含超级结的增强型SiC异质结晶体管外延结构及其制备方法与流程

含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，涉及一种含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构及其制备方法。


背景技术：

2.以sic为代表的第三代宽带隙半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移等特点，特别适合制作高温、高压、高频、大功率、抗辐照等半导体器件。
3.在sic多型体中，3c-sic、4h-sic、6h-sic等晶型应用最广泛，3c-sic禁带宽度为2.3ev，4h-sic的禁带宽度高达3.2ev，禁带宽度差达0.9ev，由于禁带宽度相差大，3c-sic与4h-sic形成的异质结器件具有很大的潜力。
4.然而，在3c-sic/4h-sic异质结结构应用于场效应晶体管器件时，在关态情况下，器件源端接地，栅极加载负压，漏端加载正电压时，器件体材料漏电路径主要是先垂直通过4h-sic外延层，然后水平通过4h-sic衬底与4h-sic外延缓冲层界面。因此，传统生长3c-sic/4h-sic异质结结构都基于半绝缘衬底，然而半绝缘sic衬底价格昂贵，因此使用价格相对较低的高掺杂导电性sic衬底是未来发展方向。
5.然而目前高掺杂导电性sic衬底都存在小面生长，衬底浓度不均匀性很大，如图3所示。小面即生长界面平行(0001)面的部分，在小面上无法进行台阶流生长，而且(0001)面也是最容易进行氮掺杂的晶面，因此会在衬底上呈现较深的颜色。衬底上颜色的深浅，主要是氮含量决定，颜色越深，氮含量越多，电阻率越低。因此，小面上生长的外延层制成的3c-sic/4h-sic异质结器件，漏电较正常晶面要大很多。因此，亟需提高4h-sic外延层的的抗压能力。
6.通常4h-sic/3c-sic异质结在材料制备完成时，已经形成高密度的二维电子气导通沟道，这样的材料制备的场效应晶体管器件都是耗尽型器件，在栅极加负偏压时器件才能处于关断状态，是一种常开器件，器件一直饱受可靠性问题。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构及其制备方法，在含有超级结及4h-sic/3c-sic异质结结构的耗尽型外延结构的基础上生长p型3c-sic形成含超级结的增强型器件，提高器件可靠性。
8.本发明采取的技术方案如下：
9.一种含超级结的增强型sic异质结高晶体管外延结构，所述含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构由下至上依次包括：sic衬底层、n型高掺杂4h-sic缓冲层、含超级结结构的n型漂移层、4h-sic沟道层、3c-sic势垒层、p型3c-sic层。
10.所述衬底层为正轴n型sic衬底层。
11.所述含超级结结构的n型漂移层的厚度为5～50μm。
12.所述含超级结结构的n型漂移层中，超级结结构沿n型漂移层表面向下纵向布置。
13.所述超级结结构的深度为10～40μm。
14.所述n型高掺杂4h-sic缓冲层的厚度为0.5～1μm，n的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
。
15.所述4h-sic沟道层的厚度为1～2μm。
16.所述3c-sic势垒层的厚度为5～10μm。
17.所述p型3c-sic层的厚度为0.2～1μm。
18.本发明还提供了所述的含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
19.(1)原位刻蚀sic衬底，得到sic衬底层；
20.(2)在sic衬底层上生长n型高掺杂4h-sic缓冲层；
21.(3)在n型高掺杂4h-sic缓冲层上生长n型4h-sic漂移层；
22.(4)由n型4h-sic漂移层的表面向下刻蚀沟槽；
23.(5)向沟槽内填充p型4h-sic；
24.(6)抛光，抛去在填充的过程中台面顶部过生长的外延层，直至得到表面光滑的含超级结结构的n型漂移层；
25.(6)在含超级结结构的n型漂移层上生长4h-sic沟道层；
26.(7)在4h-sic沟道层上生长3c-sic势垒层；
27.(8)在3c-sic势垒层之上生长p型3c-sic层。
28.步骤(4)中，沟槽侧壁倾角90
°
，底部宽度与台面顶部宽度一致，均为1.5～2μm。
