碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用，采用化学气相沉积法在碳化硅单晶衬底上制造包含碳化硅外延层的碳化硅单晶晶片，当生长反应室内达到碳化硅外延层的生长条件时，在反应室内通入碳源和硅源，通过脉冲的方式每间隔脉冲时间交替改变碳源和硅源的比例，使得在相邻的第一时间段和第二时间段内分别处于富Si和富C氛围下采用CVD法外延生长碳化硅外延层，直至碳化硅外延层生长结束。从而结合CVD法和ALD法各自的优势，生长出厚度和浓度均匀性良好的碳化硅外延结构。厚度和浓度均匀性良好的碳化硅外延结构。厚度和浓度均匀性良好的碳化硅外延结构。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用


[0001]本专利技术涉及碳化硅领域，特别是一种碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用。

技术介绍

[0002]碳化硅(SiC)作为一种宽禁带半导体材料，具有高击穿电压、高电子迁移率、高热导率等特性，由它制造的半导体器件，相比传统的硅(Si)基半导体器件，拥有体积小、开关损耗低、功率密度更高等优势。随着未来电力系统，对电力电子器件耐高压、低功耗的需求，以及电动汽车、充电桩等新兴应用的蓬勃发展，SiC器件开始逐步取代Si基器件，展现出巨大的市场潜力。
[0003]为了制造满足实际应用要求的SiC器件，通常采用化学气相沉积法(CVD)在SiC衬底上生长外延生长一层SiC薄膜。之所以不直接在SiC衬底上制造SiC器件，一方面是由于衬底的杂质含量较高，且电学性能不够好；另一方面是掺杂难度大，即使采用离子注入的方式，也需要后续的高温退火，远不如在外延层上的掺杂效果好。因此，外延生长对于制造掺杂浓度和厚度符合设计要求的SiC器件是至关重要的。
[0004]随着SiC器件的应用前景逐渐明朗，产业界对SiC器件的成本要求也越来越严苛，而大直径的SiC外延晶片能够有效降低后续器件的制造成本，使得6英寸、甚至8英寸的SiC外延晶片备受期待。同时，SiC的应用优势在于高压、超高压器件，而SiC器件的耐压程度与外延层的厚度成正比，所以SiC厚外延晶片也是产业化发展的确定趋势。然而，外延片尺寸和厚度的增大往往会伴随着均匀性的下降，如何控制大尺寸外延晶片均匀性是提高SiC器件良率和可靠性、进而降低成本需要解决的一个关键问题。

