專利名稱：提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜均勻性的方法
技術領域：
本發(fā)明提出的是ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜均勻性的方法，提高外延エ藝的重復性。屬于半導體材料技術領域。
背景技術：
電カ電子技術是能源與電能變換領域的核心技術，能源的高效率轉化是實現節(jié)能、環(huán)保、低碳經濟的重要原動力，能源高效率轉換高壓大容量電カ電子器件是其中的關鍵元件和基礎；長期以來，硅器件幾乎在所有的電カ電子系統(tǒng)的應用中占有統(tǒng)治地位；毫無疑問，成熟的エ藝技術是硅器件的最大的優(yōu)勢；但是，硅器件的性能已經接近由其材料特性決定的理論極限，通過繼續(xù)完善硅器件來提高電カ電子裝置與系統(tǒng)性能的潛カ已十分有限；為了進一步提高能源轉換效率，保證我國節(jié)能減排國策在能源領域有效自主地實施，我國有著發(fā)展新型高壓大容量功率器件的迫切需求；碳化硅(SiC)作為新型半導體材料，具有非常優(yōu)異的材料特性；SiC的禁帶寬度將近是硅的3倍，可以大幅度提高器件的工作溫度；SiC的擊穿場強比硅高ー個數量級，SiC器件的外延材料有較小的厚度和更高摻雜濃度，大大降低器件的導通電阻；SiC還具有比硅高3倍的熱導率，SiC器件可以在溫度更高的環(huán)境下長時間穩(wěn)定地工作；另外，SiC的飽和電子漂移速率是硅的2倍以上，器件能夠工作于更高的頻率；總而言之，SiC電カ電子器件可以實現比硅功率器件更加優(yōu)越的性能，被譽為帶動“新能源革命”的“緑色能源”器件，將為電力電子技術帶來革命性的巨變；其中碳化硅肖特基勢壘ニ極管(SiC SBD)具有很高的額定阻斷電壓，井能提供非常低的導通電阻和極低的開關損耗；在開關電源的應用中，能夠在保證功率因數校正(PFC)效率的同時顯著提高開關頻率，從而大大縮小系統(tǒng)中電感的尺寸；使用SiC SBD還大幅度降低了熱量的產生，顯著減小了熱沉的體積。無源器件尺寸和熱沉體積的縮小彌補了 SiC器件本身成本較高的不足，降低了開關電源的最終成本。碳化硅電カ電子器件所用外延材料一般由多層外延層組成，比如碳化硅肖特基勢壘ニ極管結構外延材料為了保證高的阻斷電壓，需要高阻厚層外延，同時為了緩解N+襯底和高阻厚度外延之間由于摻雜濃度不同帶來的晶格失陪，需要在襯底和高阻厚層外延之間加入緩沖層；在高外延速率下，實現緩沖層所需摻雜濃度勢必需要加大氮氣流量，因此會造成較強的背景記憶效應；相同的外延エ藝的條件下，外延材料溝道層摻雜濃度會隨著爐數増加逐漸上漂，導致批次間摻雜濃度均勻性下降；如果要消除該記憶效應，需要進行長時間的烘烤，導致エ藝時間變長，降低產能。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出的是ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜均勻性的方法，其目的g在針對如何改善碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性。碳化硅n型摻雜效率隨著外延生長速率的增加而降低，同時由于競位理論，n型摻雜效率和生長源進氣端的碳硅比成反比，根據以上原理，本發(fā)明采用不同的生長速率和進氣端碳硅比生長每個外延層，有效降低生長高摻層時使用的氮氣流量以及生長高阻厚層外延時的背景記憶效應，提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度的均勻性，為可重復的批次間生長提供技術支持。本發(fā)明的技術解決方案該方法包括如下エ藝步驟
該方法包括如下エ藝步驟
一、選取偏向〈11-20〉方向8。的娃面碳化娃襯底(I),將襯底置于有碳化鉭涂層的石
星基座上；
ニ、系統(tǒng)升溫至1400°C，設置壓カ為lOOmbar，在氫氣流量80L/min、氬氣流量3L/min和丙烷流量10ml/min氣氛下在線對襯底表面進行處理，去除表面的損傷和沾污，處理時間為 溫度從1400°C升溫到實際生長溫度1570°C所需時間在30分鐘之內；
三、當反應室溫度升溫至外延生長溫度1570°C時，通入生長源硅烷及丙烷進行生長，并根據外延層的摻雜濃度及厚度選擇不同的生長源流量、進氣端碳硅比以及摻雜源氮氣流量;
