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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410737773.8 (22)申请日 2014.12.05 H01L 29/06(2006.01) H01L 21/205(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网智能电网研究院 国网上海市电力公司 (72)发明人 钮应喜 杨霏 温家良 陈新 (74)专利代理机构 北京安博达知识产权代理有 限公司 11271 代理人 徐国文 (54) 发明名称 一种碳化硅外延材料及其制备方法 (57) 摘要 本发明提供了一种碳化硅外延材料。所述碳 化硅外延材料包括 ： N+ 。
2、碳化硅单晶衬底层， 位于 衬底下面的 P+ 支撑层和位于衬底表面的 N- 漂移 层， 其制备方法包括以下步骤 ： 1、 N+ 型衬底的准 备 ； 2、 对 N+ 型衬底的背面化学机械抛光 ； 3、 在背 面进行 P+ 支撑层的生长 ； 4、 N+ 型衬底正面的减 薄 ； 5、 正面化学机械抛光 ； 6、 在正面进行 N- 型漂 移层的生长。 相对于传统碳化硅外延材料而言， 采 用本发明提供的外延材料 P+ 支撑层电阻率低并 且均匀性高， 满足高压器件的需求。同时， 该外延 材料缺陷少， 制作方法简单， 工艺重复性好， 适合 工业化生产。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产。
3、权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104465721 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104465721 A 1/1 页 2 1.一种碳化硅外延材料， 其特征在于所述碳化硅外延材料包括由下到上排布的 P+ 支 撑层、 N+ 衬底层和 N- 漂移层。 2.如权利要求 1 所述的一种碳化硅外延材料， 其特征在于 ： 所述的 P+ 支撑层包括的掺 杂剂为三甲基铝。 3.如权利要求 2 所述的一种碳化硅外延材料， 其特征在于 ： 所述的 P+ 支撑层中掺杂剂 的掺杂浓度为 11018cm-3 810 19cm-3。 4.如权。
4、利要求 1 所述的一种碳化硅外延材料， 其特征在于 ： 所述的 P+ 支撑层的厚度为 50m 100m。 5.如权利要求 1 所述的一种碳化硅外延材料， 其特征在于 ： 所述 N+ 衬底的掺杂剂为氮 气， 所述氮气的掺杂浓度为 11017cm-3 910 18cm-3。 6.如权利要求 1 所述的一种碳化硅外延材料， 其特征在于 ： 所述 N+ 衬底的厚度为 0.5m 5m。 7.如权利要求 1 所述的一种碳化硅外延材料， 其特征在于 ： 所述的 N- 漂移层的厚度为 10m 300m， 掺杂剂为氮气， 氮气的掺杂浓度为 51013cm-3 910 15cm-3。 8.如权利要求 1 所述的一。
5、种碳化硅外延材料的制备方法， 其特征在于， 所述方法依次 包括以下步骤 ： a. 选取 N+ 型衬底 ； b. 用化学机械抛光、 机械研磨或化学腐蚀处理 N+ 型衬底背面 ； c. 在 N+ 衬底的背面用化学气相沉积法生长 P+ 支撑层 ； d. 减薄 N+ 型衬底层正面 ； e. 化学机械抛光处理 N+ 型衬底层正面 ； f. 采用化学气相沉积法生长 N- 型漂移层。 9.如权利要求 8 所述的碳化硅外延材料的制造方法， 其特征在于 ： 所述步骤 c 和 f 中 的化学气相沉积法的沉积温度为 1600 1750。 10.如权利要求 8 所述的一种碳化硅外延材料的制造方法， 其特征在于 ： 所。
6、述步骤 c 中， P+ 支撑层化学气相沉积速度为 50-90m/h ； 步骤 f 中， N- 漂移层的生长速率为 20-50m/h。 权 利 要 求 书 CN 104465721 A 2 1/4 页 3 一种碳化硅外延材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及一种半导体材料， 具体讲涉及一种碳化硅外延材料及其制备方法。 背景技术 0002 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。 碳化硅材料的禁带宽度是硅和砷化镓的23倍， 使得半 导体器件能在 500以上的温度下工作以及具有发射蓝光的能力 ； 碳化硅材料比硅和砷化。
