本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高有效面積的碳化硅外延片的制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅(SiC)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)，特別適合于高功率、高溫和高頻應(yīng)用。近些年，隨著碳化硅襯底價(jià)格的不斷降低和器件工藝的逐步成熟，碳化硅外延材料和器件正在穩(wěn)步而快速增長(zhǎng)，在某些領(lǐng)域其正在逐步替代傳統(tǒng)的硅和砷化鎵材料。特別是在電力電子器件領(lǐng)域，其市場(chǎng)和應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。
碳化硅外延材料的可用面積是在實(shí)際應(yīng)用中用來反映外延材料表面質(zhì)量和缺陷水平的主要參數(shù)，其時(shí)實(shí)現(xiàn)器件高成品率的主要前提條件之一。因此，提高高碳化硅外延材料可用面積是提高其器件制備成品率的主要手段藝之一。然而，受制于碳化硅襯底晶體質(zhì)量、表面加工工藝和外延工藝等因素的影響，外延材料中不可避免的存在一些諸如淺劃痕、三角形、基平面位錯(cuò)等類型的缺陷，制約了可用面積的進(jìn)一步提高，而這些缺陷導(dǎo)致不能制備出性能合格的器件或者制備出的器件性能隨時(shí)間退化，進(jìn)而影響了器件成品率的提高。
目前，國(guó)際上通用的在外延生長(zhǎng)過程中引入高質(zhì)量緩沖層，通過引入緩沖層可以有效地抑制上述淺劃痕、三角形等缺陷，同時(shí)提高基平面位錯(cuò)缺陷向刃位錯(cuò)的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高外延材料的可用面積。國(guó)際上通用工藝其緩沖層和外延層采用同樣硅源生長(zhǎng)，然而，當(dāng)前采用的工藝存在一些諸如緩沖層效果不佳、與生長(zhǎng)速率等方面相沖突等問題。
因此，亟待解決上述問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種可有效減少最終外延層中淺劃痕、三角形、基平面位錯(cuò)等類型的缺陷，進(jìn)一步提高了外延材料的可用面積的碳化硅外延片的制備方法。
技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所述的一種提高有效面積的碳化硅外延片的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，將用于外延的碳化硅襯底放置到碳化硅化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室中；
步驟2，控制反應(yīng)室緩慢達(dá)到設(shè)定壓力和氫氣流量，在氫氣流中加熱反應(yīng)室至生長(zhǎng)溫度；
步驟3，設(shè)置生長(zhǎng)條件，開始生長(zhǎng)碳化硅外延層，包括下述步驟：
(3.1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到生長(zhǎng)溫度時(shí)，保持反應(yīng)室溫度、氣體流量和壓力恒定；
(3.2)向反應(yīng)室通入硅源和碳源作為生長(zhǎng)源，控制硅源、碳源和氫氣的流量比，即硅氫比小于0.02％、碳硅比為0.8～1.2，并通入摻雜源，形成生長(zhǎng)厚度為0.5～5μm，摻雜濃度為5E17～2E18cm-3的高摻緩沖層；
(3.3)將生長(zhǎng)源中的硅源更換為含氯硅源，控制含氯硅源和氫氣的流量比，即硅氫比小于0.08％、碳硅比為1～1.5，原位氫氣刻蝕10～60s；
(3.4)向反應(yīng)室通入生長(zhǎng)源和摻雜源，根據(jù)生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)設(shè)定生長(zhǎng)源和摻雜源的具體流量值和生長(zhǎng)時(shí)間，生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)外延結(jié)構(gòu)的碳化硅外延層；
步驟4，緩慢提高反應(yīng)室氫氣流量和氣壓，在大流量氫氣和較高壓力氣氛下冷卻碳化硅襯底；
步驟5，待反應(yīng)室冷卻后，抽反應(yīng)室至高真空或者使用氬氣反復(fù)置換，最后充填至大氣壓，取出碳化硅外延片。
