一種控制氫氣流量n型重?fù)诫s碳化硅薄膜外延制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種控制氫氣流量N型重?fù)诫s碳化硅薄膜外延制備方法，所述制備方法包括以下步驟：（1）將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室抽成真空；（2）向反應(yīng)室通入H2直至反應(yīng)室氣壓到達(dá)100mbar，保持反應(yīng)室氣壓恒定，再將H2流量逐漸增至60L/min，繼續(xù)向反應(yīng)室通氣；（3）打開(kāi)高頻線圈感應(yīng)加熱器RF，逐漸增大該加熱器的功率，當(dāng)反應(yīng)室溫度升高逐漸至1400℃進(jìn)行原位刻蝕；（4）當(dāng)反應(yīng)室溫度到達(dá)到1580℃-1600℃時(shí)，保持溫度和壓強(qiáng)恒定，向反應(yīng)室通入C3H8和SiH4；將高純N2用作N型摻雜源通入反應(yīng)室中。
【專利說(shuō)明】一種控制氫氣流量N型重?fù)诫s碳化硅薄膜外延制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種利用現(xiàn)有的碳化硅材料 M0CVD生長(zhǎng)工藝，制備N型梯度重?fù)诫s碳化硅外延層的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅具有寬帶隙、高導(dǎo)熱率、高擊穿強(qiáng)度、高電子飽和漂移速度、高的硬度等優(yōu) 點(diǎn)，也有著很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。這些優(yōu)良的物理和電學(xué)性能使碳化硅在應(yīng)用上具有很多優(yōu) 勢(shì)。禁帶寬使得碳化硅本征載流子在高溫下仍能保持較低的濃度，因而能工作在很高的溫 度下。高擊穿場(chǎng)強(qiáng)使碳化硅可以承受高電場(chǎng)強(qiáng)度，這使得碳化硅可以用于制作高壓，高功率 的半導(dǎo)體器件。高熱導(dǎo)率使碳化硅具有良好的散熱性，有助于提高器件的功率密度和集成 度、減少附屬冷卻設(shè)施，從而使系統(tǒng)的體積和重量大大地降低、效率則大大地提高，這對(duì)于 開(kāi)發(fā)空間領(lǐng)域的電子器件極具優(yōu)勢(shì)。碳化硅的飽和電子遷移速度很高，這一特性也使它可 以用于射頻或者微波器件，從而提高器件工作速度。
[0003] 碳化硅材料的載流子濃度是材料和器件的基本電學(xué)參數(shù)。這一參數(shù)通過(guò)材料摻雜 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，碳化硅外延材料的摻雜是器件制備中的關(guān)鍵工藝之一。然而，由于碳化 硅的鍵強(qiáng)度高，器件制作工藝中的摻雜不能采用擴(kuò)散工藝，只能利用外延控制摻雜和高溫 離子注入摻雜。高溫離子注入會(huì)造成大量品格損傷，形成大量品格缺陷，即使退火也很難完 全消除，嚴(yán)重影響了器件的性能，且離子注入效率很低，因而不適合做大面積摻雜。同時(shí)，在 制備一些多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件時(shí)，需要外延層縱向摻雜濃度的梯度可控。只有通過(guò)合理 調(diào)整生長(zhǎng)參數(shù)，生長(zhǎng)出摻雜達(dá)到預(yù)定要求的外延層，才能制作出性能符合要求的器件，因而 碳化硅外延層的梯度摻雜控制是目前器件制造中的一個(gè)很大的難點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供一種N型梯度重?fù)诫s碳化硅外 延層的制備方法，利用碳化硅的CVD設(shè)備，制備出縱向摻雜濃度梯度可控的碳化硅外延層， 滿足了制備梯度重?fù)诫s外延層的要求。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟。
[0006] (1)將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室抽成真空；
[0007] (2)向反應(yīng)室通入H2直至反應(yīng)室氣壓到達(dá)lOOmbar，保持反應(yīng)室氣壓恒定，再將H 2 流量逐漸增至60L/min，繼續(xù)向反應(yīng)室通氣；
[0008] (3)打開(kāi)高頻線圈感應(yīng)加熱器RF，逐漸增大該加熱器的功率，當(dāng)反應(yīng)室溫度升高 逐漸至1400°C進(jìn)行原位刻蝕；
[0009] (4)當(dāng)反應(yīng)室溫度到達(dá)到1580°C -1600°c時(shí)，保持溫度和壓強(qiáng)恒定，向反應(yīng)室通入 C3H8和SiH4 ;將高純N2用作N型摻雜源通入反應(yīng)室中。當(dāng)?shù)谝粚覰型摻雜層生長(zhǎng)結(jié)束后， 停止向反應(yīng)室通入SiH 4、C3H8和高純N2并保持lmin，其間將H2流量由60L/min降低至40L/ min。之后繼續(xù)向反應(yīng)室通入SiH4、C3H8和高純N2生長(zhǎng)第二層N型摻雜層。當(dāng)?shù)诙覰型 摻雜層生長(zhǎng)結(jié)束后，停止向反應(yīng)室通入SiH4、C3H8和高純N 2并保持lmin，其間將H2流量由 40L/min降低至20L/min。之后繼續(xù)向反應(yīng)室通入SiH4、C3H8和高純N 2生長(zhǎng)第三層N型摻 雜層。