7、 镓均要高一个数量级的高击穿电场， 决定了碳化硅半导体器件具有高压、 大功率的性能 ； 高 的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、 高速工作性能 ； 导热率是硅的 3.3 倍， 砷化镓的 10 倍， 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， 部分硅领域 渐渐被碳化硅所替代。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 和飘逸速率等特点， 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。 0003 穿通型绝缘栅双击型晶体管 (PT-IGBT。
8、) 一般是在均匀掺杂的厚度为数百微米的 P+ 衬底上外延生长 N+ 缓冲掺和 N- 基区， 然后再于 N- 层上制作所需的正面结构而形成。但 是， 传统升华法生长碳化硅晶体时， 由于在 B 掺杂或 Al 掺杂时， 4H-SiC 的活化能过大， 难以 实现电阻率低于 0.5cm 的水平， 高达 200cm 或更高， 不能用来制作 P+ 碳化硅衬底， 因而 也无法得到具有 N- 基区的外延材料， 所以基于 SiC 材料无法实现 PT-IGBT 器件是目前一技 术难点。 发明内容 0004 为克服现有技术上的不足， 本发明提供了一种碳化硅外延材料及其制备方法， 制 备出缺陷少， P+ 支撑层电阻率低。
9、并且均匀性高的外延材料， 制作方法简单， 工艺重复性好， 适合工业化生产。 0005 为实现上述发明目的， 本发明采用如下技术方案 ： 一种碳化硅外延材料， 所述碳化 硅外延材料包括由下到上排布的 P+ 支撑层、 N+ 衬底层和 N- 漂移层。 0006 优选的， 所述的 P+ 支撑层包括的的掺杂浓度为 11018cm-3 810 19cm-3。所述的 P+ 支撑层的掺杂剂为三甲基铝。所述的 P+ 支撑层的厚度为 50m 100m。 0007 另一优选的， 所述 N+ 衬底的掺杂浓度为 11017cm-3 910 18cm-3。掺杂剂为氮 气。所述 N+ 衬底的厚度为 0.5m 5m。 000。
10、8 再一优选的， 所述的N-漂移层的厚度为10m300m， 掺杂剂为氮气， 掺杂浓度 为 51013cm-3 910 15cm-3。 0009 为了实现以上技术方案， 本发明还提供了一种碳化硅外延材料的制造方法， 包括 以下步骤 ： 0010 a. 选取 N+ 型衬底 ； 说 明 书 CN 104465721 A 3 2/4 页 4 0011 b. 用化学机械抛光、 机械研磨或化学腐蚀来处理 N+ 型衬底背面 ； 0012 c. 在 N+ 衬底的背面用化学气相沉积法生长 P+ 支撑层 ； 0013 d. 减薄 N+ 型衬底层正面 ； 0014 e. 化学机械抛光处理 N+ 型衬底层正面 ； 0。
11、015 f. 在 N+ 型衬底层正面采用化学气相沉积法生长 N- 型漂移层。 0016 优选的， 所述步骤 c 和 f 中的化学气相沉积法的沉积温度为 1600 1750。 0017 另一优选的， 所述步骤 c 中， P+ 支撑层化学气相沉积速度为 50-90m/h ； 步骤 f 中， N- 漂移层的生长速率为 20-50m/h。 0018 再一优选的， 步骤b中对N+型衬底的背面进行化学机械抛光， 具体步骤包括 ： 采用 碳化硼研磨浆料， 将背面粗糙度减小到 0.1nm 之内， 优选碳化硼直径小于 0.5m， 碳化硼浆 料 pH 值为 8 10。 0019 再一优选的， 所述步骤 d 包括首。
12、先进行粗研磨， 采用 pH 值为 9 11 的碳化硼研磨 浆料， 将N+衬底厚度减小到小于10m， 更优选地选择碳化硼直径为5060m ； 然后进行 精细研磨， 采用pH值为911的碳化硼研磨浆料， 将N+衬底厚度减小到小于5m， 更优选 的选择碳化硼直径小于 2m。 0020 再一优选的， 所述步骤 e 包括采用 pH 值为 9 11 的碳化硼研磨浆料， 将背面粗糙 度减小到 0.1nm 之内， 更优选的碳化硼直径为小于 0.5m。 0021 本发明的有效效果 ： 与现有技术相比， 本发明克服了传统方法中 P+ 支撑层电阻率 高的问题， 实现了制造穿通型绝缘栅双击型晶体管需要的外延材料。本发。
13、明提供的外延材 料的 P+ 支撑层电阻率低， 并且分布均匀， 制作方法简单， 工艺重复性好， 适合工业化生产。 基于本发明提供的外延材料的漂移区缺陷少， 可以提高器件的性能及可靠性。 附图说明 0022 下面结合附图对本发明进一步说明。 0023 图 1 为 N+ 衬底示意图。 0024 图 2 为完成 P+ 支撑层生长后的结构示意图。 0025 图 3 为 N+ 衬底层减薄处理后的结构示意图。 0026 图 4 为形成 N- 漂移层的结构示意图。 0027 图 5 为实施例 1 的 P+ 层电阻率分布图。 0028 图 6 为实施例 1 的 N- 层缺陷分布密度图。 0029 图 7 为实施。
