[发明专利]一种N型低缺陷碳化硅外延片的制备方法

说明书

本发明提供一种N型低缺陷碳化硅外延片的制备方法，包括步骤：衬底的准备、在线刻蚀衬底、缓冲层的生长和外延层的生长，其中外延层的生长采用了“生长、刻蚀、吹拂、再生长”的方法。该方法有效地降低了基面位错密度，减少腔体内沉积物，降低了碳化硅外延片表面的缺陷密度，提高了碳化硅外延材料的质量；且其适合范围广，加工成本低，适合工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种半导体材料的制备方法，具体涉及一种碳化硅外延片的制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)是继第一代半导体材料硅、锗和第二带半导体材料砷化镓、磷化铟后发展起来的第三代半导体材料，碳化硅材料的宽禁带是硅和砷化镓的2-3倍，使得半导体器件能在相当高的温度下(500℃以上)工作并具有发射蓝光的能力；高击穿电场比硅和砷化镓均要高出一个数量级，这就决定了SiC作为半导体器件具有高压、大功率的特性及高饱和电子漂移速度和低介电常数，具有作为半导体器件的高频、高速的工作性能；SiC导热率是硅的3.3倍，砷化镓的10倍，这就意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积。因此随着碳化硅材料和器件工艺的不断完善，部分领域以碳化硅来替代Si指日可待。由于碳化硅具有宽带隙、高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和漂移速率等特点，特别适合大功率、高电压电力电子器件，成为当前电力电子领域的研究热点。对于高电压电力电子器件来言，需要超厚碳化硅外延层，厚度可达200微米，要生长如此厚的外延层需要解决的一大难题就是降低缺陷，尤其是基面位错和表面缺陷。

传统的方法是通过在衬底和外延层之间增加缓冲层来减少缺陷，这对于薄外延片有一定的效果，但是对超厚碳化硅外延片来讲效果有限，由于生长超厚碳化硅外延层时，消耗时间长，生长腔体内环境随着时间的增长不断恶化，尤其是四周和顶部的沉积物，会造成外延层质量大大降低，亟待发明一种既适用于薄碳化硅外延片又适合超厚碳化硅外延片的制备方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供的碳化硅外延片的制备方法，降低了基面位错密度，减少腔体内沉积物，有效降低碳化硅外延片表面的缺陷密度。该方法适用于任何碳化硅外延工艺，对生长超厚或薄的碳化硅外延片都具有很好的效果。

本发明提供的N型低缺陷碳化硅外延片的制备方法，包括以下步骤：

1)在线刻蚀衬底：放置碳化硅衬底于反应室内，抽真空，分别以40～80L/min和5～10L/min的流量通入H₂和HCl，于20-60mbar压力和1510～1710℃温度下刻蚀5～20min；

2)缓冲层的生长：停止通入HCl，分别以6～10mL/min、3～5mL/min和1500～1800mL/min的流量通入生长硅源、生长碳源和N₂掺杂剂，于1500～1680℃温度和20～100mbar压力下生长0.2～5μm厚的缓冲层；

3)外延层的生长

a生长：分别以40～80L/min、10～40mL/min、5～20mL/min和800～1500mL/min的流量通入H₂、生长硅源、生长碳源和N₂掺杂剂，于1500～1680℃温度和20～100mbar压力下生长5～50μm厚的外延层；

b刻蚀：分别停止通入硅源、碳源和N₂，于1510～1710℃下维持2～5min；以5～10L/min流量通入HCl，刻蚀2～5min；

c吹拂：停止通HCl后，以45～90mL/min的流量吹H₂2～10min；

d再生长：重复步骤a生长外延层至5～200μm。

所述的N型低缺陷碳化硅外延片的制备方法的第一优选技术方案，所述衬底材料是4H-SiC或6H-SiC。