[0010] (5)當(dāng)達(dá)到設(shè)定的外延生長(zhǎng)時(shí)間后，停止生長(zhǎng)，在反應(yīng)室繼續(xù)通入氫氣，使襯底片 在氧氣流中降溫；
[0011] (6)當(dāng)溫度降低到700°C以下后，再次將反應(yīng)室抽成真空，然后緩慢充入氬氣，使 襯底片在氬氣環(huán)境下自然冷卻到室溫。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 1.本發(fā)明采用高純隊(duì)作為摻雜源，摻入的鋁原子能有效的替換碳化硅材料中C原 子，形成替位雜質(zhì)，相對(duì)于離子注入工藝，制備的重?fù)诫s碳化硅材料品格完整，缺陷少，有利 于提商器件性能。
[0014] 2.本發(fā)明采用碳化娃的CVD外延設(shè)備，在碳化娃襯底或已有外延層的碳化襯底進(jìn) 行外延，通過(guò)生長(zhǎng)參數(shù)控制縱向摻雜濃度，可連續(xù)生長(zhǎng)不同重?fù)诫s濃度的N型外延層，使器 件的制備工藝簡(jiǎn)化。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 通過(guò)參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它方面及 優(yōu)點(diǎn)將變得更加易于清楚，在附圖中：
[0016] 圖1是本發(fā)明技術(shù)方案的工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實(shí)施例。然 而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。相 反，提供這些實(shí)施例使得本公開(kāi)將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng) 域技術(shù)人員。
[0018] 以下參照附圖1，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下給出兩種實(shí)施例。
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng)室中。
[0021] (1. 1)選取偏向[丨Ι?0]晶向4°的4H碳化硅襯底，放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng) 室中；
[0022] (1. 2)將反應(yīng)室抽真空，直到反應(yīng)室氣壓低于1 X 10_7mbar。
[0023] 步驟二，在氫氣流中加熱反應(yīng)室。
[0024] (2. 1)打開(kāi)通向反應(yīng)室的氫氣開(kāi)關(guān)，控制氫氣流量逐漸增大到60L/min ;
[0025] (2. 2)打開(kāi)真空泵抽取反應(yīng)室的氣體，保持反應(yīng)室氣壓在lOOmbar ;
[0026] (2. 3)逐漸調(diào)大加熱源功率，使反應(yīng)室溫度緩慢升高。
[0027] 步驟三，對(duì)襯底進(jìn)行原位刻蝕。
[0028] (3. 1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到1400°C以后，保持反應(yīng)室溫度恒定進(jìn)行10分鐘的原位刻 蝕。
[0029] 步驟四，設(shè)置生長(zhǎng)條件，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層。
[0030] (4. 1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到1580°C下，保持反應(yīng)室溫度和壓強(qiáng)恒定；
[0031] (4. 2)打開(kāi)C3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室中通入流量為7mL/min的C 3H8、 流量為21mL/min的SiH4和流量為2000mL/min的高純N 2，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層N1，生長(zhǎng) 時(shí)間為13min。之后關(guān)閉C3H8、SiH 4和高純N2的開(kāi)關(guān)lmin，其間將H2流量降低為40L/min。 打開(kāi)C 3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室中通入流量為7mL/min的C 3H8、流量為21mL/min 的SiH4和流量為2000mL/min的高純N2，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層N2,生長(zhǎng)時(shí)間為13min。碳 化硅外延層N2生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉C 3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)lmin，其間將H 2流量降低為 20L/min。打開(kāi)C3H8、SiH4和高純N 2的開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室中通入流量為7mL/min的C3H8、流量為 21mL/min的SiH 4和流量為2000mL/min的高純N2，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層N3,生長(zhǎng)時(shí)間為 13min〇
