[发明专利]一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法

说明书

技术领域

本发明提出的是一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，在不改变外延关键工艺参数的前提下，提高了碳化硅外延片片内掺杂浓度均匀性，降低了碳化硅外延片中心点和边缘点的掺杂浓度偏差。属于半导体材料技术领域。

背景技术

碳化硅（SiC）器件耐高温、节能、系统小型化的特点让其在PFC电源、空调等白色家电、混和动力及纯电动汽车、马达控制、太阳能风能发电、铁路运输和智能电网等领域具有广泛的应用。

碳化硅外延材料的厚度和掺杂浓度均匀性严重影响碳化硅器件性能，良好的材料均匀性不仅可以降低器件性能的离散，同时也可以提高器件的可靠性。因此，目前国际上研究的热点之一就是如何提高碳化硅外延片厚度及浓度均匀性，这也是碳化硅外延中需要突破和掌握的关键技术，也是目前国际上研究的热点。

源在外延片直径方向上的耗尽导致了外延片上局部各点的生长速率及掺杂浓度是个随位置变化的量，因此造成了外延片厚度及浓度的不均匀性。由于源本身性质及反应方式的不同，各类源在反应腔内的耗尽形式有所不同，总的说来主要有以下三种形式（理想状态）：1、线性耗尽、2、指数型耗尽、3、二次函数型耗尽。通过引入基座气浮旋转可以降低由于源耗尽所造成的源分布的不均匀性。图1-(a)- 图1-(c)是引入基座旋转前后三种耗尽方式下，源沿衬底方向的分布曲线。从图1-(a)- 图1-(c)可以看出，如果源耗尽方式接近于线性耗尽，通过引入基座旋转可以有效消除源分布的不均匀性，生长源的耗尽就比较接近线性耗尽，因此只需要气浮旋转就可以实现较好的厚度均匀性。而掺杂源的耗尽则比较接近后两种的非线性耗尽方式，基座旋转并不能完全消除掺杂浓度的不均匀性。

目前文献及专利报道的掺杂浓度均匀性优化的方法主要针对关键工艺参数的优化如氯硅比、碳硅比、主氢流量、生长温度、各路气体喷嘴载气比等。然而此类参数的改变还会带来诸如背景浓度、表面形貌、缺陷密度等外延片重要指标的变化。寻找一个合适的工艺窗口非常困难。

发明内容

本发明提出的是一种提高碳化硅外延片片内掺杂浓度均匀性的方法，其目的旨在针对如何在不改变外延关键工艺参数的基础下改善碳化硅外延片片内掺杂浓度均匀性。在典型工艺条件下，由于掺杂浓度沿衬底直径方向的非线性耗尽，造成了外延片中心点掺杂浓度和边缘点掺杂浓度存在较大的差异，即使使用气浮旋转技术。竞位理论表明n型掺杂效率和工艺气体的碳硅比成反比。根据以上原理，本发明通过在基座气浮气体中加入少量工艺气体硅烷或者丙烷，通过气浮气体带出的少量工艺气体以微调衬底边缘的碳硅比进而改变衬底边缘n型掺杂源的掺杂效率，有效降低外延片边缘点与中心点的掺杂浓度偏差，在不改变关键工艺参数的前提下，有效优化了外延片的片内掺杂浓度均匀性。

本发明的技术解决方案：一种提高碳化硅外延片片内n型掺杂浓度均匀性的方法，包括如下工艺步骤：

1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底晶型4H或者6H，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；

2）系统升温至1400-1500℃，设置反应室压力80-200mbar，氢气流量60-120slm，选用氩气气浮条件选用氩气气浮实现均匀的基座温场分布，对衬底表面进行原位氢气刻蚀处理，以去除表面的损伤和沾污，根据衬底偏角不同，氢气刻蚀处理工艺有所不同；

3）系统升温至1550-1650℃，通入硅烷、丙烷、氯化氢、掺杂剂n型掺杂选用氮气开始外延生长，设定硅烷流量10-250sccm，碳硅比0.6-1.8，氯硅比1.5-5，切换基座气浮气体至氢气选用氢气以避免载气和气浮气体在衬底边缘处形成气相界面，并根据该工艺条件下典型外延片掺杂浓度沿衬底直径方向的分布方式选择加入气浮气体中的工艺气体的类型；

4）在完成所需外延生长之后，关闭生长源和掺杂源，将气浮气体切换至氩气，降温；

5）系统降温至100摄氏度时，将反应室抽真空，并充入氩气至大气压后取出外延材料。

本发明的优点：与通常的外延技术相比，本发明并没有通过改变关键工艺参数如氯硅比、碳硅比、主氢流量、生长温度、各路气体喷嘴载气比等来实现外延片掺杂浓度均匀性的优化。从而加大了关键工艺参数的选择窗口，以实现更加优秀的背景浓度、表面形貌、缺陷密度等关键指标。

附图说明

附图1-(a)是引入基座旋转前后线性耗尽下，源沿衬底方向的分布曲线示意图。

附图1-(b)是引入基座旋转前后指数型耗尽下，源沿衬底方向的分布曲线示意图。