本發(fā)明中的碳化硅外延片利用低碳硅比的硅源和碳源作為生長(zhǎng)源，以及摻雜源，低速生長(zhǎng)高質(zhì)量碳化硅高摻緩沖層，有效抑制淺劃痕、微管等各類缺陷；進(jìn)一步在上述高摻緩沖層的基礎(chǔ)上利用含氯硅烷高速生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)外延結(jié)構(gòu)的碳化硅外延層，有效減少了最終外延層中淺劃痕、三角形、基平面位錯(cuò)等類型的缺陷，提高了外延材料的可用面積。
其中，所述步驟1中碳化硅襯底選取偏向<11-20>方向4°或者8°的4H碳化硅襯底，包括3～6英寸導(dǎo)電碳化硅襯底和半絕緣碳化硅襯底。
優(yōu)選的，所述步驟2中控制反應(yīng)室壓力逐漸增大到80～150mbar和氫氣流量逐漸增大到60～120L/min后保持不變，再逐漸增大反應(yīng)室功率緩慢升高反應(yīng)室溫度至生長(zhǎng)溫度1550～1650℃。
再者，所述步驟3中硅源包括硅烷，碳源包括乙烯和丙烷，含氯硅源包括三氯氫硅和二氯氫硅。
優(yōu)選的，所述摻雜源為n型摻雜源高純氮?dú)饣蛘遬型摻雜源三甲基鋁。
進(jìn)一步，所述步驟3中的外延結(jié)構(gòu)包括JBS、PiN、JFET、MOSFET和探測(cè)器。
再者，所述步驟4中反應(yīng)室中的氫氣流量為生長(zhǎng)時(shí)氫氣流量的1.2倍，反應(yīng)室中的壓力為500-1000mbar。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：首先該碳化硅外延片利用低碳硅比的硅源和碳源作為生長(zhǎng)源，以及摻雜源，低速生長(zhǎng)高質(zhì)量碳化硅高摻緩沖層，有效抑制淺劃痕、微管等各類缺陷；進(jìn)一步在上述高摻緩沖層的基礎(chǔ)上利用含氯硅烷高速生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)外延結(jié)構(gòu)的碳化硅外延層，有效減少了最終外延層中淺劃痕、三角形、基平面位錯(cuò)等類型的缺陷，提高了外延材料的可用面積；最后該制備方法工藝簡(jiǎn)單合理且兼容于現(xiàn)有外延工藝，適用于工藝推廣。
附圖說明
圖1為本發(fā)明制備的外延材料以2×2mm2器件大小為標(biāo)準(zhǔn)的Candela測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的一種提高有效面積的碳化硅外延片的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，碳化硅襯底選取偏向<11-20>方向4°或者8°的4H碳化硅襯底，包括3～6英寸導(dǎo)電碳化硅襯底和半絕緣碳化硅襯底，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，放置到的碳化硅化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室中；
步驟2，控制反應(yīng)室緩慢達(dá)到設(shè)定壓力和氫氣流量，在氫氣流中加熱反應(yīng)室至生長(zhǎng)溫度，具體步驟為：
(2.1)打開通向反應(yīng)室的氫氣開關(guān)，控制氫氣流量逐漸增大到60～120L/min；
(2.2)同時(shí)控制反應(yīng)室壓力逐漸達(dá)到80～150mbar；
(2.3)同時(shí)逐漸增大反應(yīng)室功率緩慢升高反應(yīng)室溫度至生長(zhǎng)溫度1550～1650℃。
步驟3，設(shè)置生長(zhǎng)條件，開始生長(zhǎng)碳化硅外延層，包括下述步驟：
(3.1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到生長(zhǎng)溫度時(shí)，保持反應(yīng)室溫度、氫氣流量和壓力恒定；
(3.2)向反應(yīng)室通入硅源和碳源作為生長(zhǎng)源，其中硅源包括硅烷，碳源為氣態(tài)碳?xì)浠衔?，包括乙烯和丙烷；控制硅源、碳源和氫氣的流量比，即硅氫比小?.02％、碳硅比為0.8～1.2，并通入摻雜源，即摻雜源為n型摻雜源高純氮?dú)饣蛘遬型摻雜源三甲基鋁，形成生長(zhǎng)厚度為0.5～5μm，摻雜濃度為5E17～2E18cm-3的高摻緩沖層；
(3.3)將生長(zhǎng)源中的硅源更換為含氯硅源，該含氯硅源包括三氯氫硅和二氯氫硅，控制含氯硅源、碳源和氫氣的流量比，即硅氫比小于0.08％、碳硅比為1～1.5，不進(jìn)入反應(yīng)室直接排空，原位氫氣刻蝕10～60s；
(3.4)向反應(yīng)室通入生長(zhǎng)源和摻雜源，根據(jù)生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)設(shè)定生長(zhǎng)源和摻雜源的具體流量值和生長(zhǎng)時(shí)間，生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)外延結(jié)構(gòu)的碳化硅外延層，其中外延結(jié)構(gòu)包括JBS(結(jié)肖特基二極管)、PiN、JFET(結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和探測(cè)器；
