專利名稱：一種碳化硅同質(zhì)pin微結(jié)構(gòu)材料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬禁帶半導(dǎo)體外延材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳化硅同質(zhì) PIN微結(jié)構(gòu)材料及其制作方法。
背景技術(shù)：
碳化硅是一種優(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)體材料，它具有高的載流子遷移率和擊穿電場， 化學(xué)惰性好，耐高溫，抗輻射，在大功率電力電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，因此，設(shè)計(jì)和制 作基于同質(zhì)碳化硅的材料和器件具有重要現(xiàn)實(shí)意義。PIN結(jié)構(gòu)的碳化硅材料除了具有常規(guī)PIN性能外，還能根據(jù)I型本征層和P+帽層 的特別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度及更高頻率的開關(guān)速度?，F(xiàn)有制作碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的方法需要在I型層通過離子注入的方法制 備P型層，具體為先將I型層熱氧化形成二氧化硅掩膜，將掩膜刻蝕出圖形，然后將一定劑 量的鋁離子注入到相應(yīng)I型層，最后將整個(gè)碳化硅材料置于退火爐進(jìn)行退火，目的是激活 注入的鋁離子摻雜劑，從而制備出電學(xué)性能穩(wěn)定的P型層?，F(xiàn)有技術(shù)在I型層和N型襯底之間采用的是突變N—緩沖層，即外延緩沖層時(shí)通入 微量N型摻雜劑，隨后關(guān)閉N型摻雜劑進(jìn)行I型層外延，這使得N型襯底與緩沖層之間、緩 沖層與I型層之間存在摻雜突變。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不使用離子注入而采用原位摻雜，可以避免因離子注入 帶來的碳化硅材料晶格損傷，并且P型層摻雜更均勻、可控，采用緩變N_緩沖層有利于優(yōu) 化N型襯底與緩沖層之間、緩沖層與I型層之間的電流電壓特性，從而取得更理想的電學(xué)性 能。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料及其制作 方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，包括N型碳化硅襯底；位于該N型碳化硅襯底上的N—變濃度緩沖層；位于該N—變濃度緩沖層上的本征層；以及位于該本征層上的P+帽層。上述方案中，所述N型碳化硅襯底為N型六方相、棱方相或立方相碳化硅單晶體材 料，載流子濃度大于或等于IOw數(shù)量級。上述方案中，所述N—變濃度緩沖層的厚度小于或等于10微米，摻雜濃度隨背離襯底的方向線性遞減，靠近襯底表面處摻雜濃度小于或等于IO17數(shù)量級，靠近本征層表面處 摻雜濃度小于或等于IO15數(shù)量級。上述方案中，所述本征層的背景摻雜濃度小于或等于IO15數(shù)量級，厚度大于或等 于所述N—變濃度緩沖層的厚度。上述方案中，所述P+帽層的厚度小于或等于150納米，其中P型載流子濃度大于 或等于IOw數(shù)量級。上述方案中，所述N—變濃度緩沖層、本征層和P+帽層三者的晶型、取向與所述N型 碳化硅襯底一致。一種碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法，該方法包括采用氫氣刻蝕N型碳化硅；采用低壓化學(xué)氣相沉積方法在N型碳化硅上依次外延生長N—變濃度緩沖層和本 征層；以及對外延生長的本征層進(jìn)行P+摻雜。上述方案中，所述采用氫氣刻蝕N型碳化硅的步驟中，采用的刻蝕壓力為40毫 托 100托，溫度為1350 1550°C，氫氣流量為5 20標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，刻蝕時(shí)間為10 60分鐘。上述方案中，所述采用低壓化學(xué)氣相沉積方法在N型碳化硅上外延生長N—變濃度 緩沖層時(shí)，生長壓力為40毫托 100托，生長溫度為1500 1550°C，在低于生長溫度20 50°C時(shí)通入流量為1 10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，襯底 以5 20°C /分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、硅原子摩爾比為1 2的比例通入硅源， 所用硅源為含硅的無氧高純氣體，緩沖層生長時(shí)氫氣流量為5 20標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘；非故意 摻雜時(shí)外延層電學(xué)性能表現(xiàn)為N"型，隨著外延時(shí)間的持續(xù)，N—型外延層非故意摻雜效果越 來越弱，外延層導(dǎo)電性趨向I型本征層的導(dǎo)電性，這樣就在N型襯底和隨后的I型層之間制 作了一個(gè)N"型變濃度緩沖層。上述方案中，所述采用低壓化學(xué)氣相沉積方法在N型碳化硅上外延生長本征層 時(shí)，生長條件同N—變濃度緩沖層的生長條件，生長時(shí)間是N—變濃度緩沖層生長時(shí)間的2倍 及以上。上述方案中，所述對外延生長的本征層進(jìn)行P+摻雜的步驟中，生長條件同N—變濃 度緩沖層的生長條件，所用摻雜劑為含硼的無氧高純氣體或含鋁的有機(jī)源。(三)有益效果1)、本發(fā)明能制備表面光亮、電阻率均勻的SiC外延材料，其本征外延層背景載流 子濃度可低至IO15數(shù)量級，適用于半導(dǎo)體大功率電子電力器件。2)、緩沖層是一個(gè)摻雜濃度線性漸變層，在N型襯底和本征層之間引入一個(gè)緩變 過渡層，有利于承受更高的功率密度；3)、采用原位P型重?fù)诫s，有利于帽層的單晶完整無注入缺陷，提高電接觸性能；4)、P+帽層厚度很小，在保證P型歐姆接觸良好的前提下，有利于減少空穴遷移長 度，提高開關(guān)速度。


