提高碳化硅外延兼容性的方法與流程

本發(fā)明涉及一種碳化硅外延片的生長方法，尤其涉及一種提高碳化硅外延兼容性的方法。
背景技術(shù)：
：SiC是繼Si和GaAs等材料之后發(fā)展起來的第三代新型半導(dǎo)體材料，室溫下SiC禁帶寬度達3.0eV，擊穿電場強度達3×106V/cm，熱導(dǎo)率達4.9W/cm·℃，電子飽和漂移速度達2×107cm/s。優(yōu)越的材料特性使得SiC成為高性能電子器件的理想材料。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，SiC外延晶片尺寸、晶體質(zhì)量、均勻性等指標(biāo)有了大幅的提升，目前商業(yè)化的SiC襯底尺寸已經(jīng)上升至6英寸，但是大部分的SiC器件研制流水線依舊為3英寸或4英寸，因此SiC外延材料要求覆蓋3-6英寸。目前商用SiC外延爐大部分為水平式外延爐，源在進氣方向的耗盡導(dǎo)致源在襯底上方分布不均勻，通常采用氣浮旋轉(zhuǎn)的方式來降低由于源耗盡引起的不均勻性。源在反應(yīng)室基座和襯底上的耗盡速率不同，通常源在基座上的耗盡速率小于在襯底上的耗盡速率，因此襯底邊緣存在源濃度變化不連續(xù)的點，形成邊緣效應(yīng)。對比不同外延尺寸的襯底，由于基座區(qū)域和襯底區(qū)域的比例不同，造成外延片中心點性能參數(shù)不同。如圖1所示，長實線和長虛線分別對應(yīng)3英寸和4英寸外延片的源耗盡曲線。由于3英寸基座區(qū)域的比例較大，3英寸襯底上方的源濃度要高于4英寸襯底上方相同位置的源濃度。因此即使采用相同的工藝條件，采用氣浮旋轉(zhuǎn)的3英寸襯底和4英寸襯底生長出來的外延片性能參數(shù)也是不同的，如圖1中短實線和短虛線所示。同時由于源耗盡速率在基座和襯底邊緣的不連續(xù)性，襯底邊緣存在很強的邊緣效應(yīng)。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種提高碳化硅外延兼容性的方法。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：一種提高碳化硅外延兼容性的方法，包含以下步驟：(1)選用外延爐支持的最大尺寸的石墨基座；(2)基座中放入碳化硅襯底，根據(jù)襯底尺寸在石墨基座的襯底坑中放入合適尺寸的填充片，用于固定襯底；襯底尺寸與石墨基座尺寸相同時，不需要放入填充片；(3)將石墨基座放入反應(yīng)室大盤內(nèi)，將反應(yīng)室中的空氣置換為氬氣，再將反應(yīng)室抽至真空后通入氫氣，保持氫氣流量為60-120L/min；等系統(tǒng)升溫至1300-1450℃時，將反應(yīng)室的壓力設(shè)置為100-200mbar，繼續(xù)向反應(yīng)室通入氯化氫氣體，保持HCl/H2的流量比范圍為0.01％-0.25％；(4)等系統(tǒng)繼續(xù)升溫至1500-1550℃時，關(guān)閉氯化氫氣體，同時保持氫氣流量和反應(yīng)室壓力不變；(5)系統(tǒng)繼續(xù)升溫，達到生長溫度1570-1680℃后，維持生長溫度2～10分鐘；(6)向反應(yīng)室通入硅源和碳源，控制硅源和氫氣的流量比小于0.025％；調(diào)節(jié)碳源流量，控制進氣端C/Si比小于等于1，通入氯化氫氣體，控制Cl/Si比為2-6，通入氮氣，生長n型緩沖層；(7)采用線性緩變的方式改變生長源和摻雜源的流量，至生長外延結(jié)構(gòu)所需的設(shè)定值，生長外延結(jié)構(gòu)；(8)完成外延結(jié)構(gòu)的生長后，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，反應(yīng)室溫度達到室溫后將反應(yīng)室抽至真空，再向反應(yīng)室中充入氬氣，將反應(yīng)室充至大氣壓，然后打開反應(yīng)室，取出外延片。填充片是選用與放置在基座上的碳化硅襯底具有相同的摻雜類型、晶面晶向、表面形貌和厚度以及與基座具有相同尺寸的碳化硅襯底，在中心位置加工出與基座上的碳化硅襯底尺寸相同的圓形空位，圓形空位的直徑為基座上的碳化硅襯底直徑的1.05-1.1倍。填充片可以重復(fù)使用，重復(fù)使用過程中，當(dāng)填充片的外延厚度達到200-500微米，進行機械拋光或化學(xué)機械拋光，去除填充片上的外延層。有益效果：本發(fā)明的方法通過引入和襯底具有相同摻雜類型、晶面晶向以及表面形貌的填充片的方式，使襯底區(qū)域得以延伸，從而使不同尺寸襯底對應(yīng)的基座以及襯底區(qū)域比例接近，使源在實際襯底上的耗盡速率連續(xù)變化，避免邊緣效應(yīng)。同時通過填充片的引入，使得源在不同尺寸襯底上方相同位置的濃度相似，從而提高了不同尺寸基座的兼容性，減少不同尺寸外延爐間的濃度以及厚度標(biāo)定頻率；同時也可在多片式外延爐中實現(xiàn)不同尺寸襯底的同時生長，極大程度的減少了片間偏差。該發(fā)明簡單可行，不需要對外延系統(tǒng)做改變，適用于現(xiàn)有單片以及多片式外延爐。