步驟4，在大流量氫氣和較高壓力氣氛下冷卻碳化硅襯底，具體步驟：
(4.1)當(dāng)外延層生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉生長(zhǎng)源、摻雜源和氮?dú)獾倪M(jìn)入反應(yīng)室的開關(guān)，停止生長(zhǎng)；
(4.2)緩慢提高反應(yīng)室氫氣流量和氣壓，在大流量氫氣和較高壓力氣氛下冷卻碳化硅襯底，其中氫氣流量為生長(zhǎng)時(shí)氫氣流量的1.2倍，反應(yīng)室中的壓力為800mbar；
步驟5，待反應(yīng)室冷卻后，抽反應(yīng)室至高真空或者使用氬氣反復(fù)置換，最后充填至大氣壓，取出碳化硅外延片。
實(shí)施例
一種提高有效面積的碳化硅外延片的制備方法，包括如下步驟：
步驟1，碳化硅襯底選取偏向<11-20>方向4的(0001)硅面4H-SiC導(dǎo)電襯底并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，放置到的碳化硅化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室中；
步驟2，控制反應(yīng)室緩慢達(dá)到設(shè)定壓力和氫氣流量，在氫氣流中加熱反應(yīng)室至生長(zhǎng)溫度，具體步驟為：
(2.1)打開通向反應(yīng)室的氫氣開關(guān)，控制氫氣流量逐漸增大到100L/min；
(2.2)同時(shí)控制反應(yīng)室壓力逐漸達(dá)到95mbar；
(2.3)同時(shí)逐漸增大反應(yīng)室功率緩慢升高反應(yīng)室溫度至生長(zhǎng)溫度1640℃。
步驟3，設(shè)置生長(zhǎng)條件，開始生長(zhǎng)碳化硅外延層，包括下述步驟：
(3.1)當(dāng)反應(yīng)室溫度達(dá)到生長(zhǎng)溫度1640℃時(shí)，保持反應(yīng)室溫度、氫氣流量和壓力恒定；
(3.2)向反應(yīng)室通入流量流量為15ml/min硅烷和流量為5ml/min乙烯作為生長(zhǎng)源，并通入流量為800ml/min n型摻雜源高純氮?dú)猓纬缮L(zhǎng)厚度為1μm，摻雜濃度為1.2E18cm-3的高摻緩沖層；
(3.3)將生長(zhǎng)源中的硅烷更換為三氯氫硅(TCS)，其中，三氯氫硅的流量為90ml/min、乙烯的流量為28ml/min及摻雜源高純氮?dú)獾牧髁繛?0ml/min，不進(jìn)入反應(yīng)室直接排空，原位氫氣刻蝕30秒；
(3.4)向反應(yīng)室通入生長(zhǎng)源和摻雜源，根據(jù)生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)設(shè)定生長(zhǎng)源和摻雜源的具體流量值和生長(zhǎng)時(shí)間，生長(zhǎng)JBS結(jié)構(gòu)的碳化硅外延層；
步驟4，在大流量氫氣和較高壓力氣氛下冷卻碳化硅襯底，具體步驟：
(4.1)當(dāng)外延層生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉生長(zhǎng)源、摻雜源和氮?dú)獾倪M(jìn)入反應(yīng)室的開關(guān)，停止生長(zhǎng)；
(4.2)緩慢提高反應(yīng)室氫氣流量和氣壓，在大流量氫氣和較高壓力氣氛下冷卻碳化硅襯底，其中氫氣流量為生長(zhǎng)時(shí)氫氣流量的1.2倍，反應(yīng)室中的壓力為800mbar；
步驟5，待反應(yīng)室冷卻后，抽反應(yīng)室至高真空或者使用氬氣反復(fù)置換，最后充填至大氣壓，取出碳化硅外延片。
本專利提供的實(shí)施例中制備的外延材料以2×2mm2器件大小為標(biāo)準(zhǔn)的Candela測(cè)試結(jié)果列于附圖1，通過數(shù)據(jù)可以看出可用面積達(dá)到98.52％，本發(fā)明的碳化硅外延片利用低碳硅比的硅源和碳源作為生長(zhǎng)源，以及摻雜源，低速生長(zhǎng)高質(zhì)量碳化硅高摻緩沖層，有效抑制淺劃痕、微管等各類缺陷；進(jìn)一步在上述高摻緩沖層的基礎(chǔ)上利用含氯硅烷高速生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)外延結(jié)構(gòu)的碳化硅外延層，有效減少了最終外延層中淺劃痕、三角形、基平面位錯(cuò)等類型的缺陷，提高了外延材料的可用面積；最后該制備方法工藝簡(jiǎn)單合理且兼容于現(xiàn)有外延工藝，適用于工藝推廣。