圖1是本發(fā)明提供的制作碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的工藝示意圖；圖2是本發(fā)明提供的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的AFM形貌示意圖；圖3是本發(fā)明提供的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的示意圖；圖4是本發(fā)明提供的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的Raman譜。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明是在碳化硅襯底上進(jìn)行同質(zhì)外延制備PIN微結(jié)構(gòu)材料。碳化硅是一種多型 體材料，常見晶型主要分為立方相、棱方相和六方相等幾類晶型。在制備碳化硅過程中容易 引入其它碳化硅晶型或由于化學(xué)配比不均勻引入硅滴、碳叢集，形成夾雜，造成材料缺陷。本發(fā)明通過優(yōu)化工藝方法制備出無夾雜的、表面光滑無缺陷的碳化硅單晶PIN微 結(jié)構(gòu)材料，具體步驟為先將碳化硅襯底在高溫下經(jīng)氫氣刻蝕，以進(jìn)一步清除表面自然氧化 層及化學(xué)機(jī)械拋光引入的劃痕；然后在一定生長壓力及溫度下按一定比例通入碳源和硅源 進(jìn)行低壓化學(xué)氣相沉積外延生長緩沖層和本征層，其中本征層生長時(shí)間是緩沖層生長時(shí)間 的2倍及以上；最后通入P型摻雜劑進(jìn)行P+帽層生長，控制生長時(shí)間保證P+帽層厚度不大 于150納米。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制作碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的工藝示意圖， 包括以下步驟1)、準(zhǔn)備碳化硅襯底，化學(xué)拋光外延生長表面，采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗干凈后置于 低壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在氫氣氛下升溫(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間50)；2)、襯底表面升溫到指定溫度，對襯底進(jìn)行氫氣刻蝕(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間60)；3)、刻蝕結(jié)束后繼續(xù)升溫至緩沖層生長溫度(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間70)，然后按一 定比例通入碳源130和硅源140進(jìn)行緩沖層的生長(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間80)，其中碳源 130在略低于生長溫度時(shí)先行通入；4)、不改變工藝條件，進(jìn)行本征層的生長(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間90)，生長時(shí)間是緩 沖層生長(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間80)時(shí)間的2倍及以上；5)、本征層生長(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間90)結(jié)束后，通入P型摻雜劑150進(jìn)行P+帽 層生長(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間100)，控制生長時(shí)間保證P+帽層厚度不大于150納米。整個(gè) 過程保持相同的壓力和氫氣流量120，直至生長結(jié)束(對應(yīng)于圖1中的區(qū)間110)。實(shí)施例采用單晶4H_SiC襯底，其Si(OOOl)表面朝<1120〉方向偏8°，經(jīng)過化學(xué)拋光處 理，清洗干凈后放入低壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入氫氣，保持壓力為40托，升溫至1350°C 后保溫，用氫氣對襯底表面進(jìn)行刻蝕拋光，刻蝕30分鐘。然后以40°C /分鐘的升溫速率升溫 至1500°C，通入Isccm流量的乙烯，當(dāng)襯底表面升溫至1550°C時(shí)，通入Isccm流量的硅烷， 保持溫度不變，生長180分鐘，完成緩沖層和本征層的生長。保持生長條件不變，通入kccm 流量的硼烷進(jìn)行P+帽層生長，時(shí)間為3分鐘。依次關(guān)閉硼烷、硅烷和乙烯，在氫氣氛下自然 降溫。整個(gè)過程壓力保持在40托，氫氣流量為3000sCCm，直至生長結(jié)束。