技术实现思路

[0005]针对目前SiC外延片随着尺寸和厚度的增大往往会伴随着均匀性的下降等问题，本申请的实施例提出了一种碳化硅外延结构、脉冲式生长方法及其应用来解决以上
技术介绍
提到的问题。
[0006]第一方面，本申请的实施例提出了一种碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，包括以下步骤：
[0007]1)提供碳化硅衬底，所述碳化硅衬底上有若干度偏角指向<11
‑
20>的偏轴(0001)；
[0008]2)将所述碳化硅衬底放入反应室内，当所述反应室内达到碳化硅外延层的生长条件时，在所述反应室内通入碳源和硅源，通过脉冲的方式每间隔脉冲时间交替改变所述碳源和硅源的比例，使得在相邻的第一时间段和第二时间段内分别处于富Si和富C氛围下采用CVD法外延生长碳化硅外延层。
[0009]作为优选，在富Si氛围下C/Si比值大于或等于0.5且小于1，在富C氛围下C/Si比值大于1且小于或等于2。
[0010]作为优选，所述步骤2中通过改变通入所述反应室内的所述碳源和硅源的流量来改变所述碳源和硅源的比例。
[0011]作为优选，所述步骤2中通过脉冲的方式每间隔脉冲时间交替改变所述碳源和硅源的比例，具体包括：
[0012]保持所述碳源的流量不变，每间隔一段时间改变所述硅源的流量；或者
[0013]保持所述硅源的流量不变，每间隔一段时间改变所述碳源的流量；或者
[0014]每间隔一段时间交替改变所述硅源和碳源的流量。
[0015]作为优选，所述硅源包括硅烷和氯硅烷，其中，硅烷包括甲硅烷，氯硅烷包括三氯硅烷、二氯硅烷或四氯化硅；所述碳源包括乙烯和丙烷。
[0016]作为优选，所述反应室内达到碳化硅外延层的生长条件之前包括以下步骤：
[0017]将所述反应室内抽真空至10
‑4Torr；
[0018]通入H2和HCl混合气体使所述反应室内达到一定的压强，并升温至刻蚀所需的温度，控制H2和HCl的流量对所述碳化硅衬底进行原位刻蚀，以去除所述碳化硅衬底的亚表面损失并获得规则的表面台阶结构。
[0019]作为优选，在进行所述原位刻蚀时所述反应室内的压强为30～150Torr，所述刻蚀所需的温度为1650℃，原位刻蚀的时间为30～60min，并且还通入流量为1～10mL/min的硅烷。
[0020]作为优选，所述步骤2中生长条件包括外延生长温度、外延生长压力、载气和刻蚀气体的流量、掺杂源的流量中的任意一种以上，当所述反应室内达到碳化硅外延层的生长条件时，保持外延生长温度、外延生长压力、载气和刻蚀气体的流量不变。
[0021]作为优选，所述脉冲时间为1～60min。
[0022]作为优选，所述反应室为水平热壁CVD反应室、热壁或温壁行星CVD反应室、垂直热壁CVD反应室中的其中一种。
[0023]作为优选，所述碳化硅衬底包括3～8英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，所述碳化硅衬底上的偏角沿<11
‑
20>方向为2
°
～8
°
。
[0024]作为优选，所述碳化硅外延层的生长速度为60
‑
100μm/h。
[0025]第二方面，本申请的实施例提出了一种碳化硅外延结构，所述碳化硅外延结构采用上述的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法制作而成。
[0026]作为优选，所述碳化硅外延层的厚度范围为1～100μm，厚度均匀性大于97％。
[0027]第三方面，本申请的实施例提出了一种根据上述的碳化硅外延结构在SiC器件中的应用。
[0028]相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0029]本专利技术结合了化学气相沉积(CVD)法生长速率较快和原子层沉积(ALD)法均匀性较好的特点，通过在不同的时间间隔Δt内，改变外延前体的流量或交替通入外延前体，近似实现在偏轴SiC衬底的台阶处一层硅原子、一层碳原子循环生长的模式，由此生长出的SiC外延层与利用原子层沉积方式生长的薄膜具有类似的效果，即厚度的精确控制和大面积良好的均匀性，有利于提高SiC器件良率和可靠性，并且具有更快的生长速度，有利于碳化硅外延片的快速量产，提高生产速率。
附图说明
[0030]包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本
说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本专利技术的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。
[0031]图1为本申请的实施例的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法的气体流量通入过程示意图；
[0032]图2为本申请的对比例的碳化硅外延结构的生长方式的气体流量通入过程示意图；
[0033]图3为本申请的实施例1的碳化硅外延结构的碳化硅外延层的拉曼结果图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关专利技术相关的部分。
[0035]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，其特征在于，包括以下步骤：1)提供碳化硅衬底，所述碳化硅衬底上有若干度偏角指向<11
‑
20>的偏轴(0001)；2)将所述碳化硅衬底放入反应室内，当所述反应室内达到碳化硅外延层的生长条件时，在所述反应室内通入碳源和硅源，通过脉冲的方式每间隔脉冲时间交替改变所述碳源和硅源的比例，使得在相邻的第一时间段和第二时间段内分别处于富Si和富C氛围下采用CVD法外延生长碳化硅外延层。2.根据权利要求1所述的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，其特征在于，在富Si氛围下C/Si比值大于或等于0.5且小于1，在富C氛围下C/Si比值大于1且小于或等于2。3.根据权利要求1所述的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，其特征在于，所述步骤2中通过改变通入所述反应室内的所述碳源和硅源的流量来改变所述碳源和硅源的比例。4.根据权利要求1所述的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，其特征在于，所述步骤2中通过脉冲的方式每间隔脉冲时间交替改变所述碳源和硅源的比例，具体包括：保持所述碳源的流量不变，每间隔一段时间改变所述硅源的流量；或者保持所述硅源的流量不变，每间隔一段时间改变所述碳源的流量；或者每间隔一段时间交替改变所述硅源和碳源的流量。5.根据权利要求1所述的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，其特征在于，所述硅源包括硅烷和氯硅烷，其中，硅烷包括甲硅烷，氯硅烷包括三氯硅烷、二氯硅烷或四氯化硅；所述碳源包括乙烯和丙烷。6.根据权利要求5所述的碳化硅外延结构的脉冲式生长方法，其特征在于，所述反应室内达到碳化硅外延层的生长条件之前包括以下步骤：将所述反应室内抽真空至10
‑4Torr；通入H2和HCl混合气体使所述反应室内达到一定的压强，并升温至刻蚀所需的温度，控制H2和HCl的流量对所述碳化硅衬底进行原位刻蚀，以去除所述碳化硅衬底的亚表面损失并获得规则的表面台...

【专利技术属性】
技术研发人员：江长福，周贤权，
申请(专利权)人：厦门紫硅半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：