一種提高碳化硅外延片片內(nèi)n型摻雜濃度均勻性的方法
【專利摘要】本發(fā)明是提高碳化硅外延片片內(nèi)n型摻雜濃度均勻性的方法。以化學(xué)氣相淀積生長技術(shù)為基礎(chǔ)，使用偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅襯底，采用硅烷和丙烷作為生長源，氯化氫作為抑制硅組份氣相成核的輔助氣體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氮?dú)庾鳛閚型摻雜劑。在基座氣浮氣體中加入少量工藝氣體硅烷或者丙烷，再通過氣浮氣體作為載氣將少量工藝氣體推至襯底邊緣，以微調(diào)襯底邊緣碳硅比，進(jìn)而改變襯底邊緣n型摻雜源摻雜效率，有效降低外延片由于非線性耗盡帶來的邊緣點(diǎn)與中心點(diǎn)摻雜濃度偏差，在不改變關(guān)鍵工藝參數(shù)前提下，有效優(yōu)化了外延片片內(nèi)摻雜濃度均勻性。加大了關(guān)鍵工藝參數(shù)選擇窗口，為高質(zhì)量碳化硅外延材料生長提供了技術(shù)支持。
【專利說明】一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出的是一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，在不改變外延關(guān)鍵工藝參數(shù)的前提下，提高了碳化硅外延片片內(nèi)摻雜濃度均勻性，降低了碳化硅外延片中心點(diǎn)和邊緣點(diǎn)的摻雜濃度偏差。屬于半導(dǎo)體材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)器件耐高溫、節(jié)能、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)讓其在PFC電源、空調(diào)等白色家電、混和動(dòng)力及純電動(dòng)汽車、馬達(dá)控制、太陽能風(fēng)能發(fā)電、鐵路運(yùn)輸和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]碳化硅外延材料的厚度和摻雜濃度均勻性嚴(yán)重影響碳化硅器件性能，良好的材料均勻性不僅可以降低器件性能的離散，同時(shí)也可以提高器件的可靠性。因此，目前國際上研究的熱點(diǎn)之一就是如何提高碳化硅外延片厚度及濃度均勻性，這也是碳化硅外延中需要突破和掌握的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前國際上研究的熱點(diǎn)。
[0004]源在外延片直徑方向上的耗盡導(dǎo)致了外延片上局部各點(diǎn)的生長速率及摻雜濃度是個(gè)隨位置變化的量，因此造成了外延片厚度及濃度的不均勻性。由于源本身性質(zhì)及反應(yīng)方式的不同，各類源在反應(yīng)腔內(nèi)的耗盡形式有所不同，總的說來主要有以下三種形式(理想狀態(tài)):1、線性耗盡、2、指數(shù)型耗盡、3、二次函數(shù)型耗盡。通過引入基座氣浮旋轉(zhuǎn)可以降低由于源耗盡所造成的源分布的不均勻性。圖l-(a)_圖1-(C)是引入基座旋轉(zhuǎn)前后三種耗盡方式下，源沿襯底方向的分布曲線。從圖l-(a)_圖l-(c)可以看出，如果源耗盡方式接近于線性耗盡，通過引入基座旋轉(zhuǎn)可以有效消除源分布的不均勻性，生長源的耗盡就比較接近線性耗盡，因此只需要?dú)飧⌒D(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)較好的厚度均勻性。而摻雜源的耗盡則比較接近后兩種的非線性耗盡方式，基座旋轉(zhuǎn)并不能完全消除摻雜濃度的不均勻性。
[0005]目前文獻(xiàn)及專利報(bào)道的摻雜濃度均勻性優(yōu)化的方法主要針對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化如氯硅比、碳硅比、主氫流量、生長溫度、各路氣體噴嘴載氣比等。然而此類參數(shù)的改變還會(huì)帶來諸如背景濃度、表面形貌、缺陷密度等外延片重要指標(biāo)的變化。尋找一個(gè)合適的工藝窗口非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出的是一種提高碳化硅外延片片內(nèi)摻雜濃度均勻性的方法，其目的旨在針對(duì)如何在不改變外延關(guān)鍵工藝參數(shù)的基礎(chǔ)下改善碳化硅外延片片內(nèi)摻雜濃度均勻性。