專(zhuān)利名稱(chēng)：高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的制造，特別是高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的 方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于大功率和高頻電路的增加，相應(yīng)增加了對(duì)既能處理較大功 率負(fù)載又能在更高頻率下工作的晶體管的需求。人們除了在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 不斷改進(jìn)以外，更基本的是器件工作參數(shù)更依賴(lài)于材料本身的特性。
電子遷移率是電場(chǎng)存在情況下電子加速到它的飽和速度的快慢程度的測(cè) 量值，飽和電子漂移速度是在半導(dǎo)體材料中電子獲得的最大速度。因?yàn)檩^高 速度使得器件從源到漏得時(shí)間較短，所以對(duì)于高頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，優(yōu)先選用具有 較高電子飽和漂移速度的材料。擊穿場(chǎng)強(qiáng)是肖特基結(jié)擊穿和穿過(guò)器件的柵的 電流突然增加時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，由于較大的電場(chǎng)比較小的電場(chǎng)更快的加速電子， 對(duì)較快的瞬變過(guò)程選擇較大的電場(chǎng)。因?yàn)榻o定的材料尺寸可以接受較大的電 場(chǎng)，所以大功率和高頻晶體管優(yōu)先選用高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的材料。導(dǎo)熱系數(shù)是半導(dǎo) 體材料散熱能力的體現(xiàn)，任何晶體管在工作中都會(huì)產(chǎn)生熱，大功率和高頻晶 體管產(chǎn)生熱量更是高于小信號(hào)晶體管產(chǎn)生的熱量。當(dāng)半導(dǎo)體材料的溫度增加 時(shí)，其電子遷移率會(huì)降低，導(dǎo)致結(jié)漏電流增加，并且通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電 流也會(huì)降低。如果材料具有較好的散熱特性，器件可維持較低的溫度并以較 低的漏電流承載較大的工作電流。
相對(duì)于Si和GaAs來(lái)說(shuō)，SiC具有更好的材料特性。比如4H-SiC，大約 4 x 106V/cm擊穿場(chǎng)強(qiáng)，大約2 x 107cm/s電子漂移速度和大約4.9W/cm 'K的 熱導(dǎo)率，同時(shí)具有高化學(xué)穩(wěn)定性和抗輻射性能。這些優(yōu)異的材料特性表明SiC 適合于高功、高溫和高頻應(yīng)用。因此，制作在SiC基上的電子器件具有高擊 穿電壓、響應(yīng)時(shí)間快和尺寸小等特點(diǎn)，減小甚至除去了冷卻裝置所占的空間 和重量，降低了器件制作成本和提高了功率器件的集成度。
因?yàn)镸ESFET (金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，Metal Semiconductor Field Effect Transistor)的肖特基柵結(jié)構(gòu)可以使MESFET更適合于高頻應(yīng)用，SiC
MESFET器件越來(lái)越受到人們的重視。MESFET結(jié)構(gòu)中除襯底外的半導(dǎo)體層 都是外延形成的，生長(zhǎng)在SiC襯底上的每個(gè)外延層都將直接影響到制作器件 的特性。在優(yōu)選的SiC MESFET結(jié)構(gòu)中，最上面一層就是高濃度纟參雜的外延 層，以獲得較小的歐姆接觸電阻，如圖1所示，SiC材料可分為三層SiC 襯底、緩沖層和SiC外延層。
目前，提高碳化硅外延單晶薄膜摻雜濃度的方法，主要是都是通過(guò)改變 摻雜劑的流量來(lái)控制摻雜濃度的，因此高的摻雜濃度需要大流量的摻雜劑。
大流量的摻雜劑在外延生長(zhǎng)的高溫過(guò)程中會(huì)有部分雜質(zhì)滲入到反應(yīng)室部 件里面和黏附在反應(yīng)室內(nèi)壁的淀積層中，在下一爐次生長(zhǎng)時(shí)，這些雜質(zhì)在高 溫狀態(tài)下逸出參與外延化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致外延時(shí)摻雜劑濃度偏高，造成得到的 外延濃度結(jié)果高于預(yù)期濃度，也使得制造工藝條件無(wú)法控制，這就是所謂的 記憶效應(yīng)。因此在外延過(guò)程中應(yīng)盡量避免使用大流量摻雜劑，以免造成嚴(yán)重 的記憶效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明提供的高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，通 過(guò)調(diào)整生長(zhǎng)源的流量比例，而不需要增加摻雜劑的流量，從而不會(huì)形成記憶 效應(yīng)。
