描述使用术语“包括”时，本领域技术人员将会理解，在某些具体实例中，作为另外一种选择，所述实施方式可以使用短语“主要由……构成”和/或“由……构成”来描述。还应理解，在某些实施方式中，步骤的顺序或执行某些行为的顺序并不重要，只要本教导保持可行即可。此外，在某些实施方式中，两个以上的步骤或行为可以同时进行。
提供了一种方法，所述方法包括：在隔室中将单晶SiC基片加热至至少1400℃的温度(例如1570℃～1575℃)，向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体；和在所述SiC基片的表面上外延生长SiC层。SiC基片以至少30℃/分钟的速率被加热至至少1400℃的温度。SiC基片的表面以相对于基片材料的基面呈1°～3°的角度倾斜。
根据一些实施方式，载气、含硅气体和含碳气体各自在外延生长过程中以基本恒定的流速(例如，以变化不超过+/-5％的流速)引入所述隔室中，并且这些气体各自的基本恒定的流速在将所述载气、含硅气体或含碳气体中的任何气体引入所述隔室中的10分钟内(例如，6分钟内)确立。
根据一些实施方式，载气可以是H2，含硅气体可以是SiH4，含碳气体可以是C3H8。
可以选择在外延生长过程中气体进入所述隔室中的流速，以产生所需的特性。根据一些实施方式，H2气体可以以50slm～75slm的流速引入所述隔室，SiH4气体可以以30sccm～40sccm的流速引入所述隔室，C3H8可以以15sccm～20sccm的流速引入所述隔室。根据一些实施方式，含硅气体和含碳气体可以被引入所述隔室中以使在外延生长过程中所述隔室中的碳与硅的原子比为1.4～1.6。
根据一些实施方式，在外延生长过程中也可以引入HCl气体。
根据一些实施方式，在外延生长过程中所述隔室中的压力可以为90毫巴～110毫巴。
根据一些实施方式，SiC基片的表面可以以相对于基片材料的(0001)面(即，基面)呈1°～3°的角度倾斜。例如，SiC基片的表面可以以相对于基片材料的(0001)面呈1°～3°的角度向[1120]方向之一倾斜。
根据一些实施方式，基片可以是4H SiC基片。
根据一些实施方式，基片和外延生长层的总缺陷数可以＜40cm-2。根据一些实施方式，在光学表面光度仪中测量的外延生长层的平均表面粗糙度可以是15埃以下。
根据一些实施方式，所述方法可以包括在基片上外延生长的SiC层上外延生长一个以上另外的SiC层。
还提供了通过上述方法制得的半导体器件。
实验
使用10个与基面偏轴约2°切割的3英寸、350μm的4H SiC基片，该基片具有epi ready(开盒即用)制备的Si面。在这些基片上进行外延生长。
这些实验中使用的基片具有以下性质。
Figure BPA00001258047600041
利用Nomarski相衬技术在光学显微镜下检查基片，下表中提供了结果汇总。
Figure BPA00001258047600051
拍摄交叉极化图像。基片晶片1～6的交叉极化图像分别显示在图1A～1F中。
在3英寸的2°偏轴基片上的反应器中进行6次试验。试验1利用用于在4°偏轴基片上外延生长SiC的标准条件并包括HCl气体。试验2～4采用略微修改的工艺条件检查外延层表面形态的工艺参数的效果。试验5～6选择试验1～4中最佳工艺条件之一(即，试验2)并修改加热和初始生长程序。
这些试验各自的详细工艺列在下表中。
Figure BPA00001258047600052
在上表中，“sccm”指“标准立方厘米/分钟”，“slm”指“标准立方升/分钟”。对于试验5，低前体流的初始生长(低生长速率)被延长至较长时间(即，与10分钟相比，其为27分钟)。对于试验6，加热时间从60分钟缩减至42分钟，并且低前体流的初始生长(即，在稳定的工序气流确立之前)为5分钟。
下表中给出了表面粗糙度和缺陷数信息。
Figure BPA00001258047600061
典型的显微镜图像提供在图2A～2D中。图2A是试验2的外延片的图像。图2B是试验4的外延片的图像。图2C是试验6的外延片的图像。图2D是试验5的外延片的图像。
对于使用相同加热和初始生长程序的试验(即，试验1～4)，在略低的温度下获得最佳表面。然而，如果温度降低过多，则容易因低偏轴基片而出现大量三角形缺陷。
试验5和试验6的结果显示，较快的加热和从初始生长至稳定生长条件的快速转变可改善表面粗糙度和缺陷数。试验5在工序开始的较长时间内表现出非常缓慢的生长。试验6表现出较快的加热和短时间的初始生长。与试验6相比，试验5表现出高得多的缺陷数和表面粗糙度值。
虽然不希望受限于理论，但是似乎需要在稳定生长之前抑制有害的蚀刻。