當外延層厚度處于0-1微米區(qū)間，摻雜濃度大于IO18 Cm-3時選用硅烷和丙烷流量分別為5-10ml/min和I. 75-3. 5ml/min，進氣端碳硅比為I. 05，氮氣流量為600-1800ml/min，生長溫度設定為1570°C,反應室壓力IOOmbar,生長時間根據外延層厚度設定；
當外延層厚度處于1-5微米區(qū)間，摻雜濃度位于5X IO16-IO18 cm_3區(qū)間，選用硅烷和丙燒流量分別為10-20ml/min和5-10ml/min,進氣端碳娃比為I. 5,氮氣流量200ml/min至600ml/min,生長溫度設定為1570°C,反應室壓力IOOmbar,生長時間根據外延層厚度設定；當外延層厚度大于5微米，摻雜濃度小于5X IO16時，選用硅烷和丙烷流量分別為20-50ml/min和12-30ml/min,進氣端碳娃比大于等于I. 8,氮氣流量Oml/min至200ml/min,生長溫度設定為1570°C,反應室壓力IOOmbar,生長時間根據外延層厚度設定；
四、在上層碳化硅外延完成生長之后，使用步驟三的方法選擇下ー層碳化硅外延層所用的生長源流量、進氣端碳硅比以及摻雜源氮氣流量，并通過爬坡的方法將生長源及摻雜源調節(jié)至所需要的流量，期間硅烷及氮氣通向排外氣路，丙烷通向反應室，爬坡過程為I分鐘；
五、當生長源及摻雜源爬坡至所需要的流量后，將硅烷及氮氣通入反應室進行碳化硅外延層的生長；
六、根據外延結構的層數重復步驟四和步驟五；
七、在完成所需外延結構生長之后，關閉生長源和摻雜源，降溫。本發(fā)明的優(yōu)點與通常外延技術相比，本發(fā)明根據碳化硅多層結構中每個外延層的厚度及摻雜濃度設定不同的生長速率及進氣端碳硅比，采用低速外延的方法結合降低進氣端碳硅比的方法生長高摻雜濃度的薄層外延，采用高速外延結合提高進氣端碳硅比的方法生長高阻厚層外延，該方法可以降低生長高摻雜濃度外延層時的氮氣流量以及高阻厚層外延層時的背景記憶效應，提高實現多層結構外延材料每ー層外延厚度及摻雜濃度的精確可控，并提高多層結構外延材料外延エ藝的重復性。


附圖I是相同氮氣流量下，碳化硅同質外延層摻雜濃度隨硅烷流量變化示意圖。
附圖2是600V碳化硅肖特基ニ極管結構外延材料示意圖。附圖3是エ藝優(yōu)化前后600V碳化硅肖特基勢壘ニ極管結構外延材料批次間濃度
偏差變化不意圖。附圖4是1200V碳化硅結型場效應晶體管結構外延材料示意圖。
具體實施例方式
對照附圖I，碳化硅外延速率和通入反應室的生長源流量成正比，伴隨硅烷流量的加大，n型摻雜效率伴顯示出下降的趨勢。對照附圖2，其結構是三層結構，SiC襯底l、SiC緩沖層2和SiC溝道層3，其中緩沖層2外延層厚度為0. 5 ii m，摻雜濃度I X IO1W3, SiC溝道層3外延厚度為6 y m，摻雜濃度為 IXlO1W30 對照附圖4，其結構是四層結構，SiC襯底I、SiC緩沖層2和SiC溝道層3，SiC帽層4，其中SiC緩沖層2外延層厚度為I y m,摻雜濃度I X IO1W3, SiC溝道層3外延厚度為12 ii m，摻雜濃度為5 X 1015cm_3，SiC帽層4外延厚度為0. 3 y m，摻雜濃度為I X 1019cm_3。實施例I
提供的在偏向〈11-20〉方向8°的(0001)硅面碳化硅襯底外延生長600V肖特基ニ極管結構外延材料的方法包括以下步驟
1)選擇偏向〈11-20〉方向8°的(0001)硅面4H-SiC導電襯底外延生長，將襯底置于有碳化組涂層的石墨基座上；
2)系統(tǒng)升溫至1400°C，設置壓カ為lOOmbar，在氫氣(流量80L/min)、氬氣(流量3L/min)和丙烷(流量10ml/min)氣氛下在線對襯底表面進行處理，去除表面的損傷和沾污，處理時間為溫度從1400°C升溫到實際生長溫度1570°C所需時間；
3)溫度穩(wěn)定在1570°C，設置壓カ為lOOmbar，通入硅烷和丙烷流量分別為10ml/min和
3.5ml/min,進氣端碳娃比I. 05,通入摻雜劑量為500ml/min的氮氣，生長時間設定為12分鐘，生長0. 5 ii m n型摻雜濃度IO18CnT3的碳化硅緩沖層；
4)將硅烷及氮氣通向排外氣路，并采用爬坡的方法將硅烷、丙烷及氮氣的流量改變至50ml/min、30ml/min和20ml/min,爬坡時間設定為I分鐘,外延溫度及反應室壓力分別穩(wěn)定為 1570°C和 IOOmbar ；
5)當娃燒、丙燒及氮氣的流量通過爬坡流程達到50ml/min、30ml/min和20ml/min后，將硅烷及氮氣通入反應室開始生長，摻雜劑氮氣流量為20ml/min，進氣端碳硅比為I. 8，生長時間設定為30分鐘，外延溫度及反應室壓カ分別穩(wěn)定為1570°C和lOOmbar，生長6 iim n型摻雜濃度IO16CnT3的碳化硅溝道層；
