[发明专利]N型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种利用现有的碳化硅材料CVD生长工艺，制备N型重掺杂碳化硅外延层的方法。

背景技术

碳化硅材料良好的物理和电学特性，在高温、高压、高频、抗辐照电子器件方面有着极其重要的应用前景。

碳化硅属于宽禁带半导体，本征载流子在高温下仍能保持较低的浓度，因而能工作在很高的温度下。在不产生雪崩击穿的情况下，碳化硅可以承受的最大电场强度是硅材料的8倍以上，这使得碳化硅可以用于制作高压，高功率的半导体器件，如PiN二级管、功率晶体管、晶闸管，或高功率的微波器件。从另一方面看，这些特性也对器件封装有益处，使器件可以封装的更加紧密，提高电路的集成度。碳化硅同时也是极为良好的热导体，在室温下，碳化硅的热导率为3.7Wcm^-1℃^-1(4H-SiC)，比常见的金属都高，因而碳化硅半导体材料能很好的将自身产生的热量传导出去，极为适合制作功率器件。碳化硅的饱和电子迁移速度很高，这一特性也使它可以用于射频或者微波器件，从而提高器件工作速度。

近年来，有关碳化硅材料相关工艺进展非常迅速，碳化硅单晶片已经有商用的4英寸的衬底，可以在碳化硅衬底实现的低缺陷外延，另外在碳化硅材料的氧化、掺杂、刻蚀、半导体金属接触等方面都逐步成熟。

碳化硅具有高的化学和物理稳定性，使其高温单晶生长和化学及机械处理都非常困难。因此，目前应用于制造器件的碳化硅材料都是由薄膜制备技术生长的外延薄膜材料。由于碳化硅的键强度高，杂质扩散所要求的温度大于1800℃，大大超过标准器件工艺的条件，所以器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制掺杂和高温离子注入掺杂。

采用高温离子注入，注入离子对晶格损伤很大，造成大量晶格缺陷，即使退火也很难完全消除，严重影响了器件的性能，同时离子注入效率很低，因而不适合做大面积掺杂。在常见的碳化硅的CVD外延工艺中，通常采用SiH₄和C₃H₈作为反应物，N₂作为N型掺杂源，氢气作为载气，需要控制各个反应物的比例、反应条件，才能达到高质量，高速率的生长，并达到所需要的掺杂水平。只有通过合理调整生长参数，生长出缺陷少，掺杂达到预定要求的外延层，才能制作出性能符合要求的器件，因而碳化硅外延层的掺杂控制是目前器件制造中的一个很大的难点。

李哲洋等人的专利《高掺杂浓度的碳化硅外延生长的方法》，提出了关于高掺杂半导体外延生长工艺方法，但是在其给出的工艺条件下，生长的外延层浓度在1×10¹⁸cm^-3左右，一些半导体器件，如BJT的发射区，需要用到重掺杂的外延层，浓度要在1×10¹⁹cm^-3以上，上述方法不能满足制备这些器件的要求，因而需要研究新的工艺条件，实现了更高浓度的外延层掺杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种N型重掺杂碳化硅的制备方法，利用碳化硅的CVD设备，制备出掺杂浓度在1×10¹⁹cm^-3以上的碳化硅外延层，满足了制备重掺杂外延层的要求。

为实现上述目的，本发明提供了两种制备上述重掺杂外延层的技术方案。

技术方案1，包括如下步骤：

(1)把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；

(2)保持反应室气压为100mbar，在20L/min的氢气流中，使用加热源逐渐加热衬底，使其温度缓缓上升，当温度超过1400℃后，在氢气流中加入流量为5～10mL/min的C₃H₈；

(3)当反应室温度到达到1580℃后，保持温度恒定，继续保持反应室气压和氢气流中加入的C₃H₈流量不变，对衬底进行原位刻蚀，时间为10～30min；