附圖說明圖1是未加填充片的襯底上方的源耗盡曲線；圖2是填充片的示意圖；圖3是增加填充片前后襯底上方的源耗盡曲線的對比圖。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)方案作進一步的說明。本發(fā)明所述的提高碳化硅外延兼容性的方法，是在使用時選擇外延爐支持的最大尺寸的石墨基座。當(dāng)放入小尺寸襯底時，放入合適尺寸的填充片，當(dāng)襯底尺寸和基座尺寸相同時，則不需要加入填充片。如圖2所示，選用系統(tǒng)配套的6英寸石墨基座，放入3英寸或者4英寸襯底時，需要加入相應(yīng)尺寸的填充片。放入6英寸襯底時，則不需要加入填充片。加入填充片可以解決不同尺寸SiC襯底外延性質(zhì)不同的問題，也可以降低外延過程中的邊緣效應(yīng)。填充片的加工方法是選用6英寸碳化硅襯底，利用激光切割或者金剛石劃片的方法在6英寸碳化硅襯底的中心位置加工出小尺寸襯底的空位，該空位的圓心位置和6英寸碳化硅襯底的圓心位置重疊。加工填充片所選用的6英寸碳化硅襯底與放置在基座上的小尺寸襯底具有相同的摻雜類型、晶面晶向、表面形貌和厚度。通過引入和襯底具有相同摻雜類型、晶面晶向以及表面形貌的填充片，使襯底區(qū)域得以延伸，從而使不同尺寸襯底對應(yīng)的基座以及襯底區(qū)域比例接近，使源在實際襯底上的耗盡速率連續(xù)變化，避免邊緣效應(yīng)。同時填充片的引入，使得源在不同尺寸襯底上方相同位置的濃度相似，可以很好的提高基座的兼容性。填充片中間的空位可以是正圓形也可以是帶參考邊的圓形，帶參考邊的空位直徑為對應(yīng)襯底直徑的1.05-1.1倍，預(yù)留空隙，方便填充片的放置，避免因為熱脹冷縮發(fā)生擠壓。實際生長外延層時，使用單片式外延爐或者行星式多片式外延爐，選用外延爐支持的最大尺寸的石墨基座，將碳化硅襯底置于石墨基座內(nèi)，在石墨基座內(nèi)放入合適尺寸的填充片，利用填充片固定襯底，可以選取偏向<11-20>方向4°或者8°的碳化硅襯底。然后將石墨基座放入反應(yīng)室大盤內(nèi)，將反應(yīng)室大盤內(nèi)的空氣置換為氬氣，再將反應(yīng)室抽至真空后向反應(yīng)室內(nèi)通入氫氣，保持H2的流量為60～120L/min，等系統(tǒng)升溫至1300-1450℃時，將反應(yīng)室的壓力設(shè)置為100-200mbar，繼續(xù)向反應(yīng)室通入少量氯化氫(HCl)氣體，保持HCl/H2的流量比范圍為0.01％-0.25％。等系統(tǒng)繼續(xù)升溫至1500-1550℃時，關(guān)閉氯化氫氣體，同時保持氫氣和反應(yīng)室壓力不變，讓系統(tǒng)繼續(xù)升溫，當(dāng)系統(tǒng)達到生長溫度1570-1680℃后，維持生長溫度2～10分鐘。之后向反應(yīng)室通入小流量硅源和碳源，可以是硅烷和乙烯，控制硅源和氫氣的流量比小于0.025％，調(diào)節(jié)碳源流量，控制進氣端C/Si比小于等于1，通入氯化氫(HCl)氣體，控制Cl/Si比為2～6，通入高純氮氣(N2)，生長出厚度為0.5-2μm，摻雜濃度為～1E18cm-3的n型緩沖層。采用線性緩變的方式改變生長源和摻雜源的流量，至生長外延結(jié)構(gòu)所需的設(shè)定值，控制SiH4/H2流量比為0.2％，設(shè)定進氣端C/Si比為1.05，并通入氯化氫(HCl)氣體，設(shè)定進氣端Cl/Si比為2.5，通入5sccm的氮氣，外延時間設(shè)定為60分鐘，生長外延結(jié)構(gòu)。完成外延結(jié)構(gòu)的生長后，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，反應(yīng)室溫度達到室溫后將氫氣排出反應(yīng)室，將反應(yīng)室抽至真空，維持3-10分鐘，再向反應(yīng)室中充入氬氣，最終用氬氣將反應(yīng)室充至大氣壓，然后打開反應(yīng)室，取出外延片。填充片可以重復(fù)使用，重復(fù)使用過程中，當(dāng)填充片的外延厚度累計達到200-500微米，一般200微米左右就要進行處理，不能超過500微米，一般進行機械拋光或化學(xué)機械拋光，去除填充片上的外延層，達到和襯底相同的表面現(xiàn)象。如圖3所示，其中點狀虛線表示加入填充片后3英寸和4英寸襯底上方相同位置的源耗盡分布曲線；實線和線狀虛線和圖1中一樣，長實線和長虛線分別對應(yīng)3英寸和4英寸外延片的源耗盡曲線，短實線和短虛線表示采用氣浮旋轉(zhuǎn)的3英寸襯底和4英寸襯底上方相同位置的源耗盡分布曲線。對同一個外延爐生長3英寸、4英寸和6英寸外延片的中心點進行濃度和厚度測試，如表1所示。表1樣品3英寸4英寸6英寸厚度(μm)29.3528.9628.06濃度(×1015cm-3)4.1E154.03E153.98E15結(jié)合圖3和表1中的數(shù)據(jù)可以看出，采用本發(fā)明的方法，可以有效提高不同尺寸碳化硅外延的兼容性。當(dāng)前第1頁1 2 3