[发明专利]提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法

说明书

技术领域

本发明提出的是一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法，提高外延工艺的重复性。属于半导体材料技术领域。

背景技术

电力电子技术是能源与电能变换领域的核心技术，能源的高效率转化是实现节能、环保、低碳经济的重要原动力，能源高效率转换高压大容量电力电子器件是其中的关键元件和基础；长期以来,硅器件几乎在所有的电力电子系统的应用中占有统治地位；毫无疑问,成熟的工艺技术是硅器件的最大的优势；但是，硅器件的性能已经接近由其材料特性决定的理论极限，通过继续完善硅器件来提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限；为了进一步提高能源转换效率，保证我国节能减排国策在能源领域有效自主地实施，我国有着发展新型高压大容量功率器件的迫切需求；碳化硅（SiC）作为新型半导体材料，具有非常优异的材料特性；SiC的禁带宽度将近是硅的3倍,可以大幅度提高器件的工作温度；SiC的击穿场强比硅高一个数量级，SiC器件的外延材料有较小的厚度和更高掺杂浓度，大大降低器件的导通电阻；SiC还具有比硅高3倍的热导率，SiC器件可以在温度更高的环境下长时间稳定地工作；另外，SiC的饱和电子漂移速率是硅的2倍以上，器件能够工作于更高的频率；总而言之，SiC电力电子器件可以实现比硅功率器件更加优越的性能，被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件，将为电力电子技术带来革命性的巨变；其中碳化硅肖特基势垒二极管（SiC SBD）具有很高的额定阻断电压，并能提供非常低的导通电阻和极低的开关损耗；在开关电源的应用中，能够在保证功率因数校正（PFC）效率的同时显著提高开关频率，从而大大缩小系统中电感的尺寸；使用SiC SBD还大幅度降低了热量的产生，显著减小了热沉的体积。无源器件尺寸和热沉体积的缩小弥补了SiC器件本身成本较高的不足，降低了开关电源的最终成本。

碳化硅电力电子器件所用外延材料一般由多层外延层组成，比如碳化硅肖特基势垒二极管结构外延材料为了保证高的阻断电压，需要高阻厚层外延，同时为了缓解N⁺ 衬底和高阻厚度外延之间由于掺杂浓度不同带来的晶格失陪，需要在衬底和高阻厚层外延之间加入缓冲层；在高外延速率下，实现缓冲层所需掺杂浓度势必需要加大氮气流量，因此会造成较强的背景记忆效应；相同的外延工艺的条件下，外延材料沟道层掺杂浓度会随着炉数增加逐渐上漂，导致批次间掺杂浓度均匀性下降；如果要消除该记忆效应，需要进行长时间的烘烤，导致工艺时间变长，降低产能。

发明内容

本发明提出的是一种提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂均匀性的方法，其目的旨在针对如何改善碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度均匀性。碳化硅n型掺杂效率随着外延生长速率的增加而降低，同时由于竞位理论，n型掺杂效率和生长源进气端的碳硅比成反比，根据以上原理，本发明采用不同的生长速率和进气端碳硅比生长每个外延层，有效降低生长高掺层时使用的氮气流量以及生长高阻厚层外延时的背景记忆效应，提高碳化硅多层结构外延材料批次间掺杂浓度的均匀性，为可重复的批次间生长提供技术支持。

本发明的技术解决方案：该方法包括如下工艺步骤：

该方法包括如下工艺步骤：

一、选取偏向<11-20>方向8°的硅面碳化硅衬底（1），将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

二、系统升温至1400℃，设置压力为100mbar，在氢气流量80L/min、氩气流量3L/min和丙烷流量10ml/min气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤和沾污，处理时间为温度从1400℃升温到实际生长温度1570℃所需时间在30分钟之内；

三、当反应室温度升温至外延生长温度1570℃时，通入生长源硅烷及丙烷进行生长，并根据外延层的掺杂浓度及厚度选择不同的生长源流量、进气端碳硅比以及掺杂源氮气流量；

当外延层厚度处于0-1微米区间，掺杂浓度大于10¹⁸ cm^-3时选用硅烷和丙烷流量分别为5-10ml/min和1.75-3.5ml/min，进气端碳硅比为1.05，氮气流量为600-1800ml/min，生长温度设定为1570℃，反应室压力100mbar，生长时间根据外延层厚度设定；