一种低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体材料的制备方法，具体涉及一种低掺杂浓度碳化硅外延的 制备方法。
【背景技术】
[0002] 碳化硅（SiC)是继第一代半导体材料硅、锗和第二代半导体材料砷化镓、磷化铟 后发展起来的第三代半导体材料，具有高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和漂移速 率、优越的机械特性和物理、化学稳定性等特点，在高温、高频、大功率、抗辐射等领域，尤其 是高温或强腐蚀性等恶劣环境中具有巨大的应用潜力。
[0003] 碳化硅材料的宽禁带是硅和砷化镓的2~3倍，使得半导体器件能在相当高的温 度下（500°C以上）工作以及具有发射蓝光的能力；高击穿电场比硅和砷化镓均要高一个数 量级，决定了半导体器件的高压、大功率性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了 器件的高频、高速工作性能；导热率是硅的3. 3倍，砷化镓的10倍，意味着其导热性能好，可 以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积。因此，随着碳化 硅材料和器件工艺的不断完善，部分Si领域被碳化硅来替代指日可待。由于碳化硅具有的 特点，特别适合大功率、高电压电力电子器件，成为当前电力电子领域的研宄热点。
[0004] 不同种类的SiC功率器件需要不同厚度和掺杂浓度的漂移层，通过升华法得到的 SiC衬底材料无法直接满足这样的器件制备要求，因此SiC外延生长技术为SiC器件制备 中必不可少的工艺。常见的外延生长技术包括化学气相淀积（CVD)、分子束外延生长（MBE) 和液相外延生长（LPE)。因 CVD法的生长速率高，可生长高纯度、大尺寸的SiC外延片，且能 有效地减少SiC外延材料中的各种缺陷，且CVD系统简单，对真空度的要求不高，这些优点 使得化学气相沉积技术成为SiC外延生长中的主流技术。
[0005] CVD技术是利用载气将反应气体运输到外延生长室内，使它们在热衬底上发生化 学反应并沉积得到外延材料的过程。在化学反应过程中产生的副产物被载气携带到生长腔 室外部。SiC外延生长的主要过程包括升温、原位刻蚀、外延生长和降温过程。在整个生长 过程中，始终使用大流量的H 2对生长腔室进行吹扫。一方面，活泼的氢原子在高温下可以 与SiC进行化学反应，起到原位刻蚀的作用；另一方面，H 2可以充当载气将低流量的反应源 气体输运到SiC晶片表面。原位刻蚀的作用为去除衬底表面的可能存在的划痕和外来颗粒 物，以获得原子级SiC衬底表面。
[0006] 制备具有高耐压、低反向漏电流的SiC功率器件，需要外延得到背景掺杂浓度低 于IO 15CnT3的漂移层。除了通过调整生长时的C/Si来获得低的背景掺杂浓度，即所谓的竞 位掺杂技术外，由于外延生长过程控制不合理，导致的腔体内部高浓度杂质对碳化硅晶元 浓度的影响，是直接关系到能不能制备出合格外延材料的前提条件。研宄发现，腔体内高浓 度的杂质是对掺杂浓度影响较大的因素之一，尤其对低掺杂浓度的外延材料的影响。
[0007] 通常采用电学表征方法（C-V测试）对碳化硅外延材料的掺杂浓度及均匀性问题 进行表面测试。汞探针电容-电压（C-V)测试法是测量半导体外延材料（如硅外延层、砷 化镓外延层和SiC外延层）的掺杂浓度的标准方法。汞探针与外延片表面接触，形成肖特 基接触，外延片的衬底吸附于真空金属吸盘并形成欧姆接触。在汞探针与外延片之间加一 反向偏压，结的势皇宽度向外延层中扩展。此测试法对样品没有破坏性的损伤，但是对样品 的导电类型有一定要求，外延层与衬底需要具有相同的导电类型（η型或者P型），且衬底需 要具有较高的电导率以便形成良好的欧姆接触。其可测量的外延层的掺杂浓度范围很大， 对于SiC而言，可以测量的载流子浓度范围一般在IO 13~10 18CnT3。利用其反馈结果指导外 延生长工艺的调整和优化。
【发明内容】
[0008] 本技术发明的目的是提供一种低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法，提高外延掺杂 浓度的可控性，降低碳化硅器件性能的离散，提高晶片质量。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0010] 一种低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0011] 1)外延腔体的吹扫：于1200°C~1700°C下，以100~2000sccm的流量向腔体中 通刻蚀气体至压力60~350mT ;
[0012] 2)缓冲层生长：向减压下的、放置有净化处理的碳化硅衬底的外延腔中通入4至 IO4Pa压力，1500°C恒温5min后，通入生长及掺杂气体生长缓冲层；
[0013] 3)腔体再吹扫：于1500~1700°C下，以10~300sccm的流量向腔体中通刻蚀气 体至 2〇~2OOmT压力；
[0014] 4)外延层生长：于1500~1700°C下通入生长及掺杂气体生长外延层。
[0015] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第一优选技术方案，所述刻蚀气体为 从4和HCl中选出的一种气体。
[0016] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第二优选技术方案，所述刻蚀气体为 H20
[0017] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第三优选技术方案，步骤1的所述吹 扫的时间为100~6000s。
[0018] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第四优选技术方案，所述衬底材料为 4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC 或 15R-SiC。
[0019] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第五优选技术方案，所述衬底尺寸为 3寸、4寸或6寸。
[0020] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第六优选技术方案，所述外延腔结构 为水平式或垂直式。
[0021] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第七优选技术方案，所述生长气体中 碳源为C 2H4或C 3H8，硅源为SiH4或SiHCl 3。
[0022] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第八优选技术方案，所述生长气体包 括 HCl。
[0023] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第九优选技术方案，所述掺杂气体为 N2或三甲基铝。
[0024] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第十优选技术方案，所述缓冲层的掺 杂浓度为 1015-1021cnT3。
[0025] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第十一优选技术方案，步骤3所述吹 扫的时间为10~60s。
[0026] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第十二优选技术方案，所述外延层的 掺杂浓度为IO ici-IO2ciCm'
[0027] 所述的低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法的第十三优选技术方案，所述外延层的 生长时间为1~120min。
[0028] 氢气刻蚀必须注意两因素：一是刻蚀温度，二是刻蚀时间。当刻蚀温度和时间不足 时，刻蚀不完全，仍然存在高浓度附着物，同样会影响外延材料的质量；当刻蚀温度过高和 刻蚀时间过长时，晶圆表面会出现过刻蚀的情况，衬底表面会出现更加粗糙的现象。
[0029] 在吹扫过程中，主氢气流量应趋于平坦，结合气浮旋转气流，最终可以均匀的刻蚀 掉缓冲层生长过程中在外延腔内产生的高掺杂浓度物质。
[0030] 外延生长开始前对外延腔体吹扫能够有效的防止记忆效