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CN111769034B - 一种渐变式pn结材料的制备方法 - Google Patents

一种渐变式pn结材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种渐变式PN结材料的制备方法，包括如下步骤：设定LPCVD的生长条件外延缓变层；生长条件通过如下方法设置：(1)设定部分生长条件；(2)设定缓变层载流子浓度的最大值a和最小值b以及对应掺杂源的最大流速c和最小流速d；(3)根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；(4)在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的质量逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的质量为最小流速d。通过外延法在外延层制备缓变结技术较为容易，制备的缓变结的载流子浓度随厚度变化的线性关系较好，形成的缓变结质量较为稳定，缓变结内晶体点缺陷少，缓变结质量稳定。

Description

一种渐变式PN结材料的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种渐变式PN结材料的制备方法。
背景技术
PN(p-n junction)结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的重要特性。缓变pn结(graded p-n junction)从p区到n区掺杂浓度逐渐改变的pn结。缓变PN结在SiC器件制备过程中主要的意义在于通过改变掺杂浓度，从而改变PN结的空间电荷区宽度，改变器件的耐压情况。
在电性能上，突变结一般浅结，形成的电压比较低。缓变结由于是深结，形成的电压比较高。突变结的电容随电压变化敏感，而缓变结的电容则对电压变化先对没有那么敏感。通过缓变结的这些电学特性，我们可以设计一些具有特殊性质的器件。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法等。相对常规突变结来说，缓变结在离子注入、扩散等步骤的过程中较难精确控制。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种LPCVD外延法生长线性可控缓变结的PN结材料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种渐变式PN结材料的制备方法，包括如下步骤：
设定LPCVD化学气相沉积法的生长条件外延缓变层；
生长条件通过如下方法设置：
(1)根据所需器件材料的要求的设定生长气体的碳硅比、载气气体的流速以及反应室的温度和压力；依据4H-SiC生长的难易程度、质量高低进行生长气体和反应条件的合理设置。
(2)根据所需器件材料的要求设定缓变层的载流子浓度变化的最大值a和最小值b，根据步骤(1)设定的生长条件测试计算最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d；最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d可以通过事前的实验记录进行确定，也可以通过建立载流子浓度-掺杂源质量的变化模型，通过该变化模型确定最大流速c和最小流速d，流速为质量流速或体积流速；
(3)根据步骤(1)设定的生长条件测试计算缓变层的生长速率，根据所需器件材料的要求设定缓变层的厚度，根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；缓变层的生长速率可以通过事前的实验记录进行确定，也可以通过建立模型进行计算；
(4)在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的质量在生长时间e内逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的质量为最小流速d。
本发明在高温低压情况下，通过调整掺杂源在生长过程中的掺杂量从而实现载流子浓度变化，与常规制造PN结的合金法、扩散法、离子注入法相比，通过外延法在外延层制备缓变结技术较为容易，制备的缓变结的载流子浓度随厚度变化的线性关系较好，形成的缓变结质量较为稳定，缓变结内晶体点缺陷少，缓变结质量稳定，厚度控制精度高，可以控制在±0.1μm以内。
本发明限定的生长方法不仅限于在N型碳化硅衬底上外延缓变层，也可以在N型碳化硅衬底生长的常规外延层上进行缓变层外延，也可以在N型碳化硅衬底上进行缓变层的交叠。在本发明的实施例中，选用了厚度为340-360μm、偏角4度或8度、双面抛光的N型碳化硅衬底上外延缓变层。
其中，所述缓变层为P型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为硅烷或三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯或丙烷，所述掺杂源为三甲基铝。
其中，所述生长气体的碳硅比为0.7-1.3:1，所述载气气体的流速为80-150L/min，反应室的温度为1550-1700℃，反应室压力为80-120mbar。碳硅比低于0.7或高于1.3均容易产生晶体缺陷，通过控制硅碳比、载气气体流速以及反应室的温度和压力可以生成高质量的外延层，也利于提高掺杂效率。
其中，载流子浓度变化的最大值a和最小值b分别为2*1019和1*1018，对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d分别为0.35g/min和0.017g/min。最大值a和最小值b分别为2*1019和1*1018，该载流子浓度变化可以赋予器件材料较高的耐压值，并且提升电容对电压变化的敏感度。
其中，所述缓变层的厚度为1μm。该厚度的P型缓变层的缺陷较少，但P型单边缓变结的厚度不限于为1μm，还可以为0.3-2.0μm，具体可以为0.3、0.4、0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、2.0μm等数值。
其中，所述缓变层为N型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为硅烷或三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯或丙烷，所述掺杂源为氮气。
其中，所述生长气体的碳硅比为0.7-1.3:1，所述载气气体的流速为80-150L/min，反应室的温度为1550-1700℃，反应室压力为80-120mbar。硅比低于0.7或高于1.3均容易产生晶体缺陷，通过控制硅碳比、载气气体流速以及反应室的温度和压力可以生成高质量的外延层，也利于提高掺杂效率。
其中，载流子浓度变化的最大值a和最小值b分别为5*1018和1*1018，对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d分别为100sccm/min和20sccm/min。该载流子浓度变化可以赋予器件材料较高的耐压值，并且提升电容对电压变化的敏感度
其中，所述缓变层的厚度为2μm。该厚度的N型缓变层的缺陷较少，但P型单边缓变结的厚度不限于为2μm，还可以为1.0-3.0μm，具体可以为1.0、1.4、1.6、1.8、2.2、2.4、2.6、3.0μm等数值.
