一種控制氫氣流量p型低摻雜碳化硅薄膜外延制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種控制氫氣流量P型低摻雜碳化硅薄膜外延制備方法，所述制備方法包括以下步驟：（1）將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中，將反應室抽成真空；（2）向反應室通入H2直至反應室氣壓到達100mbar，保持反應室氣壓恒定，再將H2流量逐漸增至60L/min，繼續向反應室通氣；（3）打開高頻線圈感應加熱器RF，逐漸增大該加熱器的功率，當反應室溫度升高逐漸至1400℃進行原位刻蝕；（4）當反應室溫度到達到1580℃-1600℃時，保持溫度和壓強恒定，向反應室通入C3H8和SiH4；將液態三甲基鋁放置于鼓泡器中用作摻雜源，將一定量的H2通入鼓泡器中，使H2攜帶三甲基鋁通入反應室中。
【專利說明】一種控制氫氣流量P型低摻雜碳化硅薄膜外延制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于半導體器件制造【技術領域】，尤其涉及一種利用現有的碳化硅材料 M0CVD生長工藝，制備P型梯度低摻雜碳化硅外延層的方法。
【背景技術】
[0002] 碳化硅具有寬帶隙、高導熱率、高擊穿強度、高電子飽和漂移速度、高的硬度等優 點，也有著很強的化學穩定性。這些優良的物理和電學性能使碳化硅在應用上具有很多優 勢。禁帶寬使得碳化硅本征載流子在高溫下仍能保持較低的濃度，因而能工作在很高的溫 度下。高擊穿場強使碳化硅可以承受高電場強度，這使得碳化硅可以用于制作高壓，高功率 的半導體器件。高熱導率使碳化硅具有良好的散熱性，有助于提高器件的功率密度和集成 度、減少附屬冷卻設施，從而使系統的體積和重量大大地降低、效率則大大地提高，這對于 開發空間領域的電子器件極具優勢。碳化硅的飽和電子遷移速度很高，這一特性也使它可 以用于射頻或者微波器件，從而提高器件工作速度。
[0003] 碳化硅材料的載流子濃度是材料和器件的基本電學參數。這一參數通過材料摻雜 控制來實現。因此，碳化硅外延材料的摻雜是器件制備中的關鍵工藝之一。然而，由于碳化 硅的鍵強度高，器件制作工藝中的摻雜不能采用擴散工藝，只能利用外延控制摻雜和高溫 離子注入摻雜。高溫離子注入會造成大量晶格損傷，形成大量晶格缺陷，即使退火也很難完 全消除，嚴重影響了器件的性能，且離子注入效率很低，因而不適合做大面積摻雜。同時，在 制備一些多層結構的半導體器件時，需要外延層縱向摻雜濃度的梯度可控。只有通過合理 調整生長參數，生長出摻雜達到預定要求的外延層，才能制作出性能符合要求的器件，因而 碳化硅外延層的梯度摻雜控制是目前器件制造中的一個很大的難點。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種P型梯度低摻雜碳化硅外 延層的制備方法，利用碳化硅的CVD設備，制備出縱向摻雜濃度梯度可控的碳化硅外延層， 滿足了制備梯度低摻雜外延層的要求。
[0005] 為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟。
[0006] (1)將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中，將反應室抽成真空；
[0007] (2)向反應室通入H2直至反應室氣壓到達lOOmbar，保持反應室氣壓恒定，再將H 2 流量逐漸增至60L/min，繼續向反應室通氣；
[0008] (3)打開高頻線圈感應加熱器RF，逐漸增大該加熱器的功率，當反應室溫度升高 逐漸至1400°C進行原位刻蝕；
[0009] (4)當反應室溫度到達到1580°C -1600°c時，保持溫度和壓強恒定，向反應室通入 C3H8和SiH4 ;將液態三甲基鋁放置于鼓泡器中用作摻雜源，將一定量的H2通入鼓泡器中，使 H2攜帶三甲基鋁通入反應室中。當第一層P型摻雜層生長結束后，停止向反應室通入SiH4、 C3H8和攜帶有三甲基鋁的H2并保持lmin，其間將載體H2流量降低為40L/min。之后繼續向 反應室通入SiH4、C3H8和攜帶有三甲基鋁的H2生長第二層P型摻雜層。
[0010] (5)當達到設定的外延生長時間后，停止生長，在反應室繼續通入氫氣，使襯底片 在氧氣流中降溫；
[0011] (6)當溫度降低到700°C以下后，再次將反應室抽成真空，然后緩慢充入氬氣，使 襯底片在氬氣環境下自然冷卻到室溫。
[0012] 本發明與現有的技術相比，具有如下優點：