29.本发明还提供了一种含所述含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构的器件，器件中在所述含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构的p型3c-sic层之上设置源极、肖特基接触栅极、漏极，sin隔离层；所述源极、漏极分别处于肖特基接触栅极的两边；所述源极与肖特基接触栅极之间设置sin隔离层；所述肖特基接触栅极与漏极之间设置sin隔离层。
30.本发明提供的含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构器件是在耗尽型器件基础上通过降低沟道二维电子气密度，在零偏置的状态下是关断的即在非工作状态下不需要负电极电压驱动，这一方面可以很大程度上降低电路的额外功率损耗，提高器件的可靠性。
31.本发明提供的含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构中的含超级结结构的n型漂移层中，超级结是通过采用交替的p型掺杂区域和n型掺杂区域结构来实现电荷补偿并作为耐压层，超级结器件在常规n型耐压层中引入p型掺杂，使得器件在反向阻断电压时，电荷耗尽层在纵向和横向两个方向同时展开，由于耐压层的纵向厚度远大于交替排列的p/n型区域的横向宽度，使得在很低的反向电压下，耐压层就由于横向耗尽区的延展而完全耗尽。
32.本发明提供的含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构中，在异质结结构之下设置超级结结构，超级结作为高阻层，可以降低漏电通道，避免衬底小面生长区域漏电流较大而导致器件失效。
33.与现有技术相比，本发明还具有以下有益效果：
34.1.本发明在含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构中采用3c/4h-sic异质结结构，3c/4h-sic异质结是由同种元素材料但是不同晶型构成的异质结，这种新型的异质结结构可以很容易地避免传统algan/gan形成的异质结结构难以解决的界面态问题，界面态主要是由晶格失配引起的，就大多数同种材料的不同晶型而言，立方晶型的(111)面跟六方晶型的(0001)面晶格失配是可以忽略的，因此，本发明提供的含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构具有高电子迁移率；
35.2.本发明在含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构中，选取正轴n型sic碳面衬底作为sic衬底层，其较半绝缘衬底价格便宜；并在正轴n型sic碳面衬底上设置n型高掺杂4h-sic缓冲层以缓冲衬底与漂移层因浓度差产生的失配应力；在n型高掺杂4h-sic缓冲层上设置含超级结结构的n型漂移层可阻断反向击穿，作为耐压层；其上设置的4h-sic沟道层作为本征sic层，可降低界面粗糙度散射及缺陷散射的影响；然后在4h-sic沟道层上设置3c-sic势垒层以形成4h-sic/3c-sic异质结结构；而后在3c-sic势垒层上设置p型3c-sic层以形成含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构。
附图说明
36.图1为含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构的结构图；
37.图2为含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构应用于场效应晶体管器件时的漏电通道示意图；
38.图3为高掺杂导电性sic衬底小面生长的示意图；
39.图中，1-sic衬底层、2-n型高掺杂4h-sic缓冲层、3-含超级结结构的n型漂移层、4-4h-sic沟道层、5-3c-sic势垒层、6-3c-sic势垒层、7-源极、8-漏极、9-肖特基接触栅极、10-sin隔离层。
具体实施方式
40.一种含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构，所述含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构由下至上依次包括：所述含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构由下至上依次包括：sic衬底层、n型高掺杂4h-sic缓冲层、含超级结结构的n型漂移层、4h-sic沟道层、3c-sic势垒层、p型3c-sic层。
