本發(fā)明涉及一種碳化硅外延層的生長方法，尤其涉及一種降低碳化硅外延基平面位錯密度的方法。

背景技術(shù)：

碳化硅電力電子商業(yè)化主要受限于碳化硅外延層中的結(jié)構(gòu)缺陷，結(jié)構(gòu)缺陷會導(dǎo)致碳化硅器件性能的退化，會導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆担档蜕贁?shù)載流子壽命，增加正向?qū)娮瑁黾勇╇姷牧考壍葐栴}，碳化硅研究的長遠(yuǎn)目標(biāo)就是消除這些缺陷。

目前研究碳化硅器件的主要問題是解決正向偏壓下器件有源區(qū)內(nèi)誘導(dǎo)復(fù)合引起的堆垛層錯。堆垛層錯導(dǎo)致器件性能隨著時間退化，增加導(dǎo)通壓降和開態(tài)能量損失。為了避免器件性能的退化，需要避免襯底中bpd缺陷進(jìn)入外延層。

目前國際上常用的降低外延層中bpd缺陷的方法是對碳化硅襯底進(jìn)行koh或koh–naoh–mgo共融腐蝕形成bpd腐蝕坑，然后在腐蝕處理后的襯底上進(jìn)行外延生長，利用bpd腐蝕坑附近的橫向外延速率，閉合bpd缺陷的傳播通道，使其轉(zhuǎn)化為具有相同伯格斯矢量的刃位錯(ted)缺陷，ted缺陷對器件危害比較低。但是碳化硅襯底的koh熔融腐蝕或者koh–naoh–mgo共融腐蝕對碳化硅襯底表面破壞嚴(yán)重，而且工藝相對繁瑣，并不適用于碳化硅外延工藝集成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種降低碳化硅外延基平面位錯密度的方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種降低碳化硅外延基平面位錯密度的方法，包括以下步驟：

(1)將碳化硅襯底置于碳化硅外延系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)的石墨基座上；

(2)采用氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，然后向反應(yīng)室通入氫氣，逐漸加大氫氣流量至60～120l/min，設(shè)置反應(yīng)室的壓力為80～200mbar，并將反應(yīng)室逐漸升溫至1550～1700℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，保持所有參數(shù)不變，對碳化硅襯底進(jìn)行5～15分鐘原位氫氣刻蝕處理；

(3)原位氫氣刻蝕處理完成后，向反應(yīng)室通入小流量的硅源和碳源，控制硅源和氫氣的流量比小于0.03％，并通入摻雜源，生長出厚度為0.2-0.5μm，摻雜濃度2～5e18cm^-3的緩沖層1；

(4)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及氫氣流量不變，對緩沖層1進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間2-10分鐘；

(5)向反應(yīng)室通入小流量硅源和碳源，硅源的流量與步驟(3)相同，并通入摻雜源，生長出厚度為0.2-0.5μm，摻雜濃度5～8e18cm^-3的緩沖層2；

(6)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及氫氣流量不變，對緩沖層2進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間2-10分鐘；

(7)重復(fù)步驟(3)～(6)，完成復(fù)合緩沖層的生長；

(8)通入生長源和摻雜源，采用線性緩變的方式將生長源和摻雜源的流量改變至生長外延結(jié)構(gòu)所需的設(shè)定值，根據(jù)常規(guī)工藝程序生長外延結(jié)構(gòu)；

(9)在完成外延結(jié)構(gòu)生長后，關(guān)閉生長源和摻雜源，在氫氣氛圍中將反應(yīng)室溫度降至室溫，然后將氫氣排出，并通入氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，并利用氬氣將反應(yīng)室壓力提高至大氣壓，然后開腔取片。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在sic襯底上外延生長多個周期的高-低摻雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合緩沖層，并在對每個單層緩沖層進(jìn)行界面高溫氫氣刻蝕處理，利用界面高溫處理以及摻雜誘導(dǎo)引入多個界面，利用界面象力促進(jìn)bpd缺陷向ted缺陷的轉(zhuǎn)化，極大減少了外延層中的bpd缺陷；該方法工藝簡單有利于外延工藝集成，同時避免了對sic襯底進(jìn)行復(fù)雜的前期處理，減少了對襯底表面的破壞。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明生長出的外延片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是生長一個復(fù)合緩沖層的sic外延片的pl成像bpd缺陷分析結(jié)果；

圖3是生長兩個復(fù)合緩沖層的sic外延片的pl成像bpd缺陷分析結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明所述的降低碳化硅外延基平面位錯密度的方法，主要通過在sic襯底上外延生長多個周期的高-低摻雜濃度的復(fù)合緩沖層，并對每個單層緩沖層進(jìn)行界面高溫氫氣刻蝕處理，利用界面高溫處理以及摻雜誘導(dǎo)引入多個界面，利用界面象力(imageforce)促進(jìn)bpd缺陷向ted缺陷的轉(zhuǎn)化，極大減少了外延層中的bpd缺陷，該方法工藝簡單有利于外延工藝集成，同時避免了對sic襯底進(jìn)行復(fù)雜的前期處理，減少了對襯底表面的破壞，具體包括以下步驟：

