碳化硅外延结构及其制造方法与流程

1.本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种碳化硅外延结构及其制造方法。


背景技术：

2.碳化硅(sic)由于具有高热导率，高击穿电压，高饱和载流子浓度，而受到越来越多的关注，被广泛用于各种功率转换器件中。
3.相关技术中，通常是采用硅片作为基底，在硅片上外延生长sic层。但是，硅片和sic材料的晶格常数及热膨胀系数存在差异，易使得sic膜内出现拉应力，衬底出现压应力。随着膜厚增加应力积聚也会快速增加，而由于sic外延生长时的生长温度较高，高温生长会进一步加剧应力积聚，严重时还会出现裂片等问题。因此，在硅片上很难生长几十甚至上百微米的较厚的sic。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种碳化硅外延结构及其制造方法，可以生长较厚的sic层，并保证生长出的sic外延结构的质量。所述技术方案如下：
5.一方面，提供了一种碳化硅外延结构，所述碳化硅外延结构包括基底以及依次层叠在所述基底上的界面处理层、成核层和sic厚层，所述基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层，所述界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，所述第一子层为未掺杂的sic层，所述第二子层为掺si的sic层，所述成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，所述sic厚层的厚度为80-100um。
6.可选地，所述界面处理层的厚度为20～50nm。
7.可选地，所述界面处理层中第一子层和第二子层的厚度比为1：1～1：5。
8.可选地，所述界面处理层中第二子层中si的掺杂浓度为10
17
～10
18
cm-3
。
9.可选地，所述成核层表面的所述多个三角锥状凸起之间的间距为2～50um。
10.可选地，所述基底包括依次交替生长的n 1个gan层和n个aln层，20≤n≤50。
11.可选地，所述基底中gan层和aln层的厚度比为1：1～1：5。
12.可选地，所述碳化硅外延片还包括位于所述成核层和sic厚层之间的过渡层，所述过渡层为经过高温处理的sic层，所述过渡层的厚度为20～80um。
13.另一方面，提供了一种碳化硅外延结构的制造方法，所述制造方法包括：
14.提供一基底，所述基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层；
15.在所述基底上生长界面处理层，所述界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，所述第一子层为未掺杂的sic层，所述第二子层为掺si的sic层；
16.在所述界面处理层上依次生长成核层和sic厚层，所述成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，所述sic厚层的厚度为80～100um。
17.可选地，所述提供一基底，包括：
18.在硅片上依次生长缓冲层、n型氮化镓层和超晶格层，所述超晶格层包括多个周期
交替生长的gan层和aln层；
19.采用电化学方法腐蚀掉n型氮化镓层，去除生长有所述缓冲层的所述硅片，得到所述超晶格层；
20.将所述超晶格层作为所述基底。
21.可选地，所述在所述基底上生长界面处理层，包括：
22.控制反应室温度为800～1000℃，在氢气气氛下生长所述第一子层；
23.向反应室内停止通入氢气，并通入sihcl3或sih4，控制反应室温度升高至1000～1500℃，通入时间为50～200s，在所述第一子层上生长所述第二子层。
24.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
25.通过提供一种碳化硅外延结构，该碳化硅外延结构的基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层，gan与sic晶格常数接近，可以保证在其上生长的sic外延层的晶体质量。而aln的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调gan与sic之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的gan层和aln层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为后续sic外延层生长提供了一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时还可以保证在后续高温生长sic外延层时，基底不会产生裂片等缺陷。在生长sic厚层前还分别生长有界面处理层和成核层。其中，界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层为未掺杂的sic层，可以起到晶格过渡的作用。第二子层为掺si的sic层，掺si可以进一步提高sic的晶体质量。而成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，多个三角锥状凸起将sic厚层的生长分成多个小区域，凸起间填平后再横向生长，有利于湮灭位错，减少应力。因此，在上述各层的基础上，最终可以生长出厚度为80～100um的较厚的sic厚层，且不会出现裂片等问题，保证了生长出的sic外延结构的质量。
附图说明
26.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本公开实施例提供的一种碳化硅外延结构的结构示意图；