[0013] 1.本發明采用三甲基鋁作為摻雜源，摻入的鋁原子能有效的替換碳化硅材料中硅 原子，形成替位雜質，相對于離子注入工藝，制備的重摻雜碳化硅材料晶格完整，缺陷少，有 利于提1?器件性能。
[0014] 2.本發明采用碳化娃的CVD外延設備，在碳化娃襯底或已有外延層的碳化襯底進 行外延，通過生長參數控制縱向摻雜濃度，可連續生長不同低摻雜濃度的外延層，使器件的 制備工藝簡化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及 優點將變得更加易于清楚，在附圖中：
[0016] 圖1是本發明技術方案的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 在下文中，現在將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然 而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相 反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發明的范圍充分地傳達給本領 域技術人員。
[0018] 以下參照附圖1，對本發明的技術方案作進一步詳細描述，以下給出兩種實施例。
[0019] 實施例1
[0020] 步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中。
[0021] (1. 1)選取偏向[丨丨50]晶向4°的4H碳化硅襯底，放置到碳化硅CVD設備的反應 室中；
[0022] (1. 2)將反應室抽真空，直到反應室氣壓低于1 X 10_7mbar。
[0023] 步驟二，在氫氣流中加熱反應室。
[0024] (2. 1)打開通向反應室的氫氣開關，控制氫氣流量逐漸增大到60L/min ;
[0025] (2. 2)打開真空泵抽取反應室的氣體，保持反應室氣壓在lOOmbar ;
[0026] (2. 3)逐漸調大加熱源功率，使反應室溫度緩慢升高。
[0027] 步驟三，對襯底進行原位刻蝕。
[0028] (3. 1)當反應室溫度達到1400°C以后，保持反應室溫度恒定進行10分鐘的原位刻 蝕。
[0029] 步驟四，設置生長條件，開始生長碳化硅外延層。
[0030] (4. 1)當反應室溫度達到1580°C下，保持反應室溫度和壓強恒定；
[0031] (4. 3)打開C3H8、SiH4和三甲基鋁的開關，向反應室中通入流量為7mL/min的C 3H8、 流量為21mL/min的SiH4和流量為5mL/min的三甲基鋁，開始生長碳化硅外延層P1，生長時 間為20min。之后關閉C3H8、SiH4和三甲基鋁的開關lmin，其間將H 2流量降低為40L/min。 打開C3H8、SiH4和三甲基鋁的開關，向反應室中通入流量為7mL/min的C 3H8、流量為21mL/ min的SiH4和流量為5mL/min的三甲基鋁，開始生長碳化硅外延層P2,生長時間為20min。
[0032] 步驟五，在氫氣流中冷卻襯底。
[0033] (5. 1)當外延層P2生長結束后，關閉C3H8、SiH4和三甲基鋁的開關，停止生長；
[0034] (5. 2)設置通向反應室的氫氣流量為20L/min，保持反應室氣壓為lOOmbar，使長 有碳化娃外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;
[0035] (5. 3)將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續冷卻。
[0036] 步驟六，在氬氣中冷卻襯底。
[0037] (6. 1)當反應室溫度降低到700°C以后，關閉通向反應室的氫氣開關；
[0038] (6. 2)將反應室抽真空，直到氣壓低于1 X l(T7mbar ;
[0039] (6. 3)打開氬氣開關，向反應室通入流量為12L/min的氬氣，使長有碳化硅外延層 的襯底在氬氣環境下繼續冷卻30min ;
[0040] (6. 4)緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0041] 實施例2
[0042] 步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中。
[0043] (1. 1)選取偏向[11如]晶向8°的4H碳化硅襯底，放置到碳化硅CVD設備的反應 室中；
[0044] (1. 2)將反應室抽真空，直到反應室氣壓低于1 X l(T7mbar。
