具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法。
背景技术
作为第三代半导体材料，碳化硅(Silicon Carbide,简记为SiC)具有许多优良的特性，如宽禁带、高热导率、高饱和漂移速率等，是制备高温、高频、高功率电子器件的理想材料之一。碳化硅功率器件的制备需要高质量的SiC外延材料。然而，在当前的生长技术条件下，高质量的SiC外延材料中仍然普遍存在着本征缺陷C空位(简记为VC)。这些本征缺陷作为载流子陷阱或符合中心，会严重影响双极器件的在正向电压下的电学特性。目前，主要采用热氧化处理和C离子注入并退火处理的方法来降低4H-SiC材料中的C空位缺陷。然而，研究发现经过热氧化或C离子注入后的4H-SiC材料中存在新的深能级缺陷，分别为HK0(Ec+0.79eV)和HK2(Ec+0.98eV)，上述缺陷仍然会对载流子寿命产生很大的影响，从而影响碳化硅双极器件的特性。同时，上述热氧化处理和C离子注入并退火处理的方法对后续器件制备工艺影响较大，存在工艺兼容性差的问题。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法。
具体地，本发明实施例提出的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法，包括：
将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，并将反应室抽成真空；
向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流，在第一氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温；
在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀；
将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后，向反应室通入C3H8、SiH4，在碳化硅衬底上生长外延层，外延层包括第一外延层、第二外延层、……、第N外延层；
在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底；
在第四恒压下、在所述第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底；
在第四恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底，得到碳化硅外延片。
在本发明的一个实施例中，将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后，向反应室通入C3H8、SiH4，在碳化硅衬底上生长外延层的步骤包括：
a1、将反应室加热至第二恒温后保持恒定；
a2、将反应室气压调节至第二恒压后保持恒定；
a3、向反应室通入具有第四恒定流量的C3H8气流和具有第五恒定流量的SiH气流4，使C3H8气流和所述C3H8气流与第一氢气流混合进入反应室，在碳化硅衬底上生长第一外延层，第一外延层生长时长到达后，停止通入C3H8气流和SiH4气流，第一外延层生长结束；
a4、将反应室加热至第三恒温并使其在第三恒温保持第一时长，再将反应室温度在第二时长内降低至第二恒温；
循环步骤a3～a4，在碳化硅衬底上依次生长出第二外延层、第三外延层、……、第N外延层，生长终止。
在本发明的一个实施例中，第三恒温的范围为1630℃～1650℃。
在本发明的一个实施例中，第一时长的范围为1min～10min。
在本发明的一个实施例中，第二恒压的范围为20mbar～80mbar。
在本发明的一个实施例中，第二恒压为40mbar。
在本发明的一个实施例中，第二恒压为60mbar。
在本发明的一个实施例中，第一外延层、第二外延层、……、第N外延层中任一个的生长时长为3min～5min。
本发明提供的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法，采用现有的SiH4-C3H8-H2生长系统，无需对设备进行改造，通过改进生产工艺流程便可实现具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的生长，工艺简单，与后续器件制备工艺相兼容、适用于工业生产；采用脉冲式生长方法，降低了碳化硅外延材料中C空位缺陷密度的同时，不会引入新的表面缺陷，从而提高了碳化硅外延层的质量。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
参见图1，图1为本发明实施例提供的一种具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法示意图。
101、将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，并将反应室抽成真空。CVD表示化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)。该步骤具体包括：
101a、选择碳化硅衬底；
在本发明的一个实施例中，选取偏向[1120]晶向4°的4H碳化硅衬底；
在本发明的另一个实施例中，选取偏向[1120]晶向8°的4H碳化硅衬底；