14、例 2 的 P+ 层电阻率分布图。 0030 图 8 为实施例 2 的 N- 层缺陷分布密度图。 具体实施方式 0031 下面结合实例对本发明进行详细的说明。 0032 实施例 1 0033 如图4所示， 本发明所述的一种碳化硅外延材料， 包括由下到上排布的P+支撑层、 N+ 衬底层和 N- 漂移层。 0034 上述碳化硅外延材料制造方法步骤如下 ： 说 明 书 CN 104465721 A 4 3/4 页 5 0035 a. 选择直径为 4 英寸， 厚度 350m， 掺杂剂为氮气， 掺杂浓度为 61017cm-3的 N+ 型衬底 ； 0036 b. 用 pH 值为 9， 直径小于 0.1m 。
15、的碳化硼研磨浆料， 采用化学机械抛光方法处理 所选衬底的背面， 将背面粗糙度减小到 0.1nm 之内 ； 0037 c.掺杂剂为三甲基铝， 掺杂浓度为41019cm-3， 在沉积温度为1650， 生长速率为 72m/h 的条件下， 在背面通过化学气相沉积来完成 P+ 支撑层的生长， P+ 支撑层的厚度为 100m ； 0038 d. 对正面 N+ 型衬底层研磨减薄， 首先进行粗研磨， 采用浆料 pH 值为 10， 碳化硼直 径为 53m 的研磨浆料， 将 N+ 衬底厚度减小到 8m ； 然后采用浆料 pH 值为 10， 碳化硼直径 为 1m 的研磨浆料精细研磨， 将 N+ 衬底厚度减小到小于 。
16、1m ； 0039 e. 减薄之后采用浆料 pH 值为 10， 碳化硼直径为 0.1m 的研磨浆料来化学机械抛 光， 完成表面处理 ； 0040 f. 在正面通过化学气相沉积进行同质碳化硅外延生长， 其中掺杂剂为氮气， 掺杂 浓度为 71014cm-3， 生长速率为 30m/h， 最终的 N- 层厚度为 100m。 0041 通过 P+ 支撑层的非接触电阻率测试， 衬底的平均电阻率为 0.138cm， 均匀性为 4.4， 分布如图 5 所示 ； 通过表面缺陷分析仪对 N 漂移层进行测试， 结果显示缺陷密度为 0.78cm-2， 如图 6 所示。 0042 实施例 2 0043 如图 4 所示，。
17、 本发明所述的碳化硅外延材料包括由下到上排布的 P+ 支撑层、 N+ 衬 底层和 N- 漂移层。 0044 如图 1-4 所示， 上述碳化硅外延材料制造方法步骤如下 ： 0045 a. 选择直径为 6 英寸， 厚度 350m， 掺杂剂为氮气， 掺杂浓度为 31017cm-3的 N+ 型衬底 ； 0046 b. 用 pH 值为 9， 直径小于 0.2m 的碳化硼研磨浆料， 采用化学机械抛光方法处理 所选衬底的背面， 将背面粗糙度减小到 0.1nm 之内 ； 0047 c.掺杂剂为三甲基铝， 掺杂浓度为61019cm-3， 在沉积温度为1650， 生长速率为 72m/h 的条件下， 在背面通过化学。
18、气相沉积进行同质碳化硅外延生长， 形成 P+ 支撑层的 厚度为 80m ； 0048 d. 对正面 N+ 型衬底层进行研磨， 首先进行粗研磨， 采用浆料 pH 值为 10， 碳化硼直 径为 55m 的研磨浆料， 将 N+ 衬底厚度减小到 6m ； 然后进行精细研磨， 采用浆料 pH 值为 10， 碳化硼直径为 2.5m 的研磨浆料， 将 N+ 衬底厚度减小到 0.5m ； 0049 e. 减薄之后采用浆料 pH 值为 10， 碳化硼直径为 0.1m 的研磨浆料来化学机械抛 光， 完成表面处理 ； 0050 f. 在正面通过化学气相沉积进行同质碳化硅外延生长， 其中掺杂剂为氮气， 掺杂 浓度为 。
19、51014cm-3， 生长速率为 37m/h， 最终的 N- 层厚度为 150m。 0051 通过 P+ 支撑层的非接触电阻率测试， 衬底的平均电阻率为 0.11cm， 均匀性为 11， 分布如图 7 所示 ； 通过表面缺陷分析仪对 N 漂移层进行测试， 结果显示缺陷密度为 0.65cm-2， 如图 8 所示。 0052 此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。 对本领域的技术人员来 说 明 书 CN 104465721 A 5 4/4 页 6 说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。 示例性的实施例仅仅 是例证性的， 而不是对本发明的范围的限制， 本发明的范围由所附的权利要求定义。 说 明 书 CN 104465721 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104465721 A 7 2/3 页 8 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104465721 A 8 3/3 页 9 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104465721 A 9 。