4H-SiC同质外延生长方法
【专利摘要】本发明涉及一种4H-SiC衬底上的同质外延方法，所述方法包括：将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；通入H2，进行10分钟的原位刻蚀；将反应室压强降低为40mbar，保持温度和压强恒定，通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8，进行2小时的外延生长，获得长有碳化硅外延层的衬底片；当温度降低到700℃，再将反应室抽成真空，并充入Ar，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。本发明4H-SiC同质外延生长方法在大幅的提高了外延层的生长速率，很大程度上节约了生产成本，减少了资源的浪费。
【专利说明】4H-S iC同质外延生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种低压4H-SiC同质外延生长方法。【背景技术】
[0002]碳化硅(SiC)具有宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高饱和电子漂移速度和高键合能等优点，是制作高温、高压、高频、大功率、抗辐照等半导体器件的原材料，也是制作“极端电子学器件”和极端条件下微机电系统MEMS的主要材料；此外，SiC是一种优良的发光半导体材料，不仅适于制作光电子半导体器件，也可利用其宽带隙和低电流的特性制作紫外敏感器件。由于SiC材料具有这些优越的特性，使它在化学工业、航空航天工程、汽车制造业、矿物加工与开采、核动力工程等领域都有着广泛的应用前景。
[0003]目前化学气相淀积(CVD)是生长SiC同质外延的常用方法之一。在利用CVD方法生长SiC外延层过程中，SiH4和C3H8作为生长源气体，H2作为载气。制备工作于高压下的SiC电力电子器件需要厚的SiC外延层，而对于厚膜SiC外延层的制备，采用常规工艺(-5ym/h)需要很长的生长时间，大大增加了制备成本。
[0004]提高源气体SiH4 和C3H8流量可以将SiC外延的生长速率提高到10 μ m/h以上，但通过增加源气体流量以获得高生长速率的方法所遇到的主要问题是气相中同种组分的成核现象，即Si滴的出现。如果气流不能及时的将Si滴输运出生长区，将会导致生长速率达到饱和，Si滴也会沉积衬底上，导致外延表面形貌的退化和材料质量的降低，这对后续的器件制造和器件性能都会造成很大影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种4H_SiC同质外延生长方法，以解决常规工艺条件下SiC外延层生长速率较低的问题，同时克服高源气体流量条件下SiC外延层表面缺陷密度较大的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种4H_SiC衬底上的同质外延方法，所述方法包括以下步骤:
[0007]步骤SI，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；
[0008]步骤S2，向反应室通入氢气H2直至反应室气压到达lOOmbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量逐渐增至64L/min，继续向反应室通气；
[0009]步骤S3，使反应室温度升高逐渐至1400°C，进行10分钟的原位刻蚀；
[0010]步骤S4，将温度升高至1580°C -1620°C，将反应室压强降低为40mbar，保持温度和压强恒定，打开SiH4和C3H8的开关，通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,进行2小时的外延生长，获得长有碳化硅外延层的衬底片；
[0011]步骤S5，停止生长后，继续向反应室中通AH2，使衬底片在氢气流中降温；
[0012]步骤S6，当温度降低到700°C，再将反应室抽成真空，并充入Ar，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。[0013]进一步的，所述步骤SI中，碳化硅衬底具体为4°偏角碳化硅衬底。
[0014]进一步的，所述步骤SI中，将反应室抽成气压低于lX10_7mbar的真空。
[0015]进一步的,所述步骤S3具体包括:打开高频线圈感应加热器RF,逐渐增大该加热器的功率，使反应室温度升高逐渐至1400°C，进行10分钟的原位刻蚀。
[0016]进一步的，所述步骤S4中反应室压强为40mbar。
[0017]进一步的，所述步骤S5具体包括:当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；然后设置通向反应室的H2流量为20L/min，保持反应室气压为lOOmbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min ;再将反应室气压升高到700mbar,在氢气流中继续冷却。
[0018]进一步的，所述步骤S6具体包括:当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于I X lOOmbar,再打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar,使长有碳化娃外延层的衬底在気气环境下继续冷却30min ;缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
[0019]本发明4H_Si C同质外延生长方法在4°偏角碳化硅衬底上生长出碳化硅外延层，相对于通常所用的在有偏角的衬底上同质外延，大幅的提高了外延层的生长速率，很大程度上节约了生产成本，减少了资源的浪费。采用低压生长工艺，克服了高源气体流量条件下同种组分的气相成核问题，得到表面光滑、阶梯聚集群和三角形缺陷较少、结晶质量好的4H-SiC同质外延层,可用于SiC的器件制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明4H_SiC衬底上的同质外延方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0022]图1为本发明4H_SiC衬底上的同质外延方法的流程图，如图所示，本方法具体包括以下步骤:
[0023]步骤101，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空；
[0024]步骤102，向反应室通入氢气H2直至反应室气压到达lOOmbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量逐渐增至64L/min，继续向反应室通气；