6)關閉生長源和摻雜源，降溫。上述步驟3)中生長源SiHjP C3H8的流量在本實施例中分別為10ml/min和3. 5ml/min，通過低速外延結合降低進氣端碳硅比，能夠有效提高氮氣的摻雜效率，大大降低了生長過渡層時使用的氮氣流量，降低了背景記憶效應，提高了肖特基ニ極管結構外延材料批次間摻雜濃度的均勻性。采用汞探針C-V技術可以測定碳化硅外延薄膜的摻雜濃度。對比常規(guī)エ藝，采用變源流量及C/Si比的方法，將10爐次外延批次間摻雜濃度不均勻性由19. 21%優(yōu)化至3.45%o能夠 有效降低生長過渡層時使用的氮氣流量，降低了背景記憶效應，提高了肖特基二極管結構外延材料批次間摻雜濃度的均勻性，為可重復的批次間生長提供技術支持，外延工藝重復性和一致性好，適合規(guī)模生產。實施例2
提供的在偏向〈11-20〉方向8°的(0001)硅面碳化硅襯底外延生長1200V結型場效應晶體管外延材料的方法包括以下步驟
1)選擇偏向〈11-20〉方向8°的(0001)硅面4H-SiC導電襯底外延生長，將襯底置于有碳化組涂層的石墨基座上；
2)系統(tǒng)升溫至1400°C，設置壓力為IOOmbar，在氫氣(流量80L/min)、氬氣(流量3L/min)和丙烷(流量10ml/min)氣氛下在線對襯底表面進行處理，去除表面的損傷和沾污，處理時間為溫度從1400°C升溫到實際生長溫度1570°C所需時間；
3)溫度穩(wěn)定在1570°C，設置壓力為IOOmbar，通入硅烷和丙烷流量分別為20ml/min和10ml/min,進氣端碳娃比為I. 5,通入摻雜劑量為900ml/min的氮氣，生長時間設定為12分鐘，生長I U m n型摻雜濃度IO18CnT3的碳化硅緩沖層；
4)將硅烷及氮氣通向排外氣路，并采用爬坡的方法將硅烷、丙烷及氮氣的流量改變至50ml/min、30ml/min和20ml/min,爬坡時間設定為I分鐘,外延溫度及反應室壓力分別穩(wěn)定為 1570。。和 IOOmbar ；
5)當娃燒、丙燒及氮氣的流量通過爬坡流程達到50ml/min、30ml/min和20ml/min后，將硅烷及氮氣通入反應室開始生長，進氣端碳硅比為I. 8，外延溫度及反應室壓力分別穩(wěn)定為1570°C和lOOmbar，生長時間設定為60分鐘，生長12 y m n型摻雜濃度5 X 1015cm_3的碳化硅溝道層；
6)將硅烷及氮氣通向排外氣路，并采用爬坡的方法將硅烷、丙烷及氮氣的流量改變至10ml/min、3. 5ml/min和1800ml/min,爬坡時間設定為I分鐘,外延溫度及反應室壓力分別穩(wěn)定為 157CTC和 IOOmbar ；
7)當娃燒、丙燒及氮氣的流量通過爬坡流程達到10ml/min、3.5ml/min和1800ml/min后，將硅烷及氮氣通入反應室開始生長，進氣端碳硅比為I. 05，外延溫度及反應室壓力分別穩(wěn)定為157CTC和IOOmbar,生長時間設定為13分鐘,生長0. 3 y m n型摻雜濃度I X 1019cm_3的碳化硅溝道層；
8)關閉生長源和摻雜源，降溫。該方法能夠有效降低生長過渡層及帽層時使用的氮氣流量，降低了背景記憶效應，提高了結型場效應晶體管結構外延材料批次間摻雜濃度的均勻性，為可重復的批次間生長提供技術支持，外延工藝重復性和一致性好，適合規(guī)模生產。
權利要求
1.一種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是該方法包括如下エ藝步驟 一、選取偏向〈11-20〉方向8。的娃面碳化娃襯底(I),將襯底置于有碳化鉭涂層的石星基座上； ニ、系統(tǒng)升溫至1400°C，設置壓カ為IOOmbar，在H2流量80L/min、Ar流量3L/min和C3H8流量10ml/min氣氛下在線對襯底表面進行處理，去除表面的損傷和沾污，處理時間為溫度從1400°C升溫到實際生長溫度1570°C所需時間在30分鐘之內； 三、當溫度升溫至外延生長溫度1570°C時，通入生長源硅烷及丙烷進行生長，并根據外 延層的摻雜濃度及厚度選擇不同的生長源流量、進氣端碳硅比以及摻雜源氮氣流量； 當外延層厚度處于0-1微米區(qū)間，摻雜濃度大于IO18 cm-3時選用硅烷和丙烷流量分別為5-10ml/min和I. 75-3. 5ml/min，進氣端碳硅比為I. 05，氮氣流量為600-1800ml/min，生長溫度設定為1570°C,反應室壓力IOOmbar,生長時間根據外延層厚度設定； 當外延層厚度處于1-5微米區(qū)間，摻雜濃度位于5X IO16-IO18 cm_3區(qū)間，選用硅烷和丙燒流量分別為10-20ml/min和5-10ml/min,進氣端碳娃比為I. 