[发明专利]一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法

说明书

本发明涉及一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法。该方法首先生长高掺p型外延层，而后进行化学机械抛光（CMP）处理表面，再进行原位刻蚀进一步处理损伤层，然后生长超厚n型外延层。可在生长超厚n型外延层过程中，重复抛光、原位刻蚀和外延步骤一次或更多次，最终实现高表面质量的超厚IGBT结构外延生长。本发明方法可以解决生长100微米甚至200微米以上的IGBT结构外延材料的表面台阶聚束问题，大力推进SiC IGBT器件走向实际应用，具有较高的推广价值。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法。

背景技术

能源革命对电网的安全性、可靠性、可控性和灵活性提出了更高要求，灵活交直流输电装置的广泛应用成为未来电网的发展趋势，高压高频全控型器件是柔性直流输电装备的核心。当前大功率高压高频全控型器件主要基于硅材料，以硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）为代表，最高电压可达6.5kV。SiC 器件具有高耐压、高可靠、低损耗等优越的电气特性，在智能电网领域拥有巨大的应用潜力。SiCIGBT 作为一种双极型全控开关器件，集成了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的高可控性和双极型结构的大电流导通能力这两方面的优点，SiC IGBT具有电导调制的优势，理论上单只器件可以实现30kV，可替代4-5只硅IGBT，将大幅度减少串联器件和辅助设备的数量，从而大大降低电力装备的损耗、体积和成本，提高可靠性、灵活性和适用性。

高压大功率SiC IGBT 芯片对厚度到达100μm以上甚至200μm以上的超厚SiC外延材料提出了需求，如图1所示的典型的SiC IGBT材料结构。目前4H-SiC电力电子器件用外延材料主要采用化学气相沉积设备、通过台阶流生长的方法在低偏角（主要是4°）衬底上制备，其制备工艺比较成熟，是目前大批量生产SiC外延材料的主要方法。但是，使用该方法生长厚的外延层时，快速生长的台阶会与缓慢生长的台阶接触而合并成大的台阶聚集，即台阶聚束。对于IGBT结构而言，其均为厚层外延，厚度可达200μm以上，生长该结构时不可避免地存在台阶聚束。而台阶聚束的存在可能会造成器件可靠性降低，从而阻碍IGBT器件的研发和实际应用。因此，如何制备高表面质量超厚SiC IGBT结构外延材料是实现SiC IGBT器件实际应用的关键问题之一。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，实现高表面质量的超厚IGBT结构外延生长，解决生长100微米甚至200微米以上的IGBT结构外延材料的台阶聚束问题。

本发明涉及的技术方案如下：

一种生长高表面质量超厚IGBT结构碳化硅外延材料的方法，包括以下步骤：

步骤一，将SiC衬底放置于碳化硅化学气相沉积设备的反应室；

步骤二，反应室逐渐达到设定压力和氢气流量，在氢气流中反应室快速升温至生长温度，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的高掺p型厚层；

步骤三，在大流量、高压力氢气气氛下冷却碳化硅衬底，待反应室冷却后，取出碳化硅外延片，对外延片进行化学机械抛光（CMP）处理，减少甚至消除表面台阶聚束；

步骤四，将化学机械抛光处理后的外延片放入反应室，反应室逐渐达到设定压力和气体流量，在氢气流中反应室快速升温至刻蚀温度进行原位刻蚀处理，进一步去除化学机械抛光处理引入的亚损伤层；

步骤五，设置生长条件，通入相应生长源生长IGBT结构的低掺n型超厚层；

步骤六，生长IGBT结构的低掺n型超厚层过程中可以在预定厚度中断生长，重复步骤三至步骤五，继续生长低掺n型超厚层，直到得到目标产物。