[发明专利]非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流快速生长方法

说明书

本发明公开了非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流快速生长方法。采用富C工艺(Si/H₂＝0.97‰，C/Si＝1.55)进行外延层高速生长，生长气氛中保持较高的C源相对化学势μ_C可以实现外延生长时优先吸附的生长单体为SiC分子，将生长台阶高度稳定在1/2c或1c，在实现高速外延生长的同时，得到较好的表面粗糙度和较低的离化掺杂浓度。

技术领域

本发明涉及非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流快速生长方法。

背景技术

随着电力传输、电力转化、航空航天、军事以及核能等领域对于高温、大功率、高压以及抗辐射电子器件的迫切需要，以SiC、GaN、ZnO等为代表的宽禁带化合物半导体材料逐渐引起人们的注意。其中，SiC材料具有宽禁带宽度、高热导率、高耐击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点。

由于SiC功率器件的价格与同类型的Si基器件相比依然处于劣势，需要通过增加晶圆尺寸来降低SiC功率器件的成本，法国YOLE公司的统计资料显示150mm 4H-SiC 1200V/20A MOSFET器件与同规格的100mm 4H-SiC器件相比，成本降低了45％。因此，获得大尺寸高品质4H-SiC厚膜外延晶片，以降低SiC器件成本和扩充SiC器件在高压大功率领域的应用，对SiC产业的发展意义非凡。

SiC材料以其周期性排列方式的不同，目前已知的有近250种多晶型，其多晶型的结构特性给晶体生长带来了很大的困难。最常见的晶体结构为3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，其中4H-SiC是目前研究和应用最为广泛的一种碳化硅半导体材料，禁带宽度较高，电子迁移率是6H-SiC的两倍，非常适合于制备高压大功率电力电子器件。当前，常见的SiC外延方法主要有化学气相外延技术(Chemical Vapor Phase Epitaxy,CVPE)、液相外延法(LiquidPhase Epitaxy,LPE)、升华法(Sublimation Epitaxy,PVT)以及分子束外延法(MolecularBeam Epitaxy,MBE)，各有所长。

化学气相沉积(CVD)相比其他外延方法，通过引源气进入反应室进行化学反应，最后在衬底表面外延生长碳化硅层。可以通过调节C/Si比和氮气掺入量，更好地控制掺杂浓度；通过提高源气流量，降低反应室压力等，可有效提高生长速度，进而提高生长效率；通过调节载气流量及其比例、生长温度等参数，可以有效改善表面缺陷分布和外延层厚度均匀性。非常适合于碳化硅外延的批量性生产，目前已成为最为普及的4H-SiC外延方法。

由于层错形成能很低，碳化硅晶体在生长过程中很容易生成缺陷，甚至会出现多晶型的夹杂。4H-SiC晶体生长中常见的缺陷主要包括：多晶夹杂、碳包裹物(CarbonInclusions)、层错(Stacking Faults,SFs)、微管(Micropipe，MPs)、穿透螺位错(Threading Screw Dislocation,TSD)、穿透刃位错(Threading Edge Dislocation,TED)和基面位错(Basal Plane Dislocation,BPD)。4H-SiC衬底内的位错缺陷会随着块晶的生长逐步延生至晶体内，无法通过工艺方法完全去除，所以生长高品质的4H-SiC同质外延层是制备4H-SiC电力电子器件的基础。由于4H-SiC材料物理和化学性质稳定，与传统的硅材料相比，很难进行扩散掺杂，无法直接使用4H-SiC衬底材料进行器件制备，器件制备所需的材料结构必须通过外延生长来完成。