[0032] 步驟五，在氫氣流中冷卻襯底。
[0033] (5. 1)當(dāng)外延層N3生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉C3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)，停止生長(zhǎng)；
[0034] (5. 2)設(shè)置通向反應(yīng)室的氫氣流量為20L/min，保持反應(yīng)室氣壓為lOOmbar，使長(zhǎng) 有碳化娃外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;
[0035] (5. 3)將反應(yīng)室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻。
[0036] 步驟六，在氬氣中冷卻襯底。
[0037] (6. 1)當(dāng)反應(yīng)室溫度降低到700°C以后，關(guān)閉通向反應(yīng)室的氫氣開(kāi)關(guān)；
[0038] (6. 2)將反應(yīng)室抽真空，直到氣壓低于1 X l(T7mbar ;
[0039] (6. 3)打開(kāi)氬氣開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室通入流量為12L/min的氬氣，使長(zhǎng)有碳化硅外延層 的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;
[0040] (6. 4)緩慢提高反應(yīng)室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0041] 實(shí)施例2
[0042] 步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng)室中。
[0043] (1. 1)選取偏向[1Π 0]晶向8°的4H碳化硅襯底，放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng) 室中；
[0044] (1. 2)將反應(yīng)室抽真空，直到反應(yīng)室氣壓低于1 X l(T7mbar。
[0045] 步驟二，在氫氣流中加熱反應(yīng)室。
[0046] (2. 1)打開(kāi)通向反應(yīng)室的氫氣開(kāi)關(guān)，控制氫氣流量逐漸增大到60L/min ;
[0047] (2. 2)打開(kāi)真空泵抽取反應(yīng)室的氣體，保持反應(yīng)室氣壓在lOOmbar ;
[0048] (2. 3)逐漸調(diào)大加熱源功率，使反應(yīng)室溫度緩慢升高。
[0049] 步驟三，對(duì)襯底進(jìn)行原位刻蝕。
[0050] (3. 1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到1400°C以后，向反應(yīng)室中通入流量為7mlL/min的C3H8， 保持反應(yīng)室溫度恒定進(jìn)行10分鐘的原位刻蝕。
[0051] 步驟四，設(shè)置生長(zhǎng)條件，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層。
[0052] (4. 1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到1580°C下，保持反應(yīng)室溫度和壓強(qiáng)恒定；
[0053] (4. 2)打開(kāi)SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室中通入流量為7mL/min的C3H 8、流量 為21mL/min的SiH4和流量為2000mL/min的高純N2，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層N1，生長(zhǎng)時(shí)間 為13min。之后關(guān)閉C 3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)lmin，其間將H 2流量降低為40L/min。打開(kāi) C3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室中通入流量為7mL/min的C 3H8、流量為21mL/min的SiH4 和流量為2000mL/min的高純N2，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層N2,生長(zhǎng)時(shí)間為13min。碳化硅外 延層N2生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉C3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)lmin，其間將H 2流量降低為20L/min。 打開(kāi)C3H8、SiH4和高純N 2的開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室中通入流量為7mL/min的C3H8、流量為21mL/min 的SiH4和流量為2000mL/min的高純N2，開(kāi)始生長(zhǎng)碳化硅外延層N3,生長(zhǎng)時(shí)間為13min。