41.所述含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构的制备方法，包括以下步骤：
42.1)sic衬底原位刻蚀；选取正轴n型sic碳面衬底，以160～240slm的流量通入h2和30～100sccm的流量通入hcl，于50-200mbar压力和1450-1500℃温度下刻蚀10～30min；
43.2)n型高掺杂4h-sic缓冲层生长：停止通入hcl，分别以160～240slm、80～500sccm、80～500sccm和40～100sccm的流量通入载气h2、含氯的硅源气体、碳源和n2，于1580～1700℃温度和50～200mbar压力，生长0.5～1μm厚的n型高掺杂4h-sic缓冲层，掺杂浓度5
×
10
17
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
；
44.3)n型4h-sic漂移层生长：分别以160～240slm、80～500sccm、80～500sccm和10～50sccm的流量通入载气h2、含氯的硅源气体、碳源和n2，于1580～1700℃温度和50～200mbar压力，生长5～50μm厚的n型4h-sic外延层，掺杂浓度1
×
10
14
cm-3
～2
×
10
16
cm-3
；
45.4)取出，清洗；对衬底上生长的n型4h-sic漂移层进行沟槽刻蚀，沿《11-20》晶向刻蚀深度10～40μm，沟槽侧壁倾角90
°
，底部宽度与台面顶部宽度一致，均为1.5～2μm，刻蚀完去掉掩膜；再一次清洗，烘干，送入外延炉中；
46.5)对刻蚀后的沟槽进行p型4h-sic填充，分别以100～500sccm、100～500sccm、1000～5000sccm和20～100sccm的流量通入含氯的硅源气体、碳源、hcl和al掺杂剂，以150～300slm通入载气h2，控制cl/si＝20～50，于1580～1750℃温度和100～600mbar压力下，填满沟槽；
47.6)抛光，使用标准工艺进行化学机械抛光，抛去台面顶部过生长的p型4h-sic，得到上表面光滑的交替排列的p型和n形区域；
48.7)4h-sic沟道层的生长:再次放入外延炉中，分别以160～240slm、80～500sccm和80～500sccm的流量通入载气h2、含氯的硅源气体和碳源，于1580～1650℃温度和50～200mbar压力，生长1～2μm厚的4h-sic沟道层；
49.8)3c-sic势垒层生长：分别以160～240slm、100～500sccm、100～500sccm和15～50sccm的流量通入h2、硅源、碳源和n2，于1400～1500℃温度和200～500mbar压力下，生长5～10μm厚的3c-sic势垒层；
50.9)p型3c-sic层生长：分别以160～240slm、100～500sccm、100～500sccm和20～60sccm的流量通入h2、硅源、碳源和tmal，于1550～1650℃温度和200～500mbar压力下，生长0.2～1μm厚的p型3c-sic层；
51.10)在h2保护下降温至室温。
52.上述各步骤中，含氯的硅源气体为sicl4、sihcl3、sih2c12或sih3cl。
53.下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。
54.实施例1
55.一种含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构，所述含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构由下至上依次包括：sic衬底层、n型高掺杂4h-sic缓冲层、含超级结结构的n型漂移层、4h-sic沟道层、3c-sic势垒层、p型3c-sic层。
56.所述含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构的制备方法，包括以下步骤：
57.1)sic衬底原位刻蚀；选取正轴n型sic碳面衬底，以196slm的流量通入h2和30sccm的流量通入hcl，于80mbar压力和1450℃温度下刻蚀10min；
58.2)n型高掺杂4h-sic缓冲层生长：停止通入hcl，分别以196slm、100sccm、110sccm和40sccm的流量通入载气h2、含氯的硅源气体、碳源和n2，于1600℃温度和80mbar压力，生长1μm厚的n型高掺杂4h-sic缓冲层，掺杂浓度1
