[发明专利]适用于4°和8°偏轴硅面碳化硅衬底的原位处理方法

说明书

技术领域

本发明提出的是一种适用于沿<11-20>方向4°和8°偏轴硅面碳化硅衬底的原位处理方法，采用同一原位处理工艺，在沿<11-20>方向4°偏轴和8°偏轴的硅面碳化硅（SiC）衬底上均可以制备出具体较好表面质量的SiC外延薄膜。属于半导体材料技术领域。

背景技术

SiC半导体材料，广泛应用于电力电子器件（二极管、场效应管、换能器；马达驱动器；输出整流器）、微波器件（宽带通讯、有源相控阵雷达）、光电子器件（半导体照明）等领域，属于国际高端先进材料。目前，SiC器件已被用于混合动力汽车和电动汽车设备、SiC器件电源模块、SiC变频空调、SiC逆变器中。同时，许多公司已在其IGBT变频或逆变装置中用这种器件取代硅快恢复二极管，提高工作频率、大幅度降低开关损耗的明显效果，其总体效益远远超过SiC器件与硅器件的价差。SiC电力电子器件在不久的将来将会取代Si器件。

SiC电力电子器件研制需要特定掺杂浓度及厚度的单层或者多层碳化硅外延材料，目前SiC外延材料主要采用化学气相沉积的方法制备。在SiC同质外延中，为了保证外延材料能够有效的继承衬底的堆垛序列，保证晶体质量，大多采用沿c轴方向偏＜11-20＞方向切割的衬底。衬底偏角切割的意义在于在衬底表面引入原子级别的台阶。外延过程中，吸附的原子倾向于在台阶处成核生长，确保外延过程按台阶流（step-flow）的模式进行。

在开始外延生长之前，一般都会对衬底进行原位高温氢气刻蚀处理，以消除表面化学抛光未消除的微划痕，提高外延片表面质量。目前常用的SiC衬底的偏角主要有4°和8°两种。但是由于4°偏轴和8°偏轴SiC衬底表面的台阶密度不同，氢气对衬底的刻蚀速率及台面上方的硅蒸气平衡分压有所不同，因此需要采用的在线刻蚀工艺有所不同。

高温下氢气对SiC衬底的刻蚀过程如下：

SiC(s)↔Si(l)+C(s)(3-1)

2C(s)+H₂↔C₂H₂ (g)(3-2)

Si(l)↔Si(g)(3-3)

8° 偏角的衬底上的台阶密度大于4° 偏角的衬底和正晶向衬底，氢气对衬底的刻蚀速率最快，反应（3-2）的速度大于反应（3-3）的速度，反应（3-1）生成的硅不能及时通过反应（3-3）升华，因此常规的8°偏轴SiC衬底外延工艺中，在原位刻蚀阶段，在1400℃以上需要加入额外的丙烷来抑制反应（2），防止出现过度刻蚀出现硅滴导致表面粗糙度上升引入缺陷；4° 偏角的衬底上，反应（3-2），（3-3）速率相当，台面上方的硅蒸气平衡分压小于8° 偏角的衬底上硅蒸气平衡分压，一般采用纯氢气对衬底进行原位刻蚀处理。如果对4°偏轴的SiC衬底，如果采用适用于8°偏轴衬底的原位处理方法，在1500℃以上加入额外的丙烷的辅助氢气刻蚀，4°偏轴衬底的外延片表面将会产生大量的微裂纹以及台阶聚束形貌，造成表面形貌退化的情况。 目前SiC化学气相沉积系统大部分为行星式多片外延炉，由于4°偏轴和8°偏轴SiC衬底的原位刻蚀工艺不同，导致4°偏轴和8°偏轴衬底不能实现同炉生长。另外由于原位刻蚀工艺的不一样，4°偏轴和8°偏轴的SiC衬底外延差异也无法准确比较。

一种同时适用于4°偏轴以及8°偏轴的SiC衬底原位处理方法，必须要在抑制8°偏轴衬底刻蚀工程中硅滴形成的同时避免对4°偏轴衬底原位刻蚀不充分的情况出现。本专利通过在高温刻蚀阶段引入HCl气体，通过Si组分和HCl反应形成气相SiCl_x，有效加速了反应（3-3）的速率，避免高温刻蚀过程中，8°偏轴衬底表面硅滴的形成，与此同时，又保证了4°偏轴衬底的有效刻蚀。结合低速、低碳硅比缓冲层工艺，可以有效避免4°偏轴衬底表面台阶聚束形貌的产生。

发明内容

本发明是一种适用于沿<11-20>方向4°偏轴和8°偏轴的硅面碳化硅（SiC）衬底的原位处理方法。以化学气相淀积生长技术为基础，采用同一工艺，在沿<11-20>方向4°偏轴和8°偏轴的硅面碳化硅（SiC）衬底上均可以制备出具体较好表面质量的SiC外延薄膜。该方法适用于任何SiC外延结构的生长工艺，可以实现4°偏轴和8°偏轴SiC衬底同一炉次生长，同时可以更加准确的比较4°偏轴和8°偏轴外延外延性质的差异。

本发明的技术解决方案：一种适用于沿<11-20>方向4°和8°偏轴硅面碳化硅衬底的原位处理方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：