本發(fā)明涉及一種高表面質(zhì)量碳化硅外延層的生長方法，尤其涉及一種降低基平面位錯對碳化硅外延層影響的方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在商用碳化硅襯底晶體的完美度大幅度提高，但是碳化硅襯底中還是存在大量的基平面位錯(BPD)，BPD可能會延伸至外延層，并且在正向?qū)娏鞯淖饔孟聲葑兂啥褖緦渝e(SF)，造成高頻二極管器件正向?qū)妷浩?。由于刃位錯(TED)對器件性能的影響要小得多，所以提高碳化硅外延生長過程中BPD轉(zhuǎn)化為TED的比例，阻止襯底中的BPD向外延層中延伸對提高器件的性能是十分重要的。目前通過采用4°偏軸襯底代替8°偏軸襯底的方法以及KOH熔融腐蝕預(yù)處理襯底的方法可以大大提高BPD向TED轉(zhuǎn)化的效率。

但是即使是轉(zhuǎn)化后的TED缺陷，在大電流注入的情況下，依然會衍生出新的SF，進(jìn)入外延層，影響器件性能。正向?qū)娏髯饔孟拢褖緦渝e的形成主要由BPD缺陷的不全位錯移動產(chǎn)生，激活位錯移動的能量來源于電子-空穴復(fù)合，電子-空穴復(fù)合速率和摻雜濃度成正比，因此在高摻雜濃度的緩沖層內(nèi)BPD缺陷很難形成SF。轉(zhuǎn)化位置越深，BPD衍生SF所需要的注入電流便越大，因此為了降低BPD缺陷對器件性能的影響，生長很厚(10μm以上)的高摻緩沖層，使BPD轉(zhuǎn)化的位置更深，遠(yuǎn)離緩沖層和外延層界面。然而這種方法并不可取，會大大增長外延工藝時間，導(dǎo)致開銷增大。而且如果緩沖層濃度和外延層濃度差別大，也會在外延層中引入應(yīng)力導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降。

轉(zhuǎn)換后的TED在高溫(1700℃以上)作用下可以在位錯線性拉力以及表面象力的作用下滑移，在滑移過程中，TED特征長度降低，能量降低，是一個自發(fā)過程，并且可以多次發(fā)生，最終可以促進(jìn)BPD-TED缺陷轉(zhuǎn)化點下移，如圖1所示，由TED1轉(zhuǎn)變?yōu)門ED2。但是在高溫退火過程中，由于溫度高，氫氣對碳化硅刻蝕速率快，容易破壞緩沖層表面，導(dǎo)致后續(xù)生長的外延材料表面退化，所以該原理一直沒有應(yīng)用于外延工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種降低基平面位錯對碳化硅外延層影響的方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種降低基平面位錯對碳化硅外延層影響的方法，包括以下步驟：

(1)將碳化硅襯底置于碳化硅外延系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)的石墨基座上；

(2)采用氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，然后向反應(yīng)室通入氫氣，逐漸加大氫氣流量至60～120L/min，設(shè)置反應(yīng)室的壓力為80～200mbar，并將反應(yīng)室逐漸升溫至1550～1700℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，保持所有參數(shù)不變，對碳化硅襯底進(jìn)行5～15分鐘原位氫氣刻蝕處理；

(3)原位氫氣刻蝕處理完成后，向反應(yīng)室通入小流量的硅源和碳源，控制硅源和氫氣的流量比小于0.03％，并通入摻雜源，生出長厚度為0.5-5μm，摻雜濃度～5E18cm^-3的高摻緩沖層；

(4)關(guān)閉生長源和摻雜源，在10分鐘內(nèi)采用線性變化的方式將生長溫度提高至1700～1900℃，反應(yīng)室壓力提高至500～800mbar，氫氣流量降低至30～60L/min，對高摻緩沖層進(jìn)行高溫退火處理，處理時間為10-60分鐘；

