CN104867818B - 一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法 - Google Patents

一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，涉及半导体器件技术领域；包括如下步骤：（1） 衬底准备：选取碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用；（2） 初步外延生长：在碳化硅衬底上用化学气相沉积法进行初步外延生长较薄外延层；（3）原位退火：切断外延生长源，对设备反应室抽真空，在1650℃～2000℃条件下，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理；（4） 再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，进行再外延生长，至所需厚度。本发明能够显著减小外延层中的残余应力，有效减少衬底传播外延层中缺陷，获取缺陷密度小的高质量碳化硅外延材料。

Description

一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域。
背景技术
与硅和砷化镓为代表的传统半导体材料相比，碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，具有高热导率、高击穿电场、高饱和电子漂移速率和高键合能等突出优点，其优异的性能能够满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐射等方面的要求。
碳化硅体材料的质量和表面还不能够满足直接制造器件的要求，而在SiC晶圆表面外延生长的碳化硅外延层具有更高的质量，其电学性能优于SiC晶圆，且其浓度可控性和可重复性更好。外延生长碳化硅的方法有很多种，其中化学气相沉积法（CVD）生长技术由于其可重复性好，薄膜质量好和生产效率相对较高等优势，成为目前大批量生产SiC外延薄膜所广泛使用的方法。外延过程中，SiC衬底中的部分位错缺陷会延伸至外延层中，因此SiC外延材料中仍然存在数种位错缺陷。材料体内的结晶缺陷还会导致SiC外延层表面生成表面形貌缺陷，如“三角形”缺陷、“胡萝卜”缺陷等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法,能够显著减小外延层中的残余应力，有效减少衬底传播外延层中缺陷，获取缺陷密度小的高质量碳化硅外延材料。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，包括如下步骤：
（1） 衬底准备：选取碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用；
（2） 初步外延生长：在碳化硅衬底上用化学气相沉积法进行初步外延生长较薄外延层；
（3）原位退火：切断外延生长源，对设备反应室抽真空，在1650～2000℃条件下，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理；
（4） 再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，进行再外延生长，至所需厚度。
进一步的技术方案，步骤（2）中初步外延生长的较薄外延层的厚度为1μm～10μm。
进一步的技术方案，所述步骤（2）或步骤（4）中的外延生长温度为1300℃～1650℃，外延生长压力为100mbar～900mbar，载气氢气流量为5 slm～60slm。
进一步的技术方案，所述步骤（3）中的退火时间为0.5h～5h。
进一步的技术方案，所述步骤（2）中外延生长时间1min～60min。
进一步的技术方案，所述步骤（4）中加入不同流量的HCl气体，以减少杂质对外延片的玷污。
进一步的技术方案，所述步骤（2）或步骤（4）中碳生长源为丙烷、乙烯、一氯甲烷的一种或组合。
进一步的技术方案，所述步骤（2）或步骤（4）中硅生长源为硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷的一种或组合。
进一步的技术方案，所述步骤（2）或步骤（4）中N型掺杂源为氮气，P型掺杂源为三甲基铝。
进一步的技术方案，所述步骤（2）或步骤（4）中P型掺杂源为三甲基铝。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明首先进行初步外延生长，生长较薄外延层，再在真空条件下将外延薄膜加热至高温，进行退火，其内原子可进行扩散和重新排列，由此引发位错的移动，从而减小SiC材料中的残余应力，有效减少衬底传播外延层中缺陷；生长较薄外延层及退火处理后，再进行再外延生长至所需厚度，避免衬底中缺陷向外延层延伸，从而获取缺陷密度小的高质量碳化硅外延材料。
附图说明
图1是本发明加温曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
（1） 衬底准备，选取4寸偏<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用。
（2） 将碳化硅衬底放进CVD设备反应室并抽真空至<5×10-6 mbar。
（3） 初步外延生长：在载气氢气流量60slm和压力100mbar的条件下升温至1600℃，通入硅烷生长源流量15 sccm，丙烷生长源流量5 sccm，外延生长时间10 min，掺杂氮气流量50sccm。
（4） 原位退火：切断外延生长源，对CVD设备腔体抽真空，温度升温至1700℃并保温1h，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理。
（5） 再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，自然降温至外延生长温度，进行再外延生长。外延生长温度1600℃，外延生长压力100mbar，载气氢气流量60slm，硅烷流量30sccm，丙烷流量10 sccm，外延生长时间120 min，获得厚SiC外延材料。
实施例2：
（1）衬底准备，选取4寸偏<11-20>方向8°的(000-1)碳面碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用。
（2）将碳化硅衬底放进CVD设备反应室并抽真空至<5×10-6 mbar。
（3）初步外延生长：在载气氢气流量60slm和压力100mbar的条件下升温至1600℃，通入硅烷生长源流量30 sccm，丙烷生长源流量10sccm，外延生长时间20 min，掺杂氮气流量200 sccm。
（4）原位退火：切断外延生长源，对CVD设备腔体抽真空，温度升温至1800℃并保温0.5h，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理。
（5）再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，自然降温至外延生长温度，进行再外延生长。外延生长温度1600℃，外延生长压力100mbar，载气氢气流量60slm，硅烷流量90sccm，丙烷流量30 sccm，HCl流量300sccm，外延生长时间180 min，获得厚SiC外延材料。
实施例3：
（1） 衬底准备，选取4寸偏<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用。
（2） 将碳化硅衬底放进CVD设备反应室并抽真空至<5×10-6 mbar。
（3） 初步外延生长：在载气氢气流量5slm和压力100mbar的条件下升温至1300℃，通入硅烷生长源流量15 sccm，丙烷生长源流量5 sccm，外延生长时间60 min，掺杂氮气流量50sccm。
（4） 原位退火：切断外延生长源，对CVD设备腔体抽真空，温度升温至1650℃并保温0.5h，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理。
（5） 再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，自然降温至外延生长温度，进行再外延生长。外延生长温度1300℃，外延生长压力100mbar，载气氢气流量5slm，硅烷流量30sccm，丙烷流量10 sccm，外延生长时间120 min，获得厚SiC外延材料。
实施例4：
（1） 衬底准备，选取4寸偏<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用。
（2） 将碳化硅衬底放进CVD设备反应室并抽真空至<5×10-6 mbar。
（3） 初步外延生长：在载气氢气流量60slm和压力100mbar的条件下升温至1650℃，通入硅烷生长源流量15 sccm，丙烷生长源流量5 sccm，外延生长时间60 min，掺杂氮气流量50sccm。
（4） 原位退火：切断外延生长源，对CVD设备腔体抽真空，温度升温至2000℃并保温5h，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理。
（5） 再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，自然降温至外延生长温度，进行再外延生长。外延生长温度1650℃，外延生长压力100mbar，载气氢气流量60slm，硅烷流量30sccm，丙烷流量10 sccm，外延生长时间120 min，获得厚SiC外延材料。
如图1所示，一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法的加温曲线示意图，外延生长时，生长温度为1300℃～1650℃，外延生长后温度升温至1650℃～2000℃进行原位退火，使外延层原子进行扩散和重新排列，引发位错的移动，减小SiC材料中的残余应力，然后进行再外延生长。本发明能够有效减少衬底传播外延层中缺陷，获取缺陷密度小的高质量碳化硅外延材料。

