[发明专利]一种低掺杂浓度碳化硅外延的制备方法

说明书

技术领域

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

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。

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℃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究热点。

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。

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H₂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，H₂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。

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10¹⁵cm^-3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。研究发现，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。

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，结的势垒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(n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10¹³～10¹⁸cm^-3。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

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。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

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：

1)外延腔体的吹扫：于1200℃～1700℃下，以100～2000sccm的流量向腔体中通刻蚀气体至压力60～350mT；

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H₂至10⁴Pa压力，1500℃恒温5min后，通入生长及掺杂气体生长缓冲层；