(5)在10分鐘內(nèi)采用線性變化的方式將生長溫度降低至1550～1700℃，反應(yīng)室壓力降低至80～200mbar，氫氣流量提高至60～120L/min；

(6)向反應(yīng)室通入小流量硅源和碳源，硅源和碳源的流量與步驟(3)相同，并通入摻雜源，摻雜源的起始流量與步驟(3)相同，并逐漸降低至五分之一，生長出厚度為0.5-2μm，摻雜濃度由～5E18cm^-3漸變至～1E18cm^-3的漸變緩沖層；

(7)采用線性緩變的方式將生長源和摻雜源的流量改變至生長外延結(jié)構(gòu)所需的設(shè)定值，根據(jù)常規(guī)工藝程序生長外延結(jié)構(gòu)；

(8)在完成外延結(jié)構(gòu)生長后，關(guān)閉生長源和摻雜源，在氫氣氛圍中將反應(yīng)室溫度降至室溫，然后將氫氣排出，并通入氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，并利用氬氣將反應(yīng)室壓力提高至大氣壓，然后開腔取片。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，對高摻雜緩沖層進(jìn)行高溫退火處理，促進(jìn)BPD-TED轉(zhuǎn)化點下移，遠(yuǎn)離有源層，降低了BPD缺陷向外延層中延伸層錯缺陷的可能性；同時通過高溫退火工藝的優(yōu)化，降低高溫氫氣對高摻雜緩沖層的破壞，并設(shè)計漸變緩沖層進(jìn)一步提高外延材料的表面質(zhì)量；該方法兼容于常規(guī)的外延工藝，適用于批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是外延材料中BPD-TED轉(zhuǎn)化位置變化示意圖；

圖2a是常規(guī)外延材料的碳化硅PiN二極管的正向特性；

圖2b是改進(jìn)后的外延材料的碳化硅PiN二極管的正向特性。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明所述的降低基平面位錯對碳化硅外延層影響的方法，通過降低高溫退火過程中的氫氣流量以及提高反應(yīng)室壓力抑制氫氣對襯底的刻蝕作用，完成對高摻雜緩沖層的高溫退火處理，然后繼續(xù)采用低外延速率生長的漸變緩沖層，可以降低外延層和高摻緩沖層的摻雜濃度差異，可以提高后續(xù)外延層的表面質(zhì)量，該外延方法可以有效降低外延層中基平面位錯在大電流作用下衍生層錯缺陷的概率，工藝兼容于常規(guī)的外延工藝，具體包括以下步驟：

(1)將碳化硅襯底置于SiC外延系統(tǒng)反應(yīng)室內(nèi)，放置于石墨基座上，石墨基座上具有碳化鉭涂層，碳化硅襯底可以選取偏向<11-20>方向4°或者8°的硅面碳化硅襯底；

(2)采用氬氣對反應(yīng)室氣體進(jìn)行多次置換，然后向反應(yīng)室通入氫氣，逐漸加大氫氣流量至60～120L/min，設(shè)置反應(yīng)室的壓力為80～200mbar，并將反應(yīng)室逐漸升溫至1550～1700℃，到達(dá)設(shè)定溫度后，保持所有參數(shù)不變，對碳化硅襯底進(jìn)行5～15分鐘原位氫氣刻蝕處理；

(3)向反應(yīng)室通入小流量的硅源和碳源，其中，硅源可以是硅烷、二氯氫硅、三氯氫硅、四氯氫硅等，碳源可以是甲烷、乙烯、乙炔、丙烷等，控制硅源和氫氣的流量比小于0.03％，調(diào)節(jié)碳源流量，控制進(jìn)氣端C/Si比為0.85，并通入n型摻雜源高純氮氣(N₂)，或者通入p型摻雜源三甲基鋁(TMA)，可以通入1000sccm高純氮氣(N₂)，設(shè)定生長時間24分鐘，生出長厚度為0.5-5μm，摻雜濃度～5E18cm^-3的高摻緩沖層；