[0025]步骤103，使反应室温度升高逐渐至1400°C，进行10分钟的原位刻蚀；
[0026]步骤104，将温度升高至1580°C _1620°C，将反应室压强降低为40mbar，保持温度和压强恒定，打开SiH4和C3H8的开关，通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,进行2小时的外延生长，获得长有碳化娃外延层的衬底片；
[0027]步骤105，停止生长后，继续向反应室中通AH2，使衬底片在氢气流中降温；
[0028]步骤106，当温度降低到700°C，再将反应室抽成真空，并充入Ar，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。
[0029]实施例1
[0030]步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。
[0031]具体的，选取4°偏角的4H_SiC衬底，清洗后放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于I X 10_7mbar。
[0032]步骤二，在氢气流中加热反应室。
[0033]具体的，打开通向反应室的H2开关，控制其流量逐渐增大到64L/min ;打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在IOOmbar ;逐渐调大RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高。
[0034]步骤三，对衬底进行原位刻蚀。
[0035]具体的，当反应室温度达到1400°C以后，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀。
[0036]步骤四，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
[0037]具体的，当反应室温度达到1580°C以后将反应室压强降低为40mbar，保持反应室温度和压强恒定；打开C3H8和SiH4的开关，通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,生长碳化娃外延层。
[0038]步骤五，在氢气流中冷却衬底。
[0039]具体的，当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；设置通向反应室的H2流量为20L/min，保持反应室气压为lOOmbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min ;将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
[0040]步骤六，在氩气中冷却衬底。
[0041]具体的，当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于lX10_7mbar ;打开IS气开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar,使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
[0042]实施例2
[0043]步骤1，选取4°偏角的4H_SiC衬底，放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于lX10_7mbar。
[0044]步骤2，打开通向反应室的H2开关，控制氢气流量逐渐增大到64L/min，同时打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在IOOmbar ;逐渐调大RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高，当反应室温度到达1400°C后，进行IOmin的原位刻蚀。
[0045]步骤3，当反应室温度达到1600°C以后，将压强降低为40mbar，保持反应室温度和压强恒定，打开C3H8和SiH4的开关，加入流量为14mL/min的C3H8、流量为42mL/min的SiH4,生长碳化娃外延层。
[0046]步骤5，当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；然后设置通向反应室的H2流量为20L/min，保持反应室气压为lOOmbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min ;再将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
[0047]步骤6，当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于I X l(T7mbar,再打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar,使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。 [0048]实施例3
[0049]步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。[0050]具体的，选取4°偏角的4H_SiC衬底，清洗后放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于I X 10_7mbar。
[0051]步骤二，在氢气流中加热反应室。
[0052]具体的，打开通向反应室的H2开关，控制其流量逐渐增大到64L/min ;打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在IOOmbar ;逐渐调大RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高。
[0053]步骤三，对衬底进行原位刻蚀。
[0054]具体的，当反应室温度达到1400°C以后，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀。
[0055]第四步，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
[0056]具体的，当反应室温度达到1620°C以后，将压强降低为40mbar，保持反应室温度和压强恒定；打开C3H8和SiH4的开关，在氢气流中同时加入流量为14mL/min的C3H8、流量为42mL/min的SiH4,生长碳化娃外延层。
[0057]第五步，在氢气流中冷却衬底。