Claims (10)

1.一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1） 衬底准备：选取碳化硅衬底，对其进行标准清洗待用；
（2） 初步外延生长：在碳化硅衬底上用化学气相沉积法进行初步外延生长较薄外延层；
（3） 原位退火：切断外延生长源，对设备反应室抽真空，在1650℃～2000℃条件下，对步骤（2）外延后的样品进行退火处理；
（4） 再外延生长：对步骤（3）退火后的样品，进行再外延生长，至所需厚度。
2.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于步骤（2）中初步外延生长的较薄外延层的厚度为1μm～10μm。
3.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（2）或步骤（4）中的外延生长温度为1300℃～1650℃，外延生长压力为100 mbar～900mbar，载气氢气流量为5 slm～60slm。
4.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（3）中的退火时间为0.5h～5h。
5.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（2）中外延生长时间1min～60min。
6.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（4）中加入不同流量的HCl气体。
7.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（2）或步骤（4）中碳生长源为丙烷、乙烯、一氯甲烷的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（2）或步骤（4）中硅生长源为硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷的一种或组合。
9.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（2）或步骤（4）中N型掺杂源为氮气。
10.根据权利要求1所述的一种减少碳化硅外延材料缺陷的方法，其特征在于所述步骤（2）或步骤（4）中P型掺杂源为三甲基铝。
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