[0054] 步驟五，在氫氣流中冷卻襯底。
[0055] (5. 1)當(dāng)外延層N3生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉C3H8、SiH4和高純N2的開(kāi)關(guān)，停止生長(zhǎng)；
[0056] (5. 2)設(shè)置通向反應(yīng)室的氫氣流量為20L/min，保持反應(yīng)室氣壓為lOOmbar，使長(zhǎng) 有碳化娃外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;
[0057] (5. 3)將反應(yīng)室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻。
[0058] 步驟六，在氬氣中冷卻襯底。
[0059] (6. 1)當(dāng)反應(yīng)室溫度降低到700°C以后，關(guān)閉通向反應(yīng)室的氫氣開(kāi)關(guān)；
[0060] (6. 2)將反應(yīng)室抽真空，直到氣壓低于1 X l(T7mbar ;
[0061] (6. 3)打開(kāi)氦氣開(kāi)關(guān)，向反應(yīng)室通入流量為12L/min的氦氣，使長(zhǎng)有碳化娃外延層 的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;
[0062] (6. 4)緩慢提高反應(yīng)室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0063] 以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以有各種合 適的更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、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. 一種控制氫氣流量N型重?fù)诫s碳化硅薄膜外延制備方法，其特征在于： 所述制備方法包括以下步驟： (1) 將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設(shè)備的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室抽成真空； (2) 向反應(yīng)室通入H2直至反應(yīng)室氣壓到達(dá)lOOmbar，保持反應(yīng)室氣壓恒定，再將H2流量 逐漸增至60L/min，繼續(xù)向反應(yīng)室通氣； (3) 打開(kāi)高頻線圈感應(yīng)加熱器RF，逐漸增大該加熱器的功率，當(dāng)反應(yīng)室溫度升高逐漸 至1400°C進(jìn)行原位刻蝕； (4) 當(dāng)反應(yīng)室溫度到達(dá)到1580°C -1600°C時(shí)，保持溫度和壓強(qiáng)恒定，向反應(yīng)室通入C3H8 和SiH4 ;將高純N2用作N型摻雜源通入反應(yīng)室中；當(dāng)?shù)谝粚覰型摻雜層生長(zhǎng)結(jié)束后，停止向 反應(yīng)室通入SiH 4、C3H8和高純N2并保持lmin，其間將H2流量由601/min降低至401/min ;之 后繼續(xù)向反應(yīng)室通入SiH4、C3H8和高純N 2生長(zhǎng)第二層N型摻雜層；當(dāng)?shù)诙覰型摻雜層生 長(zhǎng)結(jié)束后，停止向反應(yīng)室通入SiH4、C 3H8和高純N2并保持lmin，其間將H2流量由40L/min降 低至20L/min ;之后繼續(xù)向反應(yīng)室通入SiH4、C3H8和高純N2生長(zhǎng)第三層N型摻雜層； (5) 當(dāng)達(dá)到設(shè)定的外延生長(zhǎng)時(shí)間后，停止生長(zhǎng)，在反應(yīng)室繼續(xù)通入氫氣，使襯底片在氫 氣流中降溫； (6) 當(dāng)溫度降低到700°C以下后，再次將反應(yīng)室抽成真空，然后緩慢充入氬氣，使襯底 片在氬氣環(huán)境下自然冷卻到室溫。
【文檔編號(hào)】C30B25/16GK104233461SQ201410349230
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】王悅湖, 胡繼超, 張藝蒙, 宋慶文, 張玉明 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)