28.图2是本公开实施例提供的一种碳化硅外延结构的制造方法流程图；
29.图3是本公开实施例提供的另一种碳化硅外延结构的制造方法流程图。
具体实施方式
30.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
31.图1是本公开实施例提供的一种碳化硅外延结构的结构示意图，如图1所示，该碳化硅外延结构包括基底10以及依次层叠在基底10上的界面处理层20、成核层30和sic厚层50。
32.基底10包括多个周期交替生长的gan层11和aln层12。界面处理层20包括依次层叠的第一子层21和第二子层22，第一子层21为未掺杂的sic层，第二子层22为掺si的sic层。成
核层30为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，sic厚层40的厚度为80-100um。
33.本公开实施例提供的碳化硅外延结构，其基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层，gan与sic晶格常数接近，可以保证在其上生长的sic外延层的晶体质量。而aln的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调gan与sic之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的gan层和aln层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为后续sic外延层生长提供了一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时还可以保证在后续高温生长sic外延层时，基底不会产生裂片等缺陷。在生长sic厚层前还分别生长有界面处理层和成核层。其中，界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层为未掺杂的sic层，可以起到晶格过渡的作用。第二子层为掺si的sic层，掺si可以进一步提高sic的晶体质量。而成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，多个三角锥状凸起将sic厚层的生长分成多个小区域，凸起间填平后再横向生长，有利于湮灭位错，减少应力。因此，在上述各层的基础上，最终可以生长出厚度为80-100um的较厚的sic厚层，且不会出现裂片等问题，保证了生长出的sic外延结构的质量。
34.且对于10kv高压以上的sic器件需要厚度为60um以上的sic厚层，而本公开实施例提供的外延结构，可以用于生长厚度为80-100um的sic厚层，从而可以满足10kv高压以上的sic器件需求，为低成本大规模制备sic高压器件提供晶圆。
35.可选地，基底10包括依次交替生长的n 1个gan层11和n个aln层12，20≤n≤50。
36.也就是说，基底10中与界面处理层20接触的层为gan层11，可以防止其与sic外延结构之间因为晶格常数及热膨胀系数差异过大而产生异常，从而可以保证在其上外延生长的sic外延结构的生长质量。
37.若基底10中的周期数目过多，会导致基底10的厚度较厚，aln和gan的晶格与热膨胀差异会不断累积，导致缺陷和应力增加；若基底10中的周期数目过少，一方面在高温时容易断裂，另一方面基底晶体质量差，也难以继续生长高质量厚层sic。
38.可选地，基底10中gan层11和aln层12的厚度比为1：1～1：5。
39.由于热膨胀系数的差异会导致sic外延层在生长时出现凸和凹的变化，而gan与aln热膨胀系数不同，将各层厚度设置在上述范围内可以中和热膨胀差异导致的翘曲变化，有利于实现较好的平面生长。
40.其中，aln层12的厚度大于gan层11的厚度，若aln层12的厚度较薄，则难以有效平衡温差导致的翘曲变化，生长过程中膜内容易积累应力，因此，将aln层12的厚度设置的较厚。
41.可选地，基底10的厚度为50～500nm。
42.若基底10的厚度过薄，高温生长时容易断裂；若基底10的厚度过厚，aln和gan晶格及应力的差异会不断累积，影响到后续sic外延层的生长质量。
43.可选地，基底10还包括位于最后一层gan层11表面的保护层13，保护层13为掺si的gan层。
44.由于保护层13中掺有si，可以在最后一层gan层11的表面形成si悬挂键，有利于后续与sic外延结构进行键合。同时，保护层13中掺有si，还可以起到防氧化的作用，防止gan层110表面被氧化，最终影响在其上生长的sic外延结构的晶体质量。
45.可选地，保护层13的厚度为5～10nm。
46.若保护层30的厚度过薄，容易被吸附的c/h/o/si等杂质元素影响，在高温外延时，热分解也易伤到保护层；若保护层30的厚度过厚，由于热膨胀系数的差异，在后续高温外延sic时，易引入膜内应力，导致sic厚膜异常。
47.可选地，界面处理层20的厚度为20～50nm。
48.若界面处理层20的厚度过厚，会导致底层晶体质量偏差，后续外延晶体质量难以提升；若界面处理层20的厚度过薄，则无法有效完成晶格过渡，后续外延生长sic厚层时，晶体质量也难以提升。
49.可选地，界面处理层20中第一子层21和第二子层22的厚度比为1：1～1：5。
50.可选地，界面处理层20中第二子层22中si的掺杂浓度为10
17
～10
18
cm-3
。
51.若第二子层22中si的掺杂浓度过大，则si会作为杂质存在，影响晶体质量；若第二子层22中si的掺杂浓度过小，则难以起到改善点缺陷，提高晶体质量的作用。