本发明的有益效果在于：本发明在高温低压情况下，通过调整掺杂源在生长过程中的掺杂量从而实现载流子浓度变化，与常规制造PN结的合金法、扩散法、离子注入法相比，通过外延法在外延层制备缓变结技术较为容易，制备的缓变结的载流子浓度随厚度变化的线性关系较好，形成的缓变结质量较为稳定，缓变结内晶体点缺陷少，缓变结质量稳定，厚度控制精度高，可以控制在±0.1μm以内。
附图说明
图1是实施例4的SIMS测试的掺杂效果图；
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图1对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种渐变式PN结材料的制备方法，包括如下步骤：
设定LPCVD化学气相沉积法的生长条件外延缓变层；
生长条件通过如下方法设置：
(1)根据所需器件材料的要求的设定生长气体的碳硅比、载气气体的流速以及反应室的温度和压力；
(2)根据所需器件材料的要求设定缓变层的载流子浓度变化的最大值a和最小值b，根据步骤(1)设定的生长条件测试计算最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d；
(3)根据步骤(1)设定的生长条件测试计算缓变层的生长速率，根据所需器件材料的要求设定缓变层的厚度，根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；
(4)在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的质量在生长时间e内逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的质量为最小流速d。
在本实施例中，选用了厚度为350μm、偏角4度、双面抛光的N型碳化硅衬底上外延缓变层。
其中，所述缓变层为P型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯，所述掺杂源为三甲基铝。
其中，所述生长气体的碳硅比为1.1:1，所述载气气体的流速为120L/min，反应室的温度为1650℃，反应室压力为100mbar。
其中，载流子浓度变化的最大值a和最小值b分别为2*1019和1*1018，对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d分别为0.35g和0.017g。
其中，所述缓变层的厚度为1μm，生长速率为0.15μm/min，生长时间e为6.6min。
实施例2
一种渐变式PN结材料的制备方法，包括如下步骤：
设定LPCVD化学气相沉积法的生长条件外延缓变层；
生长条件通过如下方法设置：
(1)根据所需器件材料的要求的设定生长气体的碳硅比、载气气体的流速以及反应室的温度和压力；
(2)根据所需器件材料的要求设定缓变层的载流子浓度变化的最大值a和最小值b，根据步骤(1)设定的生长条件测试计算最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d；
(3)根据步骤(1)设定的生长条件测试计算缓变层的生长速率，根据所需器件材料的要求设定缓变层的厚度，根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；
(4)在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的质量在生长时间e内逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的质量为最小流速d。
在本实施例中，选用了厚度为340μm、偏角8度、双面抛光的N型碳化硅衬底上外延缓变层。
其中，所述缓变层为P型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯，所述掺杂源为三甲基铝。
其中，所述生长气体的碳硅比为0.7:1，所述载气气体的流速为80L/min，反应室的温度为1550℃，反应室压力为120mbar。
其中，所述缓变层的厚度为0.5μm。
实施例3
一种渐变式PN结材料的制备方法，包括如下步骤：
设定LPCVD化学气相沉积法的生长条件外延缓变层；
生长条件通过如下方法设置：
(1)根据所需器件材料的要求的设定生长气体的碳硅比、载气气体的流速以及反应室的温度和压力；
(2)根据所需器件材料的要求设定缓变层的载流子浓度变化的最大值a和最小值b，根据步骤(1)设定的生长条件测试计算最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d；
(3)根据步骤(1)设定的生长条件测试计算缓变层的生长速率，根据所需器件材料的要求设定缓变层的厚度，根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；
(4)在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的质量在生长时间e内逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的质量为最小流速d。
