一种具有P型缓冲层的外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有P型缓冲层的外延结构及其制备方法，其在4H

【技术实现步骤摘要】
一种具有P型缓冲层的外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，具体是涉及一种具有P型缓冲层的外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]双极4H
‑
SiC器件在使用过程中会出现“双极性退化”现象，即正向导通电压会逐渐增大。同样地，对于由4H
‑
SiC制作成MOSFEETs晶体管，当电流流经其内部PN结时，也存在“双极性退化”现象。因此，解决双极性器件及MOSFEETs晶体管中的退化现象成为了迫在眉睫的问题。
[0003]“双极性退化”现象是由肖克利于堆垛层错(SF)在晶体管内扩展导致的，而堆垛层错的扩展是由于基平面位错(BPD)的滑移引起的。因此，将位于衬底中基平面位错转化为螺位错被认为是有效抑制肖克利堆垛层错产生的有效手段，但是在基平面位错转化为螺位错的界面处依然会有堆垛层错的产生，因而需要新的技术来防止肖克利堆垛层错在外延层的产生和扩展。
[0004]公开号为CN 109715867 A的专利公开提供了一种N型SiC单晶基板，该N型SiC单晶基板是将施主和受主共同掺杂进去的基板，基板的外周部的施主浓度与受主浓度之差小于中央部的施主浓度与受主浓度之差，并且外周部的施主浓度与受主浓度之差小于3.0
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/cm3。该专利提出在SiC基板的再结晶过程中掺入受主杂质和施主杂质可抑制双层肖克利型堆垛层错在衬底中的产生及扩展。然而，在SiC晶锭的生长过程中进行稳定的Al元素掺杂极为困难，因为在晶体生长过程中会发生严重的Al源耗尽，Al掺杂与坩埚内的Al蒸汽压近似成比。如果选择进行B元素掺杂，则衬底中B元素会在后续的外延生长过程中扩散至外延层中，导致外延层参数的改变，引发器件失效。且由于B元素的电离能较高，掺杂B元素后并不能有效降低衬底的电阻率。同时，因为Al的离子半径为比Si的离子半径大很多，当离子半径大的Al替代离子半径小的Si时，形成的Al
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C键也大于Si
‑
C键，故随着Al元素的掺入SiC晶体中，SiC衬底的晶格常数将增大，N的离子半径为与C的离子半径子半径很接近,所以N掺杂对SiC衬底的晶格常数影响不大。在衬底中同时掺杂受主杂质(Al)和施主杂质(N)，会导致衬底的晶格常数与外延的晶格常数存在较大差异，在外延生长的过程会有新的肖克利堆垛层错产生，也就是说这一结构无法抑制在外延生长开始阶段肖克利堆垛层错的产生，且当衬底中存在肖克利堆垛层错时，肖克利堆垛层错将继续延伸至外延层。
[0005]文献《Suppression of the Forward Degradation in 4H
‑
SiC PiN Diodes by Employing a Recombination
‑
Enhanced Buffer Layer》报道了一种掺杂N元素和B元素的缓冲层，其具有抑制肖克利堆垛层错产生的效果。但其依然存在晶格常数不匹配和B元素易扩散至外延层的问题。且由于B元素的电离能较高，掺杂B元素后并不能有效降低缓冲层电阻率。同时，其未提及当衬底中存在肖克利堆垛层错时，掺杂N元素和B元素的缓冲层是否能
够阻挡肖克利堆垛层错将继续延伸至外延层。
[0006]文献2《Bulk Growth of Low Resistivity n
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Type 4H
‑
SiC Using Co
‑
Doping》报道了一种掺杂N元素和Al元素的SiC衬底，其具有抑制衬底肖克利堆垛层错产生的效果。但其依然存在衬底与外延层晶格常数不匹配和衬底难以实现稳定Al元素掺杂的问题。同时，其也未提及当衬底中存在肖克利堆垛层错时，衬底层中掺杂N元素和Al元素的缓冲层是否能够阻挡肖克利堆垛层错将继续延伸至外延层。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种具有P型缓冲层的外延结构，以解决现有衬底中的肖克利堆垛层错延伸至外延层内的问题。