(4)關(guān)閉生長源和摻雜源，在10分鐘內(nèi)通過線性變化的方式將生長溫度提高至熱退火溫度1700～1900℃，反應(yīng)室壓力提高至500～800mbar，氫氣流量降低至30～60L/min，對高摻緩沖層進(jìn)行高溫退火處理，處理時間為10-60分鐘，利用界面高溫退火處理，促進(jìn)BPD-TED轉(zhuǎn)化點下移，遠(yuǎn)離高摻緩沖層表面；

(5)然后在10分鐘內(nèi)通過線性變化的方式將生長溫度減低至生長溫度1550～1700℃，反應(yīng)室壓力降低至80～200mbar，氫氣流量提高至60～120L/min；

(6)向反應(yīng)室通入小流量硅源和碳源，硅源和碳源流量與步驟(3)相同，并通入n型摻雜源高純氮氣(N₂)，通入或者p型摻雜源三甲基鋁(TMA)，摻雜源的起始流量與步驟(3)相同，并逐漸降低至該數(shù)值的五分之一左右，例如高純氮氣流量由1000sccm緩變?yōu)?00sccm，設(shè)定生長時間12分鐘，生長出厚度為0.5-2μm，摻雜濃度由～5E18cm^-3漸變至～1E18cm^-3的漸變緩沖層，通過加入漸變緩沖層減少高摻緩沖層和外延層的濃度差異，并對高溫氫氣刻蝕的高摻緩沖層界面進(jìn)行修復(fù)，在保證外延晶體質(zhì)量的前提下，可以有效降低外延層中基平面位錯在大電流作用下衍生層錯缺陷的概率；

(7)采用線性緩變(ramping)的方式改變生長源及摻雜源的流量，控制SiH₄/H₂流量比為0.2％，進(jìn)氣端C/Si比為1.05，并通入氯化氫氣體，設(shè)定進(jìn)氣端Cl/Si比為2.5，并通入5sccm的氮氣，外延時間設(shè)定為180分鐘，均設(shè)定為生長外延結(jié)構(gòu)所需的設(shè)定值，根據(jù)常規(guī)工藝程序生長外延結(jié)構(gòu)，例如JBS結(jié)構(gòu)、PiN結(jié)構(gòu)、JFET結(jié)構(gòu)、MOSFET結(jié)構(gòu)和SIT結(jié)構(gòu)等；其中，外延層的摻雜類型與高摻緩沖層以及漸變緩沖的摻雜類型相同；

(8)在完成外延結(jié)構(gòu)生長之后，關(guān)閉生長源和摻雜源，在氫氣氛圍中將反應(yīng)室溫度降至室溫，反應(yīng)室溫度達(dá)到室溫后，將氫氣排外后，并通入氬氣對反應(yīng)室內(nèi)的氣體進(jìn)行多次置換，并利用氬氣將反應(yīng)室壓力充氣至大氣壓，然后開腔取片。

本發(fā)明中氫氣流量的設(shè)置適用于大型碳化硅外延設(shè)備，針對小型外延爐時，可以根據(jù)實際情況設(shè)定氫氣流量。

該外延方法可以將基平面位錯轉(zhuǎn)化點降低至高摻緩沖層界面之下，有效降低外延層中基平面位錯在大電流作用下衍生層錯缺陷的概率，工藝兼容于常規(guī)的外延工藝。如圖2所示是老化試驗數(shù)據(jù)，其中，圖2a是基于常規(guī)外延材料的碳化硅PiN二極管的正向特性，圖2b是基于工藝改進(jìn)外延材料的碳化硅PiN二極管的正向特性，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，外延材料改進(jìn)前，碳化硅PiN二極管正向特性測試中表現(xiàn)出壓降持續(xù)增大現(xiàn)象，外延材料改進(jìn)后，碳化硅PiN二極管具備穩(wěn)定的正向特性，說明通過外延工藝優(yōu)化，可以大大降低基平面位錯對碳化硅外延層的影響。