一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，通过外延生长前采用调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀处理碳化硅衬底，通过引入相对温和的氩气解决了纯氢气刻蚀导致衬底表面破坏大的问题，且温场与纯氢气刻蚀相比更加均匀，在有效处理衬底化学机械抛光引入的损伤层的同时，减少甚至消除了外延初期衬底表面的不稳定性，从而极大减少了由于衬底原因引伸到外延层中的表面缺陷，可以有效降低外延层中的表面缺陷密度。本发明专利技术方法工艺简单易行且兼容现有外延工艺，具有较高的推广价值。

A Method for Reducing Defect Density of SiC Epitaxial Surface

The invention discloses a method for reducing the density of defects on the surface of silicon carbide epitaxy. The silicon carbide substrate is treated by in-situ composite etching in a mixed atmosphere of hydrogen and argon before epitaxy growth. The problem of large surface damage caused by pure hydrogen etching is solved by introducing relatively mild argon gas, and the temperature field and pure hydrogen etching phase are obtained. More uniform, while effectively treating the damaged layer introduced by CMP on the substrate, the instability of the substrate surface at the initial stage of epitaxy is reduced or even eliminated, which greatly reduces the surface defects extended into the epitaxy layer due to the substrate reason, and can effectively reduce the density of surface defects in the epitaxy layer. The process of the method is simple, feasible and compatible with the existing epitaxy process, and has high popularization value.

