CN103422164A - 一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，其实现步骤是：先将碳化硅衬底放入反应室；在氢气流中加热反应室，当温度达到1400℃后，在氢气流中加入C3H8；当温度达到1580℃后，对衬底进行原位刻蚀10～30min；其后保持反应室温度1580℃，气压300mbar～700mbar，在80L/min的氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH4，流量为5～10mL/min的C3H8和流量为2L/min的N2，生长外延层；生长结束后，在氢气流中冷却；最后向反应室充入氩气至常压。本发明只改变反应室的气压，操作简单方便，制备的碳化硅外延层掺杂均匀，表面平整，可用于制作碳化硅器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，尤其是涉及一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，生长出的外延层可用于SiC的器件制造。
背景技术
SiC具有宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高饱和电子漂移速度和高键合能等优点，是制作高温、高压、高频、大功率、抗辐照等半导体器件的原材料，也是制作“极端电子学器件”和极端条件下微机电系统MEMS的主要材料；此外，SiC是一种优良的发光半导体材料，不仅适于制作光电子半导体器件，也可利用其宽带隙和低电流的特性制作紫外敏感器件。由于SiC材料具有这些优越的特性，使它在化学工业、航空航天工程、汽车制造业、矿物加工与开采、核动力工程等领域都有着广泛的应用前景。
近年来，有关碳化硅材料相关工艺进展非常迅速，4英寸的碳化硅单晶衬底片已经实现商业化，碳化硅材料的外延、氧化、掺杂、刻蚀、半导体金属接触等方面都逐步成熟。
碳化硅具有高的化学和物理稳定性，使其高温单晶生长和化学及机械处理都非常困难。因此，目前应用于制造器件的碳化硅材料都是由薄膜制备技术生长的外延薄膜材料。由于碳化硅的键强度高，杂质扩散所要求的温度大于1800℃，大大超过标准器件工艺的条件，所以器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制掺杂和高温离子注入掺杂。
采用高温离子注入，注入离子对晶格损伤很大，造成大量晶格缺陷，即使退火也很难完全消除，严重影响了器件的性能，同时离子注入效率很低，因而不适合做大面积掺杂。在碳化硅的MOCVD外延工艺中，通常采用SiH4和C3H8作为反应物，N2作为N型掺杂源，氢气作为载气，需要控制各个反应物的比例、反应条件，才能达到高质量，高速率的生长，并达到所需要的掺杂水平。只有通过合理调整生长参数，生长出缺陷少，掺杂达到预定要求的外延层，才能制作出性能符合要求的器件，因而碳化硅外延层的掺杂控制是目前器件制造中的一个很大的难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述已有技术的不足，提出一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，通过控制反应室的气压，制备出不同掺杂浓度的外延层，解决了N型4H-SiC同质外延掺杂不易控制的技术难题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，包括如下步骤：
(1)将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；
(2)向反应室通入H2直至反应室气压到达300mbar～700mbar，在氢气流中，使用加热源逐渐加热衬底，使其温度缓缓上升，当温度超过1400℃后，在氢气流中加入流量为5～10mL/min的C3H8；
(3)当反应室温度到达到1550-1600℃℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和氢气流中加入的C3H8流量不变，采用H2和C3H8混合气体对衬底进行10～30min的原位刻蚀；
(4)保持反应室气压和温度恒定，在氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH4，流量为5～10mL/min的C3H8和流量为1.8-2L/min的N2，并通入反应室；生长N型外延层；
(5)当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片在氢气流中降温；
(6)当温度降低到700℃以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。
优选的，所述步骤(4)中的SiH4和C3H8的流量比值控制在1。
优选的，所述步骤(6)中通入Ar的流量为12L/min。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明采用碳化硅的CVD外延设备，在碳化硅衬底或已有外延层的碳化衬底进行外延，通过生长参数控制掺杂浓度，使器件的制备工艺简化。
2.本发明采用氮气作为掺杂源，掺入的氮原子能有效的替换碳化硅材料中硅原子，形成替位杂质，相对于离子注入工艺，制备的掺杂碳化硅材料晶格完整，缺陷少，有利于提高器件性能。
3.本发明相对于已有的碳化硅外延工艺条件，只改变反应室的气压，不改变掺杂源的流量就可以控制外延层的掺杂浓度，制备出的外延层满足器件的要求。
附图说明
图1是本发明使用的碳化硅CVD设备结构图；
图2是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明使用的碳化硅CVD设备，主要由主体生长系统、RF感应加热源、尾气处理系统、循环水系统、电压稳源系统和界面操作系统组成。
如图2所示，本发明给出以下三种实施例。
实施例1
步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。
(1.1)选取偏向
晶向8°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；
(1.2)将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10-7mbar。
步骤二，在氢气流中加热反应室。
(2.1)打开通向反应室的氢气开关，控制氢气流量逐渐增大到80L/min；
(2.2)打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在300mbar；
(2.3)逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高，当温度超过1400℃后，在氢气流中加入流量为5mL/min的C3H8。
步骤三，对衬底进行原位刻蚀。
(3.1)当反应室温度达到1550℃以后，保持反应室温度恒定；