所制備的PIN材料表面形貌如圖2所示，表面光滑，其表粗糙度為0. 24納米。制備的PIN材料晶體結(jié)構(gòu)如 圖3所示，材料為4H-SiC單晶相，無其它夾雜相，結(jié)晶質(zhì)量高。圖4示出了碳化硅PIN微結(jié) 構(gòu)材料的Raman譜。 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，包括N型碳化硅襯底；位于該N型碳化硅襯底上的N—變濃度緩沖層；位于該N—變濃度緩沖層上的本征層；以及位于該本征層上的P+帽層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，所述N型碳化硅襯 底為N型六方相、棱方相或立方相碳化硅單晶體材料，載流子濃度大于或等于IO18數(shù)量級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，所述N—變濃度緩 沖層的厚度小于或等于10微米，摻雜濃度隨背離襯底的方向線性遞減，靠近襯底表面處摻 雜濃度小于或等于IO17數(shù)量級，靠近本征層表面處摻雜濃度小于或等于IO15數(shù)量級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，所述本征層的背景 摻雜濃度小于或等于IO15數(shù)量級，厚度大于或等于所述N—變濃度緩沖層的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，所述P+帽層的厚 度小于或等于150納米，其中P型載流子濃度大于或等于IO18數(shù)量級。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，所述N—變濃度緩 沖層、本征層和P+帽層三者的晶型、取向與所述N型碳化硅襯底一致。
7.一種碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法，其特征在于，該方法包括采用氫氣刻蝕N型碳化硅；采用低壓化學(xué)氣相沉積方法在N型碳化硅上依次外延生長N_變濃度緩沖層和本征層；以及對外延生長的本征層進(jìn)行P+摻雜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法，其特征在于，所述 采用氫氣刻蝕N型碳化硅的步驟中，采用的刻蝕壓力為40毫托 100托，溫度為1350 1550°C，氫氣流量為5 20標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，刻蝕時(shí)間為10 60分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法，其特征在于，所述采 用低壓化學(xué)氣相沉積方法在N型碳化硅上外延生長N—變濃度緩沖層時(shí)，生長壓力為40毫 托 100托，生長溫度為1500 1550°C，在低于生長溫度20 50°C時(shí)通入流量為1 10 標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，襯底以5 20°C /分鐘的速率 加熱至生長溫度；按碳、硅原子摩爾比為1 2的比例通入硅源，所用硅源為含硅的無氧高 純氣體，緩沖層生長時(shí)氫氣流量為5 20標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘；非故意摻雜時(shí)外延層電學(xué)性能表 現(xiàn)為N—型，隨著外延時(shí)間的持續(xù)，N—型外延層非故意摻雜效果越來越弱，外延層導(dǎo)電性趨向 I型本征層的導(dǎo)電性，這樣就在N型襯底和隨后的I型層之間制作了一個(gè)N—型變濃度緩沖 層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法，其特征在于，所述 采用低壓化學(xué)氣相沉積方法在N型碳化硅上外延生長本征層時(shí)，生長條件同N—變濃度緩沖 層的生長條件，生長時(shí)間是N—變濃度緩沖層生長時(shí)間的2倍及以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳化硅同質(zhì)PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法，其特征在于，所述 對外延生長的本征層進(jìn)行P+摻雜的步驟中，生長條件同N_變濃度緩沖層的生長條件，所用 摻雜劑為含硼的無氧高純氣體或含鋁的有機(jī)源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅PIN微結(jié)構(gòu)材料，包括N型碳化硅襯底；位于該N型碳化硅襯底上的N-變濃度緩沖層；位于該N-變濃度緩沖層上的本征層；以及位于該本征層上的P+帽層。本發(fā)明同時(shí)公開了一種碳化硅PIN微結(jié)構(gòu)材料的制作方法。本發(fā)明能制備表面光亮、電阻率均勻的SiC外延材料，其本征外延層背景載流子濃度可低至1015數(shù)量級，適用于半導(dǎo)體大功率電子電力器件。
文檔編號H01L21/18GK102064187SQ20091023784
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者劉興昉, 吳海雷, 孫國勝, 曾一平, 李晉閩, 楊挺, 王雷, 趙萬順, 閆果果 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所