【技术实现步骤摘要】
一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法
本专利技术属于半导体外延材料
，尤其涉及一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法。
技术介绍
第三代宽禁带半导体材料中，碳化硅(SiC)具有宽禁带、高击穿场强和高热导率等优异的物理性能和电学性能，使其在高温、高压和高频器件等领域具有十分广阔的应用前景。4H-SiC是SiC多型中性能最优异的材料，具有更大的带隙以及体电子迁移率，较小的各项异性，是研制电力电子器件的首选材料。目前，SiC电力电子器件已被广泛用于混合动力汽车、电动汽车设备、SiC器件电源模块、SiC变频空调、SiC逆变器等领域。对比传统的硅器件，4H-SiC电力电子器件最大的优势就是能够高压、超高压工作，其研制需要高质量的碳化硅外延材料。目前4H-SiC电力电子器件用外延材料主要采用化学气相沉积的方法在低偏角(主要是4°)衬底上制备，随着关键技术的突破，可以在衬底上生长高质量的外延材料，工程化的4H-SiC外延材料可以达到表面外延缺陷密度<1cm-2的水平。在常规的SiC外延工艺中，在开始外延生长之前，一般都会对衬底进行原位高温氢气刻蚀处理，以提高外延片表面质量。尽管如此，常规工艺刻蚀处理后，外延后外延片表面仍然存在一定量的衬底引入的表面缺陷。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，包括步骤：(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积设备内的基座上；(2)设置反应室压力为80-150mbar，氢气流量为80-150L/min，升温至温度1400-1500℃；(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1-10分；(4)保持反应室压力和氢气流量不变，向反应室通入氩气，Ar/H2流量比范围为0.5％-5.0％；(5)保持反应室压力不变，继续升温至温度1550-1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低氢气流量至50-80L/min，同时采用线性缓变的方式提高氩气流量，Ar/H2流量比为10％-50％；(6)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行氢氩混合气氛原位复合刻蚀1-10分钟；(7)采用线性缓变的方式提高氢气流量，同时降低氩气流量至零，恢复反应室气氛为纯氢气；(8)向反应室通入碳源、硅源和掺杂源，生长相应结构的碳化硅外延层；(9)外延生长完成之后，关闭生长源和掺杂源，设置氢气流量为100～200slm，降温至装取片温度，而后氩气置换氢气并充填至大气压，取出碳化硅外延片。进一步地，所述步骤(1)中，碳化硅衬底可以选取偏向<11-20>方向4°的3～8英寸碳化硅衬底。进一步地，所述步骤(7)中，H2流量同步骤(2)设置，时间为2-10分钟。进一步地，硅源为硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅，碳源为甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。进一步地，采用多周期的调制氢氩混合气氛进行原位复合刻蚀处理碳化硅衬底。有益效果：本专利技术的方法采用调制的氢氩混合气的复合刻蚀处理外延前衬底，有效降低了由于纯氢气刻蚀刻蚀速率高而导致对衬底的非故意损伤，同时结合氩气刻蚀温和、温场更加均匀的优点，实现了无损、均匀的原位刻蚀，达到了减少甚至消除衬底引入的表面缺陷的目的，可以有效降低外延层中的表面缺陷密度。采用本专利技术专利提供的外延方法简单易行，兼容于现有商业化碳化硅外延炉的基础工艺，具有极大的推广价值。附图说明图1是本专利技术调制氢氩混合气的复合刻蚀工艺示意图；图2是碳化硅外延片表面缺陷分布图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1所示，本专利技术所述的降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，包括步骤：(1)将清洗过的SiC衬底置于化学气相沉积(CVD)设备内的基座上，碳化硅衬底可以选取偏向<11-20>方向4°的3～8英寸碳化硅衬底；(2)设置反应室压力为80-150mbar，氢气(H2)流量为80-150L/min，系统升温至温度1400-1500℃；(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1-10分；(4)保持压力和H2流量不变，向反应室通入小流量氩气(Ar)辅助刻蚀，形成低Ar/H2比的混合气，初始Ar/H2流量比范围为0.5％-5.0％；(5)保持反应室压力不变，继续升温至生长温度1550-1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低H2流量至50-80L/min，同时采用线性缓变的方式提高Ar流量使最终的Ar/H2流量比为10％-50％，形成高Ar/H2比的混合气进行调制Ar/H2混合气氛，开始对衬底表面进行调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀；(6)达到生长温度后，保持温度和反应室压力不变，采用调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀继续对衬底进行原位刻蚀1-10分钟；(7)而后采用线性缓变的方式提高H2流量，同时降低Ar流量至零，恢复反应室气氛为纯H2，H2流量同步骤二设置，该步骤时间为2-10分钟；(8)纯H2气氛，向反应室通入碳源、硅源和掺杂源，生长相应结构的碳化硅外延层，具体流量和生长时间根据实际的外延速率及所需外延结构设定；硅源可以采用硅烷、二氯氢硅、三氯氢硅或四氯氢硅等，碳源可以采用甲烷、乙烯、乙炔或丙烷等；(9)外延生长完成之后，关闭生长源和掺杂源，设置氢气流量为100～200slm，降温至装取片温度，而后氩气置换氢气并充填至大气压，取出碳化硅外延片。也可根据实际需要采用多个周期的调制氢氩混合气氛的原位复合刻蚀处理碳化硅衬底，以期达到更好的预处理效果。如图2所示，碳化硅外延片表面缺陷分布图，可以看出采用本方法制备的碳化硅外延片表面缺陷密度为0.44cm-2，远小于常规工艺的<1cm-2的水平，表明采用本专利提供的方法，可以有效降低碳化硅外延表面缺陷密度。本专利技术通过外延生长前在SiC衬底上进行调制的氢氩混合气的复合刻蚀处理，有效处理了衬底化学机械抛光引入的损伤层，并减少外延初期衬底表面的不稳定性，极大减少了由于衬底原因引伸到外延层中的表面缺陷，有效降低了外延层的表面缺陷密度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：包括步骤：(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积设备内的基座上；(2)设置反应室压力为80‑150mbar，氢气流量为80‑150L/min，升温至温度1400‑1500℃；(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1‑10分；(4)保持反应室压力和氢气流量不变，向反应室通入氩气，Ar/H2流量比范围为0.5％‑5.0％；(5)保持反应室压力不变，继续升温至温度1550‑1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低氢气流量至50‑80L/min，同时采用线性缓变的方式提高氩气流量，Ar/H2流量比为10％‑50％；(6)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行氢氩混合气氛原位复合刻蚀1‑10分钟；(7)采用线性缓变的方式提高氢气流量，同时降低氩气流量至零，恢复反应室气氛为纯氢气；(8)向反应室通入碳源、硅源和掺杂源，生长相应结构的碳化硅外延层；(9)外延生长完成之后，关闭生长源和掺杂源，设置氢气流量为100～200slm，降温至装取片温度，而后氩气置换氢气并充填至大气压，取出碳化硅外延片。

【技术特征摘要】
1.一种降低碳化硅外延表面缺陷密度的方法，其特征在于：包括步骤：(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积设备内的基座上；(2)设置反应室压力为80-150mbar，氢气流量为80-150L/min，升温至温度1400-1500℃；(3)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行纯氢气刻蚀1-10分；(4)保持反应室压力和氢气流量不变，向反应室通入氩气，Ar/H2流量比范围为0.5％-5.0％；(5)保持反应室压力不变，继续升温至温度1550-1680℃，温度的升高过程中，采用线性缓变的方式降低氢气流量至50-80L/min，同时采用线性缓变的方式提高氩气流量，Ar/H2流量比为10％-50％；(6)保持温度和反应室压力不变，对衬底进行氢氩混合气氛原位复合刻蚀1-10分钟；(7)采用线性缓变的方式提高氢气流量，同时降低氩气流量至零，恢复反应室气氛为纯氢气；(8)向反应室通入碳源...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志飞，李赟，王翼，李忠辉，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32