[發(fā)明專利]4H-SiC襯底上同質(zhì)快速外延生長4H-SiC外延層的方法

無效

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• 申請日: 2014-03-11
• 公開（公告）號: CN103820768A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉斌;孫國勝;劉興昉;董林;鄭柳;閆果果;劉勝北;張峰;趙萬順;王雷;曾一平
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: C23C16/32
• 分類號: C23C16/32;H01L21/02
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是碳化硅材料的外延生長方法，具體是涉及一種4H-SiC襯底上同質(zhì)快速外延生長4H-SiC外延層的方法，所生長材料可用于器件制備。

背景技術(shù)

碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度、高物理化學(xué)穩(wěn)定性等特點，是制作高溫、大功率、耐高壓、抗輻照器件的半導(dǎo)體材料。這些優(yōu)良特性使其在航空航天、高壓輸電、電力機車、電動汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在利用4H-SiC材料制作器件時，要獲得耐高壓(＞10kV)器件，需要厚度至少為100μm的4H-SiC外延層作為器件的漂移層。利用傳統(tǒng)的外延方法制備厚膜外延材料，外延生長速率約為6-8μm／h，導(dǎo)致4H-SiC外延層外延生長時間要花費數(shù)小時，這不利于工業(yè)上節(jié)省生產(chǎn)時間。因此，為了克服這個問題，就有必要將外延生長速率提升到幾十甚至上百微米每小時。

為了提高4H-SiC外延生長速率，需要將生長源氣體流量提高。由于生長源氣體在生長室入口處以及到達襯底表面的過程中會被加熱分解，硅源氣體加熱分解出硅原子，而這些硅原子會相互結(jié)合。當(dāng)硅源氣體流量提高時，其分解出硅原子的量會增加，硅與硅結(jié)合的程度也會增加，這些硅原子結(jié)合在一起形成硅的聚集物，這些聚集物對于4H-SiC的外延生長是沒有貢獻的，這就導(dǎo)致了硅源的耗盡，因而也就限制了外延生長速率的提高。并且，這些聚集物會掉落在襯底表面，對外延層表面造成嚴(yán)重污染并導(dǎo)致表面缺陷，使得外延層無法應(yīng)用于器件制作。

綜上所述，為了獲得4H-SiC外延層的高速外延生長速率，實現(xiàn)快速外延，需要解決外延生長過程硅聚集物對于生長速率的限制問題。使用低生長壓強、大流量H₂、較高生長溫度等工藝條件有利于克服這一問題，從而提高外延生長速率。較低的生長壓強可以降低硅成分的密度，從而在一定程度上防止硅與硅的相互結(jié)合。大流量的H₂可以抑制硅氫化合物分解出硅原子，從而降低氣氛中硅原子的含量，防止硅與硅結(jié)合。高生長溫度可以促進硅聚集物重新分解出對4H-SiC生長有貢獻的活性硅成分，減少并消除硅聚集物的同時，提高了活性硅成分的含量，從而提高外延生長速率。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供了一種4H-SiC襯底上同質(zhì)快速外延生長4H-SiC外延層的方法，以解決硅聚集物對于外延生長速率的限制問題，實現(xiàn)高速率外延生長，并獲得一個無硅聚集物污染的外延層表面。

(二)技術(shù)方案

為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種4H-SiC襯底上同質(zhì)快速外延生長4H-SiC外延層的方法，包括：

步驟1：對4H-SiC襯底進行清洗并放入垂直熱壁低壓CVD設(shè)備的生長室，并將反應(yīng)室抽真空；

步驟2：設(shè)置反應(yīng)室壓強，并向反應(yīng)室通氫氣流；

步驟3：加熱反應(yīng)室至刻蝕溫度，對襯底進行原位刻蝕；

步驟4：調(diào)節(jié)氫氣流并升高反應(yīng)室溫度，反應(yīng)室溫度達到預(yù)生長溫度時，通入生長源氣體進行預(yù)生長，溫度達到生長溫度后，調(diào)節(jié)生長源氣體流量進行外延生長；

步驟5：生長結(jié)束后，關(guān)閉生長源氣體，并停止加熱，在氫氣流中冷卻；

步驟6：溫度降到1000℃以下時，關(guān)閉氫氣，將反應(yīng)室抽真空；

步驟7：對反應(yīng)室抽真空后，將氬氣通入反應(yīng)室進行冷卻；

步驟8：冷卻至室溫后，將反應(yīng)室充入氬氣，使氣壓達到大氣壓強。

上述方案中，步驟1中所述的對4H-SiC襯底進行清洗，采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝，使用的清洗液包括硫酸、雙氧水、氫氟酸、氨水、鹽酸和去離子水。

上述方案中，步驟1中所述的碳化硅CVD設(shè)備為垂直熱壁低壓CVD設(shè)備，將反應(yīng)室抽真空是將反應(yīng)室抽真空至10^-4Torr以下。

上述方案中，步驟2中所述的設(shè)置反應(yīng)室壓強，是將反應(yīng)室壓強設(shè)定為10Torr～80Torr之間；所述向反應(yīng)室通氫氣流，氫氣流量為1L／分鐘～10L／分鐘，壓強上升至設(shè)定壓強后，保持反應(yīng)室壓強恒定；調(diào)節(jié)H₂流量至3L／分鐘～50L／分鐘之間并固定流量，繼續(xù)通入反應(yīng)室。

上述方案中，步驟3中所述的加熱反應(yīng)室至刻蝕溫度，對襯底進行原位刻蝕，包括：打開RF高頻線圈感應(yīng)加熱器，將反應(yīng)室溫度加熱到1350℃～1500℃之間并固定溫度，在此溫度下維持10分鐘～60分鐘，對4H-SiC襯底進行原位刻蝕。