101b、将反应室抽成真空，具体为使反应室气压低于1×10-7mbar。
102、向反应室中通入具有第一恒定流量的第一氢气流，在第一恒定氢气流及第一恒压下对反应室加热至第一恒温。具体包括：
102a、向反应室中持续通入第一氢气流，并控制第一氢气流流量，使其逐渐增大到第一恒定流量值后保持恒定。第一恒定流量的范围为60L/min～65L/min。
在本发明的一个实施例中，第一恒定流量优选方案采用60L/min。
在本发明的另一个实施例中，第一恒定流量优选方案采用64L/min。
102b、在通入氢气流过程中，同时利用真空泵以恒定流量抽取反应室中部分气体，使反应室气压保持在第一恒压，如此在反应室中形成恒定氢气流量及恒定气压。
在本发明的一个实施例中，第一恒压为100mbar。
102c、在以上步骤形成的恒定状态下对反应室进行加热。加热时，逐渐调大加热源功率，使反应室温度缓慢升高，直到温度达到第一恒温。
在本发明的一个实施例中，对反应室进行加热的加热源采用高频线圈感应加热器RF，使反应室温度达到的第一恒温为1400℃。
103、在第一恒温下对放置于反应室中的碳化硅衬底进行原位刻蚀。
在本发明的一个实施例中，对碳化硅衬底进行原位刻蚀的时长为10min。
104、将反应室加热至第二恒温并将反应室气压调节至第二恒压后，向反应室通入C3H8、SiH4，在碳化硅衬底上生长外延层，外延层包括第一外延层、第二外延层、……、第N外延层。步骤104具体包括：
104a、将反应室加热至第二恒温后保持恒定；
在本发明的一个实施例中，采用高频线圈感应加热器RF对反应室进行加热，第二恒温的范围为1580℃～1600℃，优选方案采用1580℃。
104b、将反应室气压调节至第二恒压后保持恒定。第二恒压的范围在20mbar～80mbar。
在本发明的一个实施例中，第二恒压为40mbar。
在本发明的另一个实施例中，第二恒压为60mbar。
104c、向反应室通入具有第四恒定流量的C3H8气流和具有第五恒定流量的SiH4气流，使其与第一氢气流混合进入反应室，在碳化硅衬底上生长第一外延层。第一外延层生长时长到达后，停止通入C3H8气流和SiH4气流，第一外延层生长结束。其中，第四恒定流量和第五恒定流量的大小，以及外延层的生长时长均根据生长需要进行设置。
在本发明的一个实施例中，第四恒定流量为16.6mL/min；第五恒定流量为50mL/min。第一外延层的生长时长为3min～5min。
104d、将反应室加热至第三恒温并使其在第三恒温保持第一时长，再将反应室温度在第二时长内缓慢降低至第二恒温。
在本发明的一个实施例中，采用高频线圈感应加热器RF对反应室加热，第三恒温的范围为1630℃-1650℃,优选方案采用1630℃；反应室在第三恒温保持的第一时长的范围为1min～10min，优选方案为10min；反应室温度缓慢降低至第二恒温所用第二时长为5min。
循环以上步骤104c～104d，在碳化硅衬底上依次生长出第二外延层、第三外延层、……、第N外延层，直到N个外延层的总厚度达到规定要求，停止进行外延层的生长。
本发明实施例中，采用脉冲式生长方法，即将外延层的生长分多层进行，每一层生长结束后，将其在较高的温度条件下稳定一段时间，如此使C原子在碳化硅衬底上进行充分扩散，有效降低了C空位缺陷的形成，同时不会引入新的表面缺陷。
105、在第三恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底。
在本发明的一个实施例中，设置第二恒定流量为20L/min；调节反应室气压到第三恒压为100mbar；长有外延层的碳化硅衬底的冷却时长为25min。
106、在第四恒压下、在具有第二恒定流量的第二氢气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底。
在本发明的一个实施例中，将反应室气压升高至第四恒压为700mbar。
107、在第四恒温下、在具有第三恒定流量的氩气流中冷却长有外延层的碳化硅衬底，得到碳化硅外延片。具体包括：
107a、降低反应室温度到第四恒温时，停止通入第二氢气流。
在本发明的一个实施例中，第四恒温为700℃。
107b、将反应室内抽真空，直到气压低于1×10-7mbar。
107c、向反应室通入具有第三恒定流量的氩气流，将长有外延层的碳化硅衬底在氩气环境下继续冷却。
在本发明的一个实施例中，第三恒定流量为12L/min；碳化硅衬底在氩气流中的冷却时长为30min。
107d、缓慢升高反应室内气压到常压，将长有外延层的碳化硅衬底自然冷却至室温，得到碳化硅外延片。
108、从反应室中取出碳化硅外延片。
承上述，本发明提供的具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法，采用现有的SiH4-C3H8-H2生长系统，无需对设备进行改造，通过改进生产工艺流程便可实现具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的生长，工艺简单，与后续器件制备工艺相兼容、适用于工业生产；采用脉冲式生长方法，降低了碳化硅外延材料中C空位缺陷密度的同时，不会引入新的表面缺陷，从而提高了碳化硅外延层的质量。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明具有低密度C空位缺陷的碳化硅外延的制备方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
