[发明专利]一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法

说明书

本发明公开了一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法，主要采用低速高碳硅比以及高速低碳硅比工艺结合，周期性生长所需的厚层碳化硅外延层，对比单一的低速高碳硅比工艺，有效提高了外延层的生长速率。同时结合高温退火处理，利用化学气相沉积热力学平衡条件下碳元素的迁移达到消除碳空位的目的，实现了原位生长过程中碳空位的有效修复，达到了提高碳化硅外延层载流子寿命的目的。采用本发明申请提供的外延方法生长的外延材料在外延完成后不需再利用离子注入或高温氧化的后期处理，兼容于现有商业化碳化硅外延炉的基础工艺，具有极大的推广价值。

技术领域

本发明涉及一种碳化硅外延生长方法，尤其涉及一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法。

背景技术

在不同的宽禁带半导体材料中，碳化硅（SiC）是非常具有潜力的外延材料，它具有热导率高、击穿场强高以及饱和电子漂移速率高以及抗辐照等特点。4H-SiC是SiC多型中性能最优异的材料，具有更大的带隙以及体电子迁移率，较小的各项异性，是研制电力电子器件的首选材料。

对比传统的硅器件，4H-SiC电力电子器件最大的优势就是能够高压、超高压工作。因此适用于4H-SiC电力电子器件的外延材料一直向着厚膜发展。随着关键技术的突破，4H-SiC外延的方法可以在衬底上生长高质量的厚膜外延材料，工程化的4H-SiC外延材料可以达到表面外延缺陷密度<1 cm^-2的水平。但是，现有高质量外延材料依旧包含其他的影响器件性能的电学缺陷。在这些电学缺陷中，碳空位以及相关的点缺陷中心是造成外延层载流子寿命降低的首要因素。载流子寿命短是导致4H-SiC高压电力电子器件，尤其是双极型器件功耗增加的主要原因。

为了使4H-SiC高压电力电子器件达到工程化应用的要求，首先需要解决SiC厚层外延中载流子寿命太短的问题。目前国际上主要采用对碳化硅外延片进行后期处理的方法进行。主要采用的方法有两种，分别是碳注入结合高温退火法以及长时间高温氧化法。这两种后期处理方法都存在一定的弊端。碳注入结合高温退火的法在高能碳离子注入过程中容易引入新的缺陷；同时受碳注入深度限制，对厚层碳化硅外延来说效果不够理想。高温氧化法则需要长时间的高温氧化处理，大大增加了时间以及经济成本。

因此，对SiC外延的工艺进行控制，在外延过程中直接降低碳空位是提高SiC外延层载流子寿命最简单有效的方法。现有的研究工作表明，采用高进气端碳硅比（C/Si≥1.5）的工艺条件可以有效抑制外延层中的碳空位的形成，从而提高载流子寿命。但是对于SiC外延来说，伴随外延速率的提高，进气端C/Si比工艺窗口逐渐变小，如图2所示。采用10μm/h以上的外延速率，当进气端C/Si比大于1.5时，外延片表面质量就会出现明显的台阶聚束（step-bunching）形貌导致表面粗糙度提高。因此如果需要采用高进气端C/Si比的工艺条件，必须采用10μm/h以下的外延速率。适用于4H-SiC高压电力电子器件研制的外延材料，外延厚度基本上都在10微米以上，而适用于4H-SiC超高压电力电子器件研制的外延材料甚至达到了100微米以上。如果为了保证SiC外延片的载流子寿命，而采用10μm/h以下的外延速率，SiC外延片的产能将大大下降。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出了一种提高碳化硅外延层载流子方法。在保证外延速率的前提下，有效提高外延层载流子寿命。

具体来说，本发明采用了以下技术方案：

一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）选取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅衬底，将其置于石墨基座内；

（2）采用氩气对反应室气体进行多次置换，然后向反应室通入氢气，逐渐加大氢气流量至60~120L/min，设置反应室的压力为80~200mbar，并将反应室逐渐升温至1550~1700℃；