在典型工藝條件下，由于摻雜濃度沿襯底直徑方向的非線性耗盡，造成了外延片中心點(diǎn)摻雜濃度和邊緣點(diǎn)摻雜濃度存在較大的差異，即使使用氣浮旋轉(zhuǎn)技術(shù)。競位理論表明η型摻雜效率和工藝氣體的碳硅比成反比。根據(jù)以上原理，本發(fā)明通過在基座氣浮氣體中加入少量工藝氣體硅烷或者丙烷，通過氣浮氣體帶出的少量工藝氣體以微調(diào)襯底邊緣的碳硅比進(jìn)而改變襯底邊緣η型摻雜源的摻雜效率，有效降低外延片邊緣點(diǎn)與中心點(diǎn)的摻雜濃度偏差，在不改變關(guān)鍵工藝參數(shù)的前提下，有效優(yōu)化了外延片的片內(nèi)摻雜濃度均勻性。[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，包括如下工藝步驟:
1)選取偏向〈11-20〉方向4°或者8°的硅面碳化硅襯底晶型4Η或者6Η，將襯底置于有碳化組涂層的石墨基座上；
2)系統(tǒng)升溫至1400-1500°C，設(shè)置反應(yīng)室壓力80-200mbar，氫氣流量60-120slm，選用氬氣氣浮條件選用氬氣氣浮實(shí)現(xiàn)均勻的基座溫場分布，對(duì)襯底表面進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，以去除表面的損傷和沾污，根據(jù)襯底偏角不同，氫氣刻蝕處理工藝有所不同； 3)系統(tǒng)升溫至1550_1650°C,通入硅烷、丙烷、氯化氫、摻雜劑η型摻雜選用氮?dú)忾_始外延生長，設(shè)定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5_5，切換基座氣浮氣體至氫氣選用氫氣以避免載氣和氣浮氣體在襯底邊緣處形成氣相界面，并根據(jù)該工藝條件下典型外延片摻雜濃度沿襯底直徑方向的分布方式選擇加入氣浮氣體中的工藝氣體的類型；
4)在完成所需外延生長之后，關(guān)閉生長源和摻雜源，將氣浮氣體切換至氬氣，降溫；
5)系統(tǒng)降溫至100攝氏度時(shí)，將反應(yīng)室抽真空，并充入氬氣至大氣壓后取出外延材料。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):與通常的外延技術(shù)相比，本發(fā)明并沒有通過改變關(guān)鍵工藝參數(shù)如氯硅比、碳硅比、主氫流量、生長溫度、各路氣體噴嘴載氣比等來實(shí)現(xiàn)外延片摻雜濃度均勻性的優(yōu)化。從而加大了關(guān)鍵工藝參數(shù)的選擇窗口，以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)秀的背景濃度、表面形貌、缺陷密度等關(guān)鍵指標(biāo)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]附圖l-(a)是引入基座旋轉(zhuǎn)前后線性耗盡下，源沿襯底方向的分布曲線示意圖。
[0010]附圖l-(b)是引入基座旋轉(zhuǎn)前后指數(shù)型耗盡下，源沿襯底方向的分布曲線示意圖。
[0011]附圖1-(C)是引入基座旋轉(zhuǎn)前后二次函數(shù)型耗盡下，源沿襯底方向的分布曲線示意圖。
[0012]附圖2是在硅烷流量64sccm、丙烷流量32sccm、氯化氫流量128sccm、生長溫度1550°C、反應(yīng)室壓力lOOmbar、氫氣氣浮流量1500sccm的典型工藝條件下，外延片η型摻雜濃度沿襯底直徑方向的分布圖。
[0013]附圖3在氣浮氣體中加入不同流量的丙烷后，外延片摻雜濃度沿徑向分布變化的示意圖。
[0014]附圖4是實(shí)施例中IOOmm外延片的摻雜濃度測試結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，包括如下工藝步驟:
1)選取偏向〈11-20〉方向4°或者8°的硅面碳化硅襯底晶型4Η或者6Η，將襯底置于有碳化組涂層的石墨基座上；
2)系統(tǒng)升溫至1400-1500°C，設(shè)置反應(yīng)室壓力80-200mbar，氫氣流量60-120slm，選用氬氣氣浮條件選用氬氣氣浮實(shí)現(xiàn)均勻的基座溫場分布，對(duì)襯底表面進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，以去除表面的損傷和沾污，根據(jù)襯底偏角不同，氫氣刻蝕處理工藝有所不同；