本發(fā)明提供的N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，包括以下步驟:
11) 襯底的準(zhǔn)備；
12) 對(duì)襯底的原位預(yù)處理；
13) 緩沖層的生長(zhǎng)；
14) 通入含碳生長(zhǎng)源、含硅生長(zhǎng)源和摻雜劑，進(jìn)行碳化硅外延的生長(zhǎng)， 其特征在于，所迷步驟14)進(jìn)一步包括，通入含碳生長(zhǎng)源的流量在5ml/min 至25ml/min之間，通入含硅生長(zhǎng)源的流量在10ml/min至50ml/min之間，并 且通入摻雜劑的流量在5ml/min至2000ml/min之間。
優(yōu)選地，所述含碳生長(zhǎng)源為C3H8，所述含硅生長(zhǎng)源為SiH4，所述摻雜劑
為N2。
優(yōu)選地，通入C3H8的流量在5ml/min至10ml/min之間，通入SiH4的流
量在15ml/min至30ml/mm之間，通入N2的流量在lOOOml/min至1500ml/min 之間。
優(yōu)選地，通入C3Hs的流量為5ml/min，通入SiH4的流量為25ml/min， 通入N2的流量為1500ml/mm。
本發(fā)明還提供一種P型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，包括以下
51)襯底的準(zhǔn)備；
52 )襯底的原位預(yù)處理；
53) 緩沖層的生長(zhǎng)；
54) 通入含碳生長(zhǎng)源、含硅生長(zhǎng)源和摻雜劑，進(jìn)^^l化-圭外延的生長(zhǎng)， 所述步驟54)進(jìn)一步包括，通入含碳生長(zhǎng)源的流量在5ml/min至50ml/min 之間，通入含硅生長(zhǎng)源的流量在10ml/min至50ml/min之間，并且通入摻雜 劑的流量在3.65xl(T5ml/min至50ml/min之間。
優(yōu)選地，所述含碳生長(zhǎng)源為C3H8，所述含硅生長(zhǎng)源為SiH4，所述摻雜劑 為三甲基鋁。
優(yōu)選地，通入C3H8的流量在5ml/min至15ml/min之間，通入SiH4的流 量在15ml/min至35ml/min之間，通入三甲基鋁的流量在3.65xl(T5ml/min至 0.2ml/min。
優(yōu)選地，通入C3Hg的流量為10ml/min,通入SiH4的流量為20ml/min, 通入三曱基鋁的流量為0.01374ml/min。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法， 在碳化硅外延生長(zhǎng)中，N型摻雜劑和P型摻雜劑被認(rèn)為分別進(jìn)入晶格中的C 位和Si位，對(duì)于N型外延生長(zhǎng)，如果減小丙烷流量即降低碳硅比例而保持N 型摻雜劑流量不變，此時(shí)C原子的濃度降低，導(dǎo)致表面Si原子懸掛鍵的飽和 程度降低，有利于N原子進(jìn)入晶格中本屬于C原子的位置與Si原子結(jié)合， 提高了 N原子的利用效率，也即是提高了薄膜中的N型摻雜濃度。對(duì)P型外 延剛好相反，保持摻雜劑流量不變而提高碳硅比，可起到提高外延薄膜外延 濃度的效果。
總而言之，本發(fā)明高摻雜濃度的石灰化硅外延生長(zhǎng)的方法，能夠在保持較
小摻雜劑流量的情況下，有效的提高碳化硅外延單晶薄膜摻雜濃度，不會(huì)形 成記憶效應(yīng)，得到的外延材料晶格質(zhì)量好，缺陷密度低，工藝重復(fù)性和一致
性好，適合M^莫生產(chǎn)。


圖1所示為SiC材料結(jié)構(gòu)剖面圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例的原子力顯孩"竟測(cè)試結(jié)果圖； 圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例的搖擺曲線FWHM結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
以下為本發(fā)明提供的第 一實(shí)施例。
本發(fā)明實(shí)施例提供的N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法,包括以 下步驟
1) 選擇4H-SiC半絕緣襯底Si面外延生長(zhǎng)，將襯底置于有碳化鉭涂層的 石墨基座上；
2) 徐徐升溫至1450°C,設(shè)置壓力為100mbar,在H2 (流量80L/min)和 C3H8 (流量10ml/min)氣氛下在線對(duì)襯底表面進(jìn)行處理30min,去除表面的 損傷和沾污；
