[发明专利]一种减少碳化硅外延薄膜中缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种减少基于偏向<11-20>方向4°的（0001)硅面碳化硅衬底的同质外延薄膜中缺陷的方法。属于半导体材料技术领域。

背景技术

近些年，碳化硅（SiC）外延材料和器件正在稳步而快速增长，在某些领域其正在逐步替代传统的硅和砷化镓材料。相对于硅和砷化镓来说，碳化硅具有更好的材料特性。例如4H-SiC，其具有大约4×10⁶V/cm 的击穿场强，大约2×10⁷cm/s的电子漂移速度和大约4.9W/cm·K的热导率，同时具有高化学稳定性和抗辐射性能。这些优异的材料特性表明碳化硅特别适合于高功率、高温和高频应用。

大多数器件制备均在外延薄膜上实现，因此，碳化硅器件制的性能很大程度上取决于碳化硅外延薄膜的质量。为了得到制备碳化硅器件所需的高质量外延薄膜，外延生长一般通常是在具有一定偏角的碳化硅衬底上进行的，这样可以很好地实现台阶控制外延生长，得到更高质量的碳化硅外延薄膜。尽管如此，碳化硅薄膜中仍不可避免地存在着各种类型的缺陷，这些缺陷将制约在该薄膜上制作的器件性能。因此，大量的研究集中在如何减少碳化硅薄膜中的缺陷。

目前，人们为了节约材料降低成本和减少外延薄膜中的基平面位错（BPDs），主要使用的是偏向<11-20>方向4°的碳化硅衬底进行外延。而由于在碳面碳化硅衬底上外延非常难以实现低的背景参杂浓度，外延碳化硅薄膜一般使用硅面碳化硅衬底。因此，外延碳化硅薄膜一般在偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上进行。然而，生长在4°偏角衬底上的外延薄膜中存在大量台阶状形貌、三角形缺陷等缺陷，不利于后期器件制作。尽管已有一些关于减少偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延薄膜中缺陷的报道，如采用低C/Si比和氢气在线刻蚀等，但消除缺陷的效果并不理想，如图1和图2所示，外延薄膜中仍然存在大量台阶状形貌等缺陷。因此，需要进一步的减少缺陷以提高外延薄膜的质量，本方法在外延生长之前加入烘烤过程的同时使用改良的氢气在线刻蚀工艺，有效地减少了外延薄膜中的缺陷，特别是表面台阶缺陷被完全消除，外延缺陷密度减少至1cm^-2。

发明内容

本发明提出的是一种减少基于偏向<11-20>方向4°的（0001)硅面碳化硅衬底的同质外延薄膜中缺陷的方法，其目的旨在针对在偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延碳化硅薄膜后存在的缺陷问题，提供一种基于水平热壁式CVD设备的工艺简单的外延方法。该工艺能有效减少在偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延薄膜中存在的台阶形貌等缺陷，提高了外延薄膜的质量。

本发明的技术解决方案：一种减少在偏向<11-20>方向4°的0001硅面碳化硅衬底上外延生长的碳化硅薄膜中缺陷的外延生长方法，包括如下工艺步骤：

1）衬底准备：选取偏向<11-20>方向4°的0001硅面碳化硅衬底，并对其进行标准清洗待用；

2）生长前烘烤：准备好的样品送至反应室之后，通入气体之前，使用射频感应加热反应室，射频功率为5～6KW，处理时间为10～20 min，升温至150～250℃；

3）原位刻蚀：使用氢气（H₂）原位刻蚀对衬底进行生长前表面预处理，H₂的流量为60～90L/min，反应室压力为80～150mbar，升温至外延生长温度之上10～20℃，恒温5～15 min，降温至外延生长温度，降温时间为10 min；

4）外延生长：当温度升温至外延生长温度时开始生长碳化硅薄膜，生长源为硅烷SiH₄和丙烷C₃H₈，生长温度为1550～1580℃，生长压力为80～150mbar，氮气N₂和三甲基铝TMA分别作为N型和P型掺杂剂。

本发明与通常外延技术相比具有如下优点：本发明提供的在偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底上外延生长的方法，如图4和图5所示，能够有效地减少基于偏向<11-20>方向4°的(0001)硅面碳化硅衬底外延薄膜中的缺陷，特别是表面台阶缺陷被完全消除，外延缺陷密度减少至1cm^-2。具有方法简单易行，外延工艺重复性和一致性好，外延薄膜质量高，适合规模生产等特点。

附图说明