在本实施例中，选用了厚度为360μm、偏角4度、双面抛光的N型碳化硅衬底上外延缓变层。
其中，所述缓变层为P型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯，所述掺杂源为三甲基铝。
其中，所述生长气体的碳硅比为1.3:1，所述载气气体的流速为150L/min，反应室的温度为1700℃，反应室压力为80mbar。
其中，所述缓变层的厚度为1μm。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上继续沉积N型缓变层。
N型缓变层的制备方法包括如下步骤：
生长条件通过如下方法设置：
(1)根据所需器件材料的要求的设定生长气体的碳硅比、载气气体的流速以及反应室的温度和压力；
(2)根据所需器件材料的要求设定缓变层的载流子浓度变化的最大值a和最小值b，根据步骤(1)设定的生长条件测试计算最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d；
(3)根据步骤(1)设定的生长条件测试计算缓变层的生长速率，根据所需器件材料的要求设定缓变层的厚度，根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；
(4)在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的质量在生长时间e内逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的质量为最小流速d。
所述生长气体的碳硅比为1.1:1，所述载气气体的流速为120L/min，反应室的温度为1650℃，反应室压力为100mbar。
载流子浓度变化的最大值a和最小值b分别为5*1018和1*1018，对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d分别为100sccm/min和20sccm/min。
所述缓变层的厚度为2μm，生长速率为0.15μm/min，生长时间e为13.4min。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种渐变式PN结材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
设定LPCVD化学气相沉积法的生长条件外延缓变层；
生长条件通过如下方法设置：
（1）根据所需器件材料的要求的设定生长气体的碳硅比、载气气体的流速以及反应室的温度和压力；
（2）根据所需器件材料的要求设定缓变层的载流子浓度变化的最大值a和最小值b，根据步骤（1）设定的生长条件测试计算最大值a和最小值b对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d，流速为质量流速或体积流速；
（3）根据步骤（1）设定的生长条件测试计算缓变层的生长速率，根据所需器件材料的要求设定缓变层的厚度，根据缓变层的厚度和生长速率计算得到生长时间e；
（4）在通入生长气体和载气气体后，通入最大流速c的掺杂源，然后控制掺杂源的通入质量在生长时间e内逐渐减少，在生长时间e结束时，控制掺杂源的通入质量为最小流速d；
当所述缓变层为P型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为硅烷或三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯或丙烷，所述掺杂源为三甲基铝；所述生长气体的碳硅比为0.7-1.3:1，所述载气气体的流速为80-150L/min，反应室的温度为1550-1700℃，反应室压力为80-120mbar；
当所述缓变层为N型缓变层，所述生长气体由硅生长源和碳生长源组成，所述硅生长源为硅烷或三氯氢硅，所述碳生长源为乙烯或丙烷，所述掺杂源为氮气；所述生长气体的碳硅比为0.7-1.3:1，所述载气气体的流速为80-150L/min，反应室的温度为1550-1700℃，反应室压力为80-120mbar。
2.根据权利要求1所述的一种渐变式PN结材料的制备方法，其特征在于：载流子浓度变化的最大值a和最小值b分别为2*1019和1*1018，对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d分别为0.35g/min和0.017g/min。
3.根据权利要求1所述的一种渐变式PN结材料的制备方法，其特征在于：所述缓变层的厚度为1μm。
4.根据权利要求1所述的一种渐变式PN结材料的制备方法，其特征在于：载流子浓度变化的最大值a和最小值b分别为5*1018和1*1018，对应需要掺杂源的最大流速c和最小流速d分别为100sccm/min和20sccm/min。
5.根据权利要求1所述的一种渐变式PN结材料的制备方法，其特征在于：所述缓变层的厚度为2μm。
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