3) 徐徐升溫至1550。C,設(shè)置壓力為100mbar,通入SiH4(流量22.5ml/min)、 C3H8 (流量5ml/min)和三曱基鋁(TMA)生長(zhǎng)0.5 ja m的緩沖層；
4) 設(shè)置生長(zhǎng)壓力為100mbar，通入生長(zhǎng)源SiH4流量和C3H8流量分別為 25ml/min和5ml/min，通入摻雜劑流量為1.5L/min的N2生長(zhǎng)高摻雜濃度外延 層；
5) 關(guān)閉生長(zhǎng)源和摻雜源，降溫。
本發(fā)明實(shí)施例提供的高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法,步驟4)中生 長(zhǎng)源SiH4流量和C3Hs流量分別為25ml/min和5ml/min，碳硅比為3:5，此時(shí)C 原子的濃度降低，導(dǎo)致表面Si原子懸掛鍵的飽和程度降低，有利于N原子 進(jìn)入晶格中本屬于C原子的位置與Si原子結(jié)合,提高了 N原子的利用效率，
也即是提高了薄膜中的N型摻雜濃度。同時(shí)，摻雜劑N2的流量為1.5ml/min, 如此小流量的摻雜劑在外延生長(zhǎng)的高溫過(guò)程中也不會(huì)有很多雜質(zhì)滲入到反 應(yīng)室部件里面和黏附在反應(yīng)室內(nèi)壁的淀積層中，從而不會(huì)產(chǎn)生記憶效應(yīng)，不 會(huì)影響下一爐次的生長(zhǎng)。
原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)可以測(cè)定SiC外延薄膜的粗糙度(Rms)來(lái) 表征薄膜的表面質(zhì)量。如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例的原子力顯微鏡測(cè)試結(jié)果 圖，利用本實(shí)施例生長(zhǎng)的外延薄膜表面形貌在散光燈下觀察呈鏡面，AFM測(cè) 試結(jié)果表明薄膜的粗糙度(Rms)低于0.3nm。 X射線衍射(XRD)技術(shù)可 以測(cè)定半導(dǎo)體單晶薄膜的搖擺曲線半高寬(FWHM)來(lái)表征晶體質(zhì)量。如圖 3所示為本發(fā)明實(shí)施例的搖擺曲線FWHM結(jié)果圖，本實(shí)施例方法制作的樣品 面搖擺曲線FWHM小于30 arcsec。 以下為本發(fā)明提供的第二實(shí)施例。
本發(fā)明實(shí)施例提供的P型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，包括以 下步驟
1) 選擇4H-SiC導(dǎo)電襯底Si面外延生長(zhǎng)，將襯底置于有碳化鉭涂層的石 墨基座上；
2) 徐徐升溫至1450°C，設(shè)置壓力為100mbar,在H2 (流量80L/min)和 C3H8 (流量10ml/min)氣氛下在線對(duì)襯底表面進(jìn)行處理30min，去除表面的 損傷和沾污；
3) 徐徐升溫至1575。C，設(shè)置壓力為100mbar，通入SiHt(流量10ml/min)、 C3H8 (流量5ml/min)生長(zhǎng)1 |a m的本征緩沖層；
4) 設(shè)置生長(zhǎng)壓力為100mbar，通入生長(zhǎng)源SiHj流量和(:3118流量分別為 20ml/min和10ml/min，通入摻雜劑流量為0.01374ml/min的三曱基鋁(TMA) 生長(zhǎng)高摻雜P型濃度外延層；
5) 關(guān)閉生長(zhǎng)源和摻雜源，降溫。
本發(fā)明實(shí)施例提供的高摻雜P型濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法,步驟4) 中生長(zhǎng)源SiH4流量和C3Hs流量分別為20ml/min和10ml/min,碳硅比為3:2，
此時(shí)反應(yīng)物中C原子的濃度增加，有利于Al原子進(jìn)入晶格中與C原子結(jié)合， 提高了 Al原子的利用效率，也即是提高了薄膜中的P型摻雜濃度。同時(shí),摻 雜劑三曱基鋁(TMA)的流量為0.01374ml/min,如此小流量的4參雜劑在外延 生長(zhǎng)的高溫過(guò)程中也不會(huì)有很多雜質(zhì)滲入到反應(yīng)室部件里面和黏附在反應(yīng)室 內(nèi)壁的淀積層中，從而不會(huì)產(chǎn)生記憶效應(yīng)，不會(huì)影響下一爐次的生長(zhǎng)。
本發(fā)明中所涉碳化硅襯底包括N型、P型或半絕緣的3C-SiC、 4H-SiC、
6H-SiC、 15R-SiC等。
本發(fā)明實(shí)施例提供的高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，能夠在保持
較小摻雜劑流量的情況下，有效的提高碳化硅外延單晶薄膜摻雜濃度，不會(huì)
形成記憶效應(yīng)，得到的外延材料晶格質(zhì)量好，缺陷密度低，工藝重復(fù)性和一