3)系統(tǒng)升溫至1550_1650°C,通入硅烷、丙烷、氯化氫、摻雜劑η型摻雜選用氮?dú)忾_始外延生長，設(shè)定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5_5，切換基座氣浮氣體至氫氣選用氫氣以避免載氣和氣浮氣體在襯底邊緣處形成氣相界面，并根據(jù)該工藝條件下典型外延片摻雜濃度沿襯底直徑方向的分布方式選擇加入氣浮氣體中的工藝氣體的類型；
4)在完成所需外延生長之后，關(guān)閉生長源和摻雜源，將氣浮氣體切換至氬氣，降溫；
5)系統(tǒng)降溫至100攝氏度時(shí)，將反應(yīng)室抽真空，并充入氬氣至大氣壓后取出外延材料。
[0016]所述的工藝步驟2)原位氫氣刻蝕工藝中采用氬氣氣浮條件以實(shí)現(xiàn)均勻的基座溫場分布，保證氫氣刻蝕的均勻性。
[0017]所述的工藝步驟2)中的根據(jù)襯底偏角不同，氫氣刻蝕處理工藝有所不同:即 針對(duì)4°偏軸的襯底，刻蝕工藝則需要采用純氫氣刻蝕，刻蝕時(shí)間為30分鐘左右，以避
免外延層臺(tái)階形貌的生成；
針對(duì)8°偏軸的襯底，刻蝕處理時(shí)需要通入少量的丙烷(5-20sccm)輔助氫氣刻蝕，以避免氫氣過度刻蝕產(chǎn)生硅滴，刻蝕時(shí)間10分鐘左右；
外延層生長時(shí)將基座氣浮氣體至氫氣以避免工藝氣體和氣浮氣體在襯底邊緣形成界面。
[0018]所述的工藝步驟3)分布方式選擇加入氣浮氣體中的工藝氣體的類型，其具體選擇方法如下:
當(dāng)工藝條件下，外延片 η型摻雜濃度兩邊高，中間低，呈碗狀分布時(shí)氣浮氣體中加入的工藝氣體選用丙烷；
當(dāng)工藝條件下，外延片η型摻雜濃度兩邊低，中間高，呈拱橋狀分布時(shí)氣浮氣體中加入的工藝氣體選用硅烷；
氣浮氣體中加入的工藝氣體的流量根據(jù)關(guān)鍵工藝條件設(shè)定，實(shí)際數(shù)值需要通過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比決定，以實(shí)現(xiàn)平坦的摻雜濃度徑向分布為選擇標(biāo)準(zhǔn)；
外延生長時(shí)間根據(jù)實(shí)際的外延速率及所需外延層厚度設(shè)定。
實(shí)施例
[0019]提供的在偏向〈11-20〉方向4°的IOOmm硅面4Η晶型碳化硅襯底上外延生長高均勻性外延材料的方法包括以下步驟:
1)選擇偏向〈11-20〉方向4°的IOOmm娃面4Η晶型碳化娃襯底,將襯底置于有碳化鉭涂層的石墨基座上；
2)系統(tǒng)升溫至1400°C，設(shè)置壓力為lOOmbar，選用氬氣氣浮(氣浮流量lOOOsccm)，在氫氣(流量80slm)氣氛下，對(duì)襯底表面進(jìn)行原位氫氣刻蝕，以去除襯底表面的損傷和沾污，并抑制臺(tái)階的形成，處理時(shí)間為30分鐘；
3)系統(tǒng)升溫至1550°C，當(dāng)溫度穩(wěn)定在1550°C之后，向反應(yīng)室通入硅烷(64sccm)、丙烷(32sccm)、氯化氫(128sccm)、氮?dú)?200sccm)開始η型外延層的生長,切換氣浮氣體至氫氣(氣浮流量1500SSCm)，氣浮氣體中加入丙烷(IOsccm)以提高外延片的η型摻雜濃度均勻性，生長時(shí)間設(shè)定為30分鐘；
4)在完成所需外延生長之后，關(guān)閉生長源和摻雜源，將氣浮氣體切換至氬氣，降溫；
5)系統(tǒng)降溫至100攝氏度時(shí)，將反應(yīng)室抽真空，并充入氬氣至大氣壓后取出外延材料。[0020]上述步驟3)中在氫氣氣浮載氣中選擇加入IOsccm丙烷。選擇原因如下:
在硅烷流量64sccm、丙烷流量32sccm、氯化氫流量128sccm、生長溫度1550°C、反應(yīng)室壓力lOOmbar、氫氣氣浮流量1500sCCm的典型工藝條件下，外延片η型摻雜濃度兩邊高，中間低，呈碗狀分布，如圖2所示。根據(jù)本發(fā)明提出的方法選擇在氣浮氣體中加入丙烷。圖3是在氣浮氣體中加入不同流量的丙烷后，外延片摻雜濃度沿徑向分布的對(duì)比圖?？梢钥闯鲈摴に嚄l件下，選用IOsccm的丙烷流量可以實(shí)現(xiàn)較為平坦的η型摻雜濃度。
[0021]采用汞探針C-V技術(shù)可以測定碳化硅外延薄膜的摻雜濃度。圖4是實(shí)施例中外延片的摻雜濃度測試結(jié)果。IOOmm外延片片內(nèi)η型摻雜濃度不均勻性2.7%。