[0058]具体的，当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；设置通向反应室的H2流量为20L/min，保持反应室气压为lOOmbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25 min ;将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
[0059]第六步，在氩气中冷却衬底。
[0060]具体的，当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的H2开关；(6.2)将反应室抽真空，直到气压低于IX l(T7mbar ;打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar,使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
[0061]实施例4
[0062]步骤一，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中。
[0063]具体的，选取4°偏角的4H_SiC衬底，清洗后放置到碳化硅CVD设备的反应室中；将反应室抽真空，直到反应室气压低于I X 10_7mbar。
[0064]步骤二，在氢气流中加热反应室。
[0065]具体的，打开通向反应室的H2开关，控制其流量逐渐增大到64L/min ;打开真空泵抽取反应室的气体，保持反应室气压在IOOmbar ;逐渐调大RF加热源的功率，使反应室温度缓慢升高。
[0066]步骤三，对衬底进行原位刻蚀。
[0067]具体的，当反应室温度达到1400°C以后，保持反应室温度恒定进行10分钟的原位刻蚀。
[0068]第四步，设置生长条件，开始生长碳化硅外延层。
[0069]具体的，刻蚀结束后，在反应室温度由1400°C升至1580°C过程中，将生长压强由IOOmbar降低为40mbar,之后保持反应室温度和压强恒定；打开C3H8和SiH4的开关,在氢气流中同时加入流量为14mL/min的C3H8、流量为42mL/min的SiH4，生长碳化硅外延层。
[0070]第五步，在氢气流中冷却衬底。
[0071]具体的，当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；设置通向反应室的H2流量为20L/min，保持反应室气压为lOOmbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min ;将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
[0072]第六步，在氩气中冷却衬底。
[0073]具体的，当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于IX l(T7mbar ;打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar,使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
[0074]本发明4H_SiC同质外延生长方法在4°偏角碳化硅衬底上生长出碳化硅外延层，相对于通常所用的在有偏角的衬底上同质外延，大幅的提高了外延层的生长速率，很大程度上节约了生产成本，减少了资源的浪费。采用低压生长工艺，克服了高源气体流量条件下同种组分的气相成核问题，得到表面光滑、阶梯聚集群和三角形缺陷较少、结晶质量好的4H-SiC同质外延层,可用于SiC的器件制造。
[0075]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内 。
【权利要求】
1.一种4H-SiC衬底上的同质外延方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤SI，将碳化硅衬底放置到碳化硅CVD设备的反应室中，将反应室抽成真空； 步骤S2，向反应室通入氢气H2直至反应室气压到达lOOmbar，保持反应室气压恒定，再将H2流量逐渐增至64L/min，继续向反应室通气； 步骤S3，使反应室温度升高逐渐至1400°C，进行10分钟的原位刻蚀； 步骤S4，将温度升高至1580°C -1620°C，将反应室压强降低为40mbar，保持温度和压强恒定，打开SiH4和C3H8的开关，通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,进行2小时的外延生长，获得长有碳化硅外延层的衬底片； 步骤S5，停止生长后，继续向反应室中通AH2，使衬底片在氢气流中降温； 步骤S6，当温度降低到700°C，再将反应室抽成真空，并充入Ar，使衬底片在氩气环境下自然冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤SI中，碳化硅衬底具体为4°偏角碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤SI中，将反应室抽成气压低于I X IO^mbar 的真空。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括:打开高频线圈感应加热器RF，逐渐增大该 加热器的功率，使反应室温度升高逐渐至1400°C，进行10分钟的原位刻蚀。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中反应室压强为40mbar。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括:当外延生长时间达到设定的2小时后，关闭C3H8和SiH4的开关，停止生长；然后设置通向反应室的H2流量为20L/min，保持反应室气压为lOOmbar，使长有碳化硅外延层的衬底在氢气流中冷却25min ；再将反应室气压升高到700mbar，在氢气流中继续冷却。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括:当反应室温度降低到700°C以后，关闭通向反应室的H2开关；将反应室抽真空，直到气压低于lX10_7mbar，再打开Ar开关，向反应室通入流量为12L/min的Ar，使长有碳化硅外延层的衬底在氩气环境下继续冷却30min ;缓慢提高反应室气压到常压，使衬底自然冷却至室温，取出碳化硅外延片。
【文档编号】C30B29/36GK104018217SQ201410260580
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】贾仁需, 胡继超, 张玉明, 王悦湖, 张艺蒙 申请人:西安电子科技大学