(3.2)继续向反应室通入流量为80L/min的氢气，并在氢气流中加入流量为5mL/min的C3H8，在H2和C3H8中原位刻蚀衬底10min。
步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
(4.1)控制反应室气压为300mbar，保持温度为1550℃；
(4.2)打开C3H8和SiH4的开关，通入15mL/min的SiH4，5mL/min的C3H8和1.8L/min的N2，生长碳化硅外延层。
步骤五，在氢气流中冷却衬底。
(5.1)当外延生长时间达到设定的时间后，关闭C3H8，SiH4和N2的开关，停止生长；
(5.2)设置通向反应室的H2流量为20L/min，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；
(5.3)将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
步骤六，在氩气中冷却衬底。
(6.1)当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的H2开关；
(6.2)将反应室抽真空，直到气压低于1×10-7mbar；
(6.3)打开氩气开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；
(6.4)缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
实施例2
步骤1，选取偏向晶向8°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10-7mbar。
步骤2，打开通向反应室的H2开关，控制氢气流量逐渐增大到80L/min，同时打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在500mbar；逐渐调大RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度到达1400℃后，在氢气流中加入流量为7mL/min的C3H8。
步骤3，当反应室温度达到1580℃以后，保持反应室温度恒定，保持反应室通入流量为80L/min的H2和流量为7mL/min的C3H8，采用H2与C3H8的混合气体原位刻蚀衬底20min。
步骤4，在反应室气压为500mbar，温度为1580℃下，打开C3H8和SiH4的开关，加入流量为7mL/min的C3H8、流量为21mL/min的SiH4，和流量为1.9L/min的N2，生长碳化硅外延层。
步骤5，当外延生长时间达到设定的时间后，关闭C3H8，SiH4和N2的开关，停止生长；然后设置通向反应室的H2流量为20L/min，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；再将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
步骤6，当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于1×10-7mbar，再打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
实施例3
第一步，选取偏向
晶向8°的4H碳化硅衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于1×10-7mbar。
第二步，打开通向反应室的H2开关，控制氢气流量逐渐增大到80L/min，同时打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在700mbar；逐渐调大RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度到达1400℃后，在氢气流中加入流量为10mL/min的C3H8
第三步，对衬底进行原位刻蚀。
(3.1)当反应室温度达到1600℃以后，保持反应室温度恒定；
(3.2)继续向反应室通入流量为80L/min的H2和流量为10mL/min的C3H8，采用H2与C3H8的混合气体原位刻蚀衬底10min。
第四步，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
(4.1)保持反应室气压为700mbar，温度为1600℃；
(4.2)打开C3H8和SiH4的开关，在氢气流中同时加入流量为10mL/min的C3H8、流量为24mL/min的SiH4和2L/min的N2，生长碳化硅外延层。
第五步，在氢气流中冷却衬底。
(5.1)当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；
(5.2)设置通向反应室的H2流量为20L/min，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min；
(5.3)将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
第六步，在氩气中冷却衬底。
(6.1)当反应室温度降低到700℃以后，关闭通向反应室的H2开关；
(6.2)将反应室抽真空，直到气压低于1×10-7mbar；
(6.3)打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min；
(6.4)缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；
(2)向反应室通入H2直至反应室气压到达300mbar～700mbar，在氢气流中，使用加热源逐渐加热衬底，使其温度缓缓上升，当温度超过1400℃后，在氢气流中加入流量为5～10mL/min的C3H8；
(3)当反应室温度到达到1550-1600℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和氢气流中加入的C3H8流量不变，采用H2和C3H8混合气体对衬底进行10～30min的原位刻蚀；
(4)保持反应室气压和温度恒定，在氢气流中加入流量为15～24mL/min的SiH4，流量为5～10mL/min的C3H8和流量为1.8-2L/min的N2，并通入反应室；生长N型外延层；
(5)当达到设定的外延生长时间后，停止生长，在反应室继续通入氢气，使衬底片在氢气流中降温；
(6)当温度降低到700℃以下后，再次将反应室抽成真空，然后缓慢充入氩气，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中的SiH4和C3H8的流量比值控制在1。
3.根据权利要求1所述的N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中通入Ar的流量为12L/min。
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