×
10
18
cm-3
；
59.3)n型4h-sic漂移层生长：分别以196slm、300sccm、330sccm和10sccm的流量通入载气h2、含氯的硅源气体、碳源和n2，于1600℃温度和80mbar压力，生长50μm厚的n型4h-sic外延层，掺杂浓度5
×
10
14
cm-3
cm-3
；
60.4)取出，清洗；对衬底上生长的n型4h-sic外延层进行沟槽刻蚀，沿《11-20》晶向刻蚀深度20μm，沟槽侧壁倾角90
°
，底部宽度与台面顶部宽度一致，均为2μm，刻蚀完去掉掩膜；再一次清洗，烘干，送入外延炉中；
61.5)对刻蚀后的沟槽进行p型4h-sic外延层填充，分别以100sccm、110sccm、
3000sccm和20sccm的流量通入含氯的硅源气体、碳源、hcl和al掺杂剂，以260slm通入载气h2，控制cl/si＝30，于1750℃温度和300mbar压力下，填满沟槽；
62.6)抛光，使用标准工艺进行化学机械抛光，抛去台面顶部过生长的p型4h-sic，得到上表面光滑的交替排列的p型和n形区域；
63.7)4h-sic沟道层的生长:再次放入外延炉中，分别以196slm、200sccm和220sccm的流量通入载气h2、含氯的硅源气体和碳源，于1650℃温度和100mbar压力，生长2μm厚的4h-sic沟道层；
64.8)3c-sic势垒层生长：分别以196slm、200sccm、220sccm和15sccm的流量通入h2、硅源、碳源和n2，于1400℃温度和300mbar压力下，生长10μm厚的3c-sic外延层；
65.9)p型3c-sic层生长：分别以196slm、200sccm、220sccm和20sccm的流量通入h2、硅源、碳源和tmal，于1550℃温度和300mbar压力下，生长1μm厚的p型3c-sic层；
66.10)在h2保护下降温至室温。
67.上述各步骤中，含氯的硅源气体为sicl4、sihcl3、sih2c12或sih3cl。
68.实施例2
69.一种场效应晶体管器件，其是在实施例1中的含超级结的增强型sic异质结高电子迁移率晶体管外延结构的p型3c-sic层之上设置源极、肖特基接触栅极、漏极，sin隔离层得到；所述源极、漏极分别处于肖特基接触栅极的两边；所述源极与肖特基接触栅极之间设置sin隔离层；所述肖特基接触栅极与漏极之间设置sin隔离层。
70.对比例1
71.一种传统algan/gan基增强型电子晶体管外延结构，由下至上依次包括：si基衬底、aln成核层、掺碳gan漂移层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、p型gan层；其制备步骤如下：
72.(1)在si基衬底上生长aln成核层，厚度为100nm；外延生长的温度和压强分别为1150℃、100mbar；
73.(2)在aln成核层上生长掺碳gan漂移层，厚度为5μm；外延生长的温度和压强分别为1050℃、100mbar；
74.(3)在掺碳gan漂移层上生长gan沟道层，厚度为1μm；外延生长的温度和压强分别为1150℃、100mbar；
75.(4)在gan沟道层上生长aln插入层，厚度为1nm；外延生长的温度和压强分别为1100℃、100mbar；
76.(5)在aln插入层上生长algan势垒层，厚度为15nm，外延生长的温度和压强分别为1100℃、100mbar；
77.(6)在algan势垒层上外延p型gan层，厚度为20nm的p型gan层；外延生长的温度和压强分别为900℃、300mbar。
78.并在此对比例的p型3c-sic层之上设置源极、肖特基接触栅极、漏极，sin隔离层得到场效应晶体管器件；所述源极、漏极分别处于肖特基接触栅极的两边；所述源极与肖特基接触栅极之间设置sin隔离层；所述肖特基接触栅极与漏极之间设置sin隔离层。
79.实施例2及对比例1中的场效应晶体管器件的可靠性测试结果如表1、表2所示。
80.表1
81.外延来源浪涌电流(a)底宽(ms)脉冲次数反压漏电流(ma)合格判断实施例2801016500.083合格对比例1561016500.776不合格
82.表2
[0083][0084]
上述参照实施例对含超级结的增强型sic异质结晶体管外延结构及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。