(1)將碳化硅襯底置于sic外延系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化鉭涂層，碳化硅襯底可以選取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅襯底；

(2)采用氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，然后向反應(yīng)室通入氫氣，逐漸加大氫氣流量至60～120l/min，設(shè)置反應(yīng)室的壓力為80～200mbar，并將反應(yīng)室逐漸升溫至1550～1700℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，保持所有參數(shù)不變，對碳化硅襯底進(jìn)行5～15分鐘原位氫氣刻蝕處理；

(3)向反應(yīng)室通入小流量的硅源和碳源，其中，硅源可以是硅烷、二氯氫硅、三氯氫硅、四氯氫硅等，碳源可以是甲烷、乙烯、乙炔、丙烷等，控制硅源和氫氣的流量比小于0.03％，調(diào)節(jié)碳源流量，控制進(jìn)氣端c/si比為0.9，并通入n型摻雜源高純氮?dú)?n2)，或者通入p型摻雜源三甲基鋁(tma)，可以通入500sccm高純氮?dú)?n2)，設(shè)定生長時間6分鐘，生出長厚度為0.2-0.5μm，摻雜濃度2～5e18cm^-3的緩沖層1；

(4)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及h2流量不變，對緩沖層1進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間2-10分鐘；

(5)向反應(yīng)室通入小流量硅源和碳源，硅源流量與步驟(3)相同，加大碳源流量，控制進(jìn)氣端c/si比為1.2，并通入n型摻雜源高純氮?dú)?n2)，通入或者p型摻雜源三甲基鋁(tma)，可以通入500sccm高純氮?dú)?n2)，設(shè)定生長時間6分鐘，生長出厚度為0.2-0.5μm，摻雜濃度由5～8e18cm^-3的緩沖層2；

(6)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及h2流量不變，對緩沖層1進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間2-10分鐘；

(7)重復(fù)步驟3-6，完成復(fù)合緩沖層的生長，具體重復(fù)次數(shù)可以由工藝人員根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)；

(8)采用線性緩變(ramping)的方式改變生長源及摻雜源的流量，控制sih4/h2流量比為0.1％，進(jìn)氣端c/si比為1.2，并通入氯化氫氣體，設(shè)定進(jìn)氣端cl/si比為2.5，并通入10sccm的氮?dú)?，外延時間設(shè)定為15分鐘，均設(shè)定為生長外延結(jié)構(gòu)所需的設(shè)定值，根據(jù)常規(guī)工藝程序生長外延結(jié)構(gòu)；

(9)在完成外延結(jié)構(gòu)生長之后，關(guān)閉生長源和摻雜源，在氫氣氣氛中將反應(yīng)室溫度降溫至室溫，反應(yīng)室溫度達(dá)到室溫后將氫氣排外后，通過氬氣對反應(yīng)室內(nèi)的氣體進(jìn)行多次置換，將反應(yīng)室真空抽至0mbar，維持5分鐘，向反應(yīng)室充入氬氣至大氣壓，開腔取片。

在進(jìn)行氫氣刻蝕過程中，可以引入適量的氯化氫氣體、丙烷、硅烷或者三氯氫硅等工藝氣體輔助氫氣刻蝕，工藝人員可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇判斷。

步驟3和步驟5中緩沖層1和緩沖層2具有不同的摻雜濃度，可以通過改變進(jìn)氣端c/si比或者摻雜源流量的方法實現(xiàn)。對于n型摻雜，摻雜濃度和進(jìn)氣端c/si比成反比，對于p型摻雜，摻雜濃度和進(jìn)氣端c/si比成正比。不論n型或者p型摻雜，摻雜濃度均和摻雜源流量成正比關(guān)系。

按照本發(fā)明生長出的外延片結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有多個復(fù)合緩沖層。下面通過兩個實施例說明生長一個周期和生長二個周期高-低摻雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合緩沖層的情況。

實施例一

生長一個周期高-低摻雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合緩沖層上生長sic外延片，具體步驟如下：

(1)選取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅襯底，襯底bpd缺陷密度為1000cm^-2,，將襯底置于sic外延系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化鉭涂層；

(2)采用氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，向反應(yīng)室通入氫氣，逐漸加大h2流量至80l/min，設(shè)置反應(yīng)室的壓力為100mbar，將反應(yīng)室逐漸升溫至生長溫度1600℃，達(dá)到生長溫度后維持反應(yīng)室溫度10分鐘，對襯底進(jìn)行純氫氣刻蝕；