以上实验结果可以总结如下。
在2°偏轴基片上生长的外延层比在较高(即，4°)偏轴基片上生长的外延层更粗糙且显示出更多三角形缺陷。在研究反应器中使用标准工艺条件，对于2°偏轴基片，Zygo测量的表面粗糙度Ra从11.7埃升至23.4埃，并且三角形数从每晶片低于5个增至超过40个。
略低的温度似乎可将表面粗糙度改善为18埃，并且三角形缺陷数不会明显改变。但是进一步降低温度则可能会导致较高的三角形数。
加热和初始生长程序也可以影响表面粗糙度和缺陷数。利用较快的加热和较快由初始生长转变为稳定生长的程序，表面粗糙度可改善为13埃，同时缺陷数也减少。
在较小角度的基片上的外延生长估计表面粗糙度会变差且三角形缺陷数较高。在2°外延材料上的总缺陷数(即，外延和基片的缺陷)为15cm-2～35cm-2。
虽然上述说明教导了本发明的原理且出于说明目的而提供了实例，但是本领域技术人员通过阅读此公开内容将会了解，可以进行形式和细节的各种变化，而不脱离本发明的真正范围。
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Claims (14)

1.一种在单晶SiC基片上外延生长SiC层的方法，所述方法包括：
在隔室中将单晶SiC基片加热至至少为1400℃的第一温度；
向所述隔室中引入载气、含硅气体和含碳气体，其中，所述载气、所述含硅气体和所述含碳气体各自在外延生长过程中以恒定流速引入所述隔室中，并且其中所述气体各自的恒定流速在将任何所述气体引入所述隔室中的10分钟内确立；和
在所述SiC基片的表面上外延生长SiC层；
其中所述SiC基片以至少30℃/分钟的速率被加热至所述第一温度；并且
其中所述SiC基片的所述表面以相对于所述基片材料的(0001)基面呈1°～3°的角度倾斜。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度为1570℃～1575℃。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述载气为H2，所述含硅气体为SiH4，并且其中所述含碳气体为C3H8。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述H2气体以50slm～75slm的流速引入所述隔室，所述SiH4气体以30sccm～40sccm的流速引入所述隔室，并且所述C3H8以15sccm～20sccm的流速引入所述隔室。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在外延生长过程中将HCl气体引入所述隔室中。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在外延生长过程中所述隔室中的压力为90毫巴～110毫巴。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片为4H SiC基片。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述SiC基片的所述表面以相对于4H SiC基片材料的(0001)面呈1°～3°的角度向[1120]方向倾斜。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述含硅气体和所述含碳气体被引入所述隔室中，使得在外延生长过程中所述隔室中的碳与硅的原子比为1.4～1.6。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片和外延生长层的总缺陷数＜40cm-2。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述外延生长层的平均表面粗糙度以光学表面光度仪测量为15埃以下。
12.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述SiC基片上外延生长的所述SiC层上外延生长一层或多层另外的SiC层。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述恒定流速在外延生长过程中的变化不超过5％。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述气体各自的恒定流速在将任何所述气体引入所述隔室中的6分钟内确立。
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