[0045] 步驟二，在氫氣流中加熱反應室。
[0046] (2. 1)打開通向反應室的氫氣開關，控制氫氣流量逐漸增大到60L/min ;
[0047] (2. 2)打開真空泵抽取反應室的氣體，保持反應室氣壓在lOOmbar ;
[0048] (2. 3)逐漸調大加熱源功率，使反應室溫度緩慢升高。
[0049] 步驟三，對襯底進行原位刻蝕。
[0050] (3. 1)當反應室溫度達到1400°C以后，向反應室中通入流量為7mlL/min的C3H8， 保持反應室溫度恒定進行10分鐘的原位刻蝕。
[0051] 步驟四，設置生長條件，開始生長碳化硅外延層。
[0052] (4. 1)當反應室溫度達到1580°C下，保持反應室溫度和壓強恒定；
[0053] (4. 3)打開SiH4和三甲基鋁的開關，向反應室中通入流量為21mL/min的SiH4和流 量為5mL/min的三甲基鋁，開始生長碳化硅外延層P1，生長時間為20min。之后關閉C 3H8、 SiH4和三甲基鋁的開關lmin，其間將將H2流量降低為40L/min。打開C3H 8、SiH4和三甲基 鋁的開關，向反應室中通入流量為7mL/min的C3H 8、流量為21mL/min的SiH4和流量為5mL/ min的三甲基鋁，開始生長碳化硅外延層P2,生長時間為20min。
[0054] 步驟五，在氫氣流中冷卻襯底。
[0055] (5. 1)當外延層P2生長結束后，關閉C3H8、SiH4和三甲基鋁的開關，停止生長；
[0056] (5. 2)設置通向反應室的氫氣流量為20L/min，保持反應室氣壓為lOOmbar，使長 有碳化娃外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;
[0057] (5. 3)將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續冷卻。
[0058] 步驟六，在氬氣中冷卻襯底。
[0059] (6. 1)當反應室溫度降低到700°C以后，關閉通向反應室的氫氣開關；
[0060] (6. 2)將反應室抽真空，直到氣壓低于1 X l(T7mbar ;
[0061] (6. 3)打開氦氣開關，向反應室通入流量為12L/min的氦氣，使長有碳化娃外延層 的襯底在氬氣環境下繼續冷卻30min ;
[0062] (6. 4)緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0063] 以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用于限制本發明。本發明可以有各種合 適的更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應 包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種控制氫氣流量P型低摻雜碳化硅薄膜外延制備方法，其特征在于： 所述制備方法包括以下步驟： (1) 將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中，將反應室抽成真空； (2) 向反應室通入H2直至反應室氣壓到達lOOmbar，保持反應室氣壓恒定，再將H2流量 逐漸增至60L/min，繼續向反應室通氣； (3) 打開高頻線圈感應加熱器RF，逐漸增大該加熱器的功率，當反應室溫度升高逐漸 至1400°C進行原位刻蝕； (4) 當反應室溫度到達到1580°C -1600°C時，保持溫度和壓強恒定，向反應室通入C3H8 和SiH4 ;將液態三甲基鋁放置于鼓泡器中用作摻雜源，將一定量的H2通入鼓泡器中，使H2攜 帶三甲基鋁通入反應室中；當第一層P型摻雜層生長結束后，停止向反應室通入SiH 4、C3H8 和攜帶有三甲基鋁的H2并保持lmin，其間將載體H2流量降低為40L/min ;之后繼續向反應 室通入SiH4、C3H8和攜帶有三甲基鋁的H 2生長第二層P型摻雜層； (5) 當達到設定的外延生長時間后，停止生長，在反應室繼續通入氫氣，使襯底片在氫 氣流中降溫； (6) 當溫度降低到700°C以下后，再次將反應室抽成真空，然后緩慢充入氬氣，使襯底 片在氬氣環境下自然冷卻到室溫。
【文檔編號】C23C16/455GK104233470SQ201410349891
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】王悅湖, 胡繼超, 張藝蒙, 宋慶文, 張玉明 申請人:西安電子科技大學