5,氮氣流量200ml/min至600ml/min,生長溫度設定為1570°C,反應室壓力IOOmbar,生長時間根據外延層厚度設定； 當外延層厚度大于5微米，摻雜濃度小于5X IO16時，選用硅烷和丙烷流量分別為20-50ml/min和12-30ml/min,進氣端碳娃比大于等于I. 8,氮氣流量Oml/min至200ml/min,生長溫度設定為1570°C,反應室壓力IOOmbar,生長時間根據外延層厚度設定； 四、在上層碳化硅外延完成生長之后，使用步驟三的方法選擇下ー層碳化硅外延層所用的生長源流量、進氣端碳硅比以及摻雜源氮氣流量，并通過爬坡的方法將生長源及摻雜源調節(jié)至所需要的流量，期間硅烷及氮氣通向排外氣路，丙烷通向反應室，爬坡過程為I分鐘； 五、當生長源及摻雜源爬坡至所需要的流量后，將硅烷及氮氣通入反應室進行碳化硅外延層的生長； 六、根據外延結構的層數重復步驟四和步驟五； 七、在完成所需外延結構生長之后，關閉生長源和摻雜源，降溫。
2.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是所述硅面碳化硅襯底(I)選自4H、6H的多型碳化硅。
3.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是所述硅面碳化硅襯底(I)為n+導電碳化硅襯底。
4.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅肖特基ニ極管結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征所述外延碳化硅使用硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)作為生長源物質，分別采用氮氣(N2)作為n型摻雜劑。
5.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是根據外延層的摻雜濃度及厚度，每ー層外延選擇不同的生長源流量、進氣端碳硅比以及摻雜源氮氣流量。
6.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是當外延層厚度處于0-1微米區(qū)間，摻雜濃度大于IO18 cm-3時選用硅烷和丙烷流量分別為5-10ml/min和I. 75-3. 5ml/min，進氣端碳硅比為I. 05。
7.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是當外延層厚度處于1-5微米區(qū)間，摻雜濃度位于5X IO16-IO18 cm_3區(qū)間，選用硅烷和丙烷流量分別為10-20ml/min和5_10ml/min，進氣端碳硅比為I. 5。
8.如權利要求I所述的ー種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法，其特征是當外延層厚度大于5微米，摻雜濃度小于5 X IO16時，選用硅烷和丙烷流量分別為20-50ml/min和12-30ml/min,進氣端碳娃比大于等于I. 8。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種提高碳化硅多層結構外延材料批次間摻雜濃度均勻性的方法。以化學汽相淀積生長技術為基礎，對偏向<11-20>方向8°的(0001)硅面碳化硅襯底預處理后，使用純硅烷和純丙烷作為生長源，氫氣作為載氣和稀釋氣體，選擇氮氣作為摻雜劑實現n型摻雜。采用低速外延的方法，并結合低進氣端碳硅比，增加氮氣摻雜效率，采用較低的氮氣流量在碳化硅襯底上外延生長高摻雜濃度的薄外延層，生長高阻厚層外延時，則加大進氣端C/Si比，并采用高速外延的方法生長所需濃度及厚度的溝道層，以降低背景記憶效應。優(yōu)點可以提高外延工藝的重復性，為碳化硅多層結構外延材料，特別是肖特基二級管結構外延材料的批量生產提供技術支持。
文檔編號H01L21/205GK102646578SQ20121014161
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權日2012年5月9日
發(fā)明者尹志軍, 朱志明, 李赟, 馬林寶 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所, 南京國盛電子有限公司