[0008]具体方案如下：
[0009]一种具有P型缓冲层的外延结构，其包括4H
‑
SiC衬底以及生长在4H
‑
SiC衬底表面的外延层，在4H
‑
SiC衬底与外延层之间还具有一层故意掺杂N元素的P型缓冲层，P型缓冲层的掺杂元素为N元素和Al元素，缓冲层中内Al元素浓度N
Al
≥5E17cm
‑3，N元素浓度与Al元素浓度之比为1/2
‑
1/10^6；P型缓冲层开始生长时的N元素浓度为N
Ns
，结束生长时的N元素浓度为N
Ne
，该缓冲层中内任意一点的N元素浓度为N
Ni
，并满足N
Ns
≥N
Ni
≥N
Ne
的关系。
[0010]进一步的，所述P型缓冲层中N元素掺杂浓度呈线性分布、凸弧型分布、凹弧形分布或者梯形分布。
[0011]进一步的，所述P型缓冲层的厚度为0.1
‑
10μm。
[0012]本专利技术还提供了一种具有P型缓冲层外延结构的制备方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1、将碳化硅衬底放入充满氢气气氛的反应室内，反应室具有初始压力，对反应室进行升温，达到初始温度；初始压力为800mbar
‑
1200mbar，初始温度为500
‑
900℃。
[0014]步骤2、向反应室通入氢气，氢气的流量为60
‑
150slm，反应室的温度为1550
‑
1700℃，压力为50
‑
300mbar，刻蚀时间为1
‑
30min。
[0015]步骤3、对反应室加热，继续通入氢气，并通入硅源、碳源和含有N元素和Al元素的掺杂源，进行共掺杂缓冲层生长；反应室温度为1550
‑
1700℃，氢气流量为60
‑
150slm，反应室压力为50
‑
300mbar；碳源的流量为10
‑
500sccm，硅源的流量为20
‑
500sccm；掺杂源的流量为0
‑
2000sccm；在进行掺杂的时候，控制缓冲层中内Al元素浓度N
Al
≥5E17cm
‑3，N元素浓度与Al元素浓度之比为1/2
‑
1/10^6；缓冲层开始生长时的N元素浓度为N
Ns
，结束生长时的N元素浓度为N
Ne
，缓冲层中内任意一点的N元素浓度为N
Ni
，并满足N
Ns
≥N
Ni
≥N
Ne
关系；
[0016]步骤4、完成共掺杂缓冲层生长后继续进行其他外延层结构生长。
[0017]进一步的，在步骤2中，还通入有氯化氢气体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有P型缓冲层的外延结构，其包括4H
‑
SiC衬底以及生长在4H
‑
SiC衬底表面的外延层，其特征在于：在4H
‑
SiC衬底与外延层之间还具有一层故意掺杂N元素的P型缓冲层，P型缓冲层的掺杂元素为N元素和Al元素，缓冲层中内Al元素浓度N
Al
≥5E17cm
‑3，N元素浓度与Al元素浓度之比为1/2
‑
1/10^6；P型缓冲层开始生长时的N元素浓度为N
Ns
，结束生长时的N元素浓度为N
Ne
，该缓冲层中内任意一点的N元素浓度为N
Ni
，并满足N
Ns
≥N
Ni
≥N
Ne
的关系。2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述P型缓冲层中N元素掺杂浓度呈线性分布、凸弧型分布、凹弧形分布或者梯形分布。3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述P型缓冲层的厚度为0.1
‑
10μm。4.一种具有P型缓冲层外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将碳化硅衬底放入充满氢气气氛的反应室内，反应室具有初始压力，对反应室进行升温，达到初始温度；初始压力为800mbar
‑
1200mbar，初始温度为500
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900℃。步骤2、向反应室通入氢气，氢气的流量为60
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150slm，反应室的温度为1550
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄海林，钱卫宁，冯淦，赵建辉，刘杰，梁瑞，
申请(专利权)人：瀚天天成电子科技厦门有限公司，
类型：发明
国别省市：