(3)向反應(yīng)室通入小流量硅烷(sih4)和丙烷(c3h8)，控制sih4/h2比為0.025％，控制c/si比為0.9，并通入500sccm高純氮?dú)?，生長時間設(shè)定為6分鐘，生長出厚度為0.5μm，摻雜濃度為2e18cm^-3的緩沖層1；

(4)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及h2流量不變，對緩沖層1進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間5分鐘；

(5)向反應(yīng)室通入硅烷和丙烷，硅烷流量與步驟(3)相同，加大丙烷流量，控制c/si比為1.2，通入500sccm高純氮?dú)?，生長時間設(shè)定為6分鐘，生長出厚度為0.5μm，摻雜濃度為5e17cm^-3的緩沖層2；

(6)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及氫氣流量不變，對緩沖層2進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間5分鐘；

(7)采用線性緩變(ramping)的方式改變硅烷、丙烷以及氮?dú)饬髁?，控制sih4/h2流量比為0.1％，設(shè)定進(jìn)氣端c/si比為1.2，并通入氯化氫氣體，設(shè)定進(jìn)氣端cl/si比為2.5，并通入10sccm的氮?dú)?，外延時間設(shè)定為15分鐘；

(8)關(guān)閉生長源和摻雜源，在氫氣氣氛中將反應(yīng)室溫度降溫至室溫，通入氬氣置換反應(yīng)室內(nèi)的氫氣，將反應(yīng)室真空抽至0mbar，維持5分鐘，向反應(yīng)室充入氬氣至大氣壓，打開反應(yīng)室，取出外延片。采用pl成像bpd檢測方法對外延片表面進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2所示。

實施例二

生長兩個周期高-低摻雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合緩沖層上生長sic外延片，具體步驟如下：

(1)選取偏向<11-20>方向4°的硅面碳化硅襯底，襯底bpd缺陷密度為1000cm^-2,，將襯底置于sic外延系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化鉭涂層；

(2)采用氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，向反應(yīng)室通入氫氣，逐漸加大h2流量至80l/min，設(shè)置反應(yīng)室的壓力為100mbar，將反應(yīng)室逐漸升溫至生長溫度1600℃，達(dá)到生長溫度后維持反應(yīng)室溫度10分鐘，對襯底進(jìn)行純氫氣刻蝕；

(3)向反應(yīng)室通入小流量硅烷(sih4)和丙烷(c3h8)，控制sih4/h2比為0.025％，控制c/si比為0.9，并通入500sccm高純氮?dú)?，生長時間設(shè)定為6分鐘，生長出厚度為0.5μm，摻雜濃度為2e18cm^-3的緩沖層1；

(4)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及h2流量不變，對緩沖層1進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間5分鐘；

(5)向反應(yīng)室通入硅烷和丙烷，硅烷流量與步驟(3)相同，加大丙烷流量，控制c/si比為1.2，通入500sccm高純氮?dú)?，生長時間設(shè)定為6分鐘，生長出厚度為0.5μm，摻雜濃度為5e17cm^-3的緩沖層2；

(6)關(guān)閉生長源及摻雜源，保持反應(yīng)室壓力、生長溫度以及氫氣流量不變，對緩沖層2進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，處理時間5分鐘；

(7)重復(fù)步驟3～6一次；

(8)用流量增加的方式改變硅烷、丙烷以及氮?dú)饬髁?，控制sih4/h2流量比為0.1％，設(shè)定進(jìn)氣端c/si比為1.2，并通入氯化氫氣體，設(shè)定進(jìn)氣端cl/si比為2.5，通入10sccm的氮?dú)猓庋訒r間設(shè)定為15分鐘；

(9)關(guān)閉生長源和摻雜源，在氫氣氣氛中將反應(yīng)室溫度降溫至室溫，通入氬氣置換反應(yīng)室內(nèi)的氫氣，將反應(yīng)室真空抽至0mbar，維持5分鐘，向反應(yīng)室充入氬氣至大氣壓，打開反應(yīng)室，取出外延片。采用pl成像bpd檢測方法對外延片表面進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。

通過圖2和圖3可以看出該工藝下，具有一個周期高-低摻雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合緩沖層上生長的外延片bpd缺陷密度已經(jīng)降低至2.5cm^-2，bpd轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.75％；具有二個周期高-低摻雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合緩沖層上生長的外延片bpd缺陷密度已經(jīng)降低至0.5cm^-2，bpd轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.95％。可以看出利用界面高溫氫氣處理結(jié)合摻雜誘導(dǎo)工藝可以有效降低外延層中的bpd缺陷密度，同時通過增加復(fù)合緩沖層中高-低摻雜結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期，可以進(jìn)一步降低外延層中的bpd缺陷密度。