致性好，適合規(guī)模生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1、一種N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，包括以下步驟11)襯底的準(zhǔn)備；12)對(duì)襯底的原位預(yù)處理；13)緩沖層的生長(zhǎng)；14)通入含碳生長(zhǎng)源、含硅生長(zhǎng)源和摻雜劑，進(jìn)行碳化硅外延的生長(zhǎng)，其特征在于，所述步驟14)進(jìn)一步包括，通入含碳生長(zhǎng)源的流量在5ml/min至25ml/min之間，通入含硅生長(zhǎng)源的流量在10ml/min至50ml/min之間，并且通入摻雜劑的流量在5ml/min至2000ml/min之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，其 特征在于，所述含碳生長(zhǎng)源為C3H8,所述含硅生長(zhǎng)源為SiH4，所述摻雜劑為 N2。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，其 特征在于，通入C3H8的流量在5ml/min至10ml/min之間，通入SiH4的流量在 15ml/min至30ml/min之間，通入N2的流量在1000ml/min至1500ml/min之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，其 特征在于，通入C3Hs的流量為5ml/min,通入SiH4的流量為25ml/min，通入 N2的流量為1500ml/min。
5、 一種P型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，包括以下步驟 51 )襯底的準(zhǔn)備；52) 襯底的原位預(yù)處理；53) 緩沖層的生長(zhǎng)；54) 通入含碳生長(zhǎng)源、含硅生長(zhǎng)源和摻雜劑，進(jìn)行碳化硅外延的生長(zhǎng)， 其特征在于，所述步驟54 )進(jìn)一步包括，通入含碳生長(zhǎng)源的流量在5ml/min至50ml/min之間，通入含珪生長(zhǎng)源的流量在10ml/min至50ml/min之間，并 且通入摻雜劑的流量在3.65x10-5ml/min至50ml/min之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的P型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，其 特征在于，所述含碳生長(zhǎng)源為C3H8,所述含硅生長(zhǎng)源為SiH4,所述摻雜劑為 三甲基鋁。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的P型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，其特征在于，通入C3H8的流量在5ml/min至15ml/min之間，通入SiH4的流量在 15ml/min至35ml/min之間，通入三曱基鋁的流量在3.65xl(T5ml/min至 0.2ml/min。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的P型高摻雜濃度的-灰化硅外延生長(zhǎng)的方法，其 特征在于，通入C3Hg的流量為10ml/min,通入SiH4的流量為20ml/min，通入 三甲基鋁的流量為0.01374ml/min。
全文摘要
本發(fā)明提供一種N型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法，包括以下步驟11)襯底的準(zhǔn)備；12)對(duì)襯底的原位預(yù)處理；13)緩沖層的生長(zhǎng)；14)通入含碳生長(zhǎng)源、含硅生長(zhǎng)源和摻雜劑，進(jìn)行碳化硅外延的生長(zhǎng)，其特征在于，所述步驟14)進(jìn)一步包括，通入含碳生長(zhǎng)源的流量在5ml/min至25ml/min之間，通入含硅生長(zhǎng)源的流量在10ml/min至50ml/min之間，并且通入摻雜劑的流量在5ml/min至2000ml/min之間。本發(fā)明還提供一種P型高摻雜濃度的碳化硅外延生長(zhǎng)的方法。該方法，能夠在保持較小摻雜劑流量的情況下，有效的提高碳化硅外延單晶薄膜摻雜濃度，不會(huì)形成記憶效應(yīng)，得到的外延材料晶格質(zhì)量好，缺陷密度低，工藝重復(fù)性和一致性好，適合規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C30B25/02GK101104952SQ200710025328
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者李哲洋, 松 柏 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所