[0022]通過在氣浮氣體中加入少量的工藝氣體，在不改變關(guān)鍵工藝參數(shù)的條件下，可以有效優(yōu)化外延片的片內(nèi)摻雜濃度均勻性。從而加大了關(guān)鍵工藝參數(shù)的窗口，以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)秀的背景濃度、表面形貌、缺陷密度等關(guān)鍵指標(biāo)。
[0023]以上制作實(shí)例為本發(fā)明的一般實(shí)施方案，制作方法上實(shí)際可采用的制作方案是很多的， 凡依本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與裝飾，均屬于本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，其特征是該方法包括如下工藝步驟: 1)選取偏向〈11-20〉方向4°或者8。的硅面碳化硅襯底晶型4Η或者6Η，將襯底置于有碳化組涂層的石墨基座上； 2)系統(tǒng)升溫至1400-1500°C，設(shè)置反應(yīng)室壓力80-200mbar，氫氣流量60-120slm，選用氬氣氣浮條件選用氬氣氣浮實(shí)現(xiàn)均勻的基座溫場分布，對(duì)襯底表面進(jìn)行原位氫氣刻蝕處理，以去除表面的損傷和沾污，根據(jù)襯底偏角不同，氫氣刻蝕處理工藝有所不同； 3)系統(tǒng)升溫至1550_1650°C,通入硅烷、丙烷、氯化氫、摻雜劑η型摻雜選用氮?dú)忾_始外延生長，設(shè)定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5_5，切換基座氣浮氣體至氫氣選用氫氣以避免載氣和氣浮氣體在襯底邊緣處形成氣相界面，并根據(jù)該工藝條件下典型外延片摻雜濃度沿襯底直徑方向的分布方式選擇加入氣浮氣體中的工藝氣體的類型； 4)在完成所需外延生長之后，關(guān)閉生長源和摻雜源，將氣浮氣體切換至氬氣，降溫； 5)系統(tǒng)降溫至100攝氏度時(shí)，將反應(yīng)室抽真空，并充入氬氣至大氣壓后取出外延材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，其特征是所述的工藝步驟2)原位氫氣刻蝕工藝中采用氬氣氣浮條件以實(shí)現(xiàn)均勻的基座溫場分布,保證氫氣刻蝕的均勻性。
3.如權(quán)利要求1所述的一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，其特征是所述的工藝步驟2)中的根據(jù)襯底偏角不同，氫氣刻蝕處理工藝有所不同:即 針對(duì)4°偏軸的襯底，刻蝕工藝則需要采用純氫氣刻蝕，刻蝕時(shí)間為30分鐘左右，以避免外延層臺(tái)階形貌的生成； 針對(duì)8°偏軸的襯底，刻蝕處理時(shí)需要通入少量的丙烷(5-20sccm)輔助氫氣刻蝕，以避免氫氣過度刻蝕產(chǎn)生硅滴，刻蝕時(shí)間10分鐘左右。
4.如權(quán)利要求1所述的一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，其特征是外延層生長時(shí)將基座氣浮氣體至氫氣以避免工藝氣體和氣浮氣體在襯底邊緣形成界面。
5.如權(quán)利要求1所述的一種提高碳化硅外延片片內(nèi)η型摻雜濃度均勻性的方法，其特征是所述的工藝步驟3)分布方式選擇加入氣浮氣體中的工藝氣體的類型，其具體選擇方法如下: 當(dāng)工藝條件下，外延片η型摻雜濃度兩邊高，中間低，呈碗狀分布時(shí)氣浮氣體中加入的工藝氣體選用丙烷； 當(dāng)工藝條件下，外延片η型摻雜濃度兩邊低，中間高，呈拱橋狀分布時(shí)氣浮氣體中加入的工藝氣體選用硅烷； 氣浮氣體中加入的工藝氣體的流量根據(jù)關(guān)鍵工藝條件設(shè)定，實(shí)際數(shù)值需要通過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比決定，以實(shí)現(xiàn)平坦的摻雜濃度徑向分布為選擇標(biāo)準(zhǔn)； 外延生長時(shí)間根據(jù)實(shí)際的外延速率及所需外延層厚度設(shè)定。
【文檔編號(hào)】C30B33/12GK103614779SQ201310615586
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】李赟 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所