52.可选地，成核层30表面的多个三角锥状凸起之间的间距为2～50um。
53.若多个三角锥状凸起之间的间距过小，则后续容易快速填平，难以达到降低位错和应力的目的；若多个三角锥状凸起之间的间距过大，微区域间的差异会变得明显，影响片内的一致性和均匀性。
54.示例性地，每个三角锥状凸起的底部的直径为2～10um。
55.可选地，碳化硅外延结构还包括位于成核层30和sic厚层50之间的过渡层40，过渡层40为经过高温处理的sic层，过渡层40的厚度为20～80um。
56.高温处理可以使si和c在热动能帮助下进行原子重排，获得高质量的sic层，从而可以起到较好的过渡效果，为后续sic厚层生长提供一个良好的生长基础。
57.本公开实施例还提供了一种碳化硅外延结构的制造方法，用于制造如图1所述的碳化硅外延结构。
58.图2是本公开实施例提供的一种碳化硅外延结构的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
59.步骤201、提供一基底。
60.其中，基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层。
61.步骤202、在基底上生长界面处理层。
62.其中，界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层为未掺杂的sic层，第二子层为掺si的sic层。
63.步骤203、在界面处理层上依次生长成核层和sic厚层。
64.其中，成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，sic厚层的厚度为80-100um。
65.本公开实施例生长的碳化硅外延结构，其基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层，gan与sic晶格常数接近，可以保证在其上生长的sic外延层的晶体质量。而aln的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调gan与sic之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的gan层和aln层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为后续sic外延层生长提供了一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时还可以保证在后续高温生长sic外延层时，基底不会产生裂片等缺陷。在生长sic厚层前还分别生长有界面处理层和成核层。其中，界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层为未掺杂的sic层，可以起到晶格过渡的作用。第二子层为掺si的sic层，掺si可以进一步提高sic的晶
体质量。而成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，多个三角锥状凸起将sic厚层的生长分成多个小区域，凸起间填平后再横向生长，有利于湮灭位错，减少应力。因此，在上述各层的基础上，最终可以生长出厚度为80-100um的较厚的sic厚层，且不会出现裂片等问题，保证了生长出的sic外延结构的质量。
66.本公开实施例还提供了另一种碳化硅外延结构的制造方法，用于制造如图1所述的碳化硅外延结构。
67.图3是本公开实施例提供的一种碳化硅外延结构的制造方法流程图，如图3所示，该制造方法包括：
68.步骤301、提供一基底。
69.其中，基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层。
70.可选地，基底包括依次交替生长的n 1个gan层和n个aln层，20≤n≤50。
71.也就是说，基底中与界面处理层接触的层为gan层，可以防止其与sic外延结构之间因为晶格常数及热膨胀系数差异过大而产生异常，从而可以保证在其上外延生长的sic外延结构的生长质量。
72.若基底中的周期数目过多，会导致基底的厚度较厚，aln和gan的晶格与热膨胀差异会不断累积，导致缺陷和应力增加；若基底中的周期数目过少，一方面在高温时容易断裂，另一方面基底晶体质量差，也难以继续生长高质量厚层sic。
73.可选地，基底中gan层和aln层的厚度比为1：1～1：5。
74.由于热膨胀系数的差异会导致sic外延层在生长时出现凸和凹的变化，而gan与aln热膨胀系数不同，将各层厚度设置在上述范围内可以中和热膨胀差异导致的翘曲变化，有利于实现较好的平面生长。
75.其中，aln层的厚度大于gan层的厚度，若aln层的厚度较薄，则难以有效平衡温差导致的翘曲变化，生长过程中膜内容易积累应力，因此，将aln层12的厚度设置的较厚。
76.可选地，基底的厚度为50～500nm。
77.若基底的厚度过薄，高温生长时容易断裂；若基底的厚度过厚，aln和gan晶格及应力的差异会不断累积，影响到后续sic外延层的生长质量。
78.可选地，基底还包括位于最后一层gan层表面的保护层，保护层为掺si的gan层。
79.由于保护层中掺有si，可以在最后一层gan层的表面形成si悬挂键，有利于后续与sic外延结构进行键合。同时，保护层中掺有si，还可以起到防氧化的作用，防止gan层1表面被氧化，最终影响在其上生长的sic外延结构的晶体质量。
80.可选地，保护层13的厚度为5～10nm。
81.若保护层30的厚度过薄，容易被吸附的c/h/o/si等杂质元素影响，在高温外延时，热分解也易伤到保护层；若保护层30的厚度过厚，由于热膨胀系数的差异，在后续高温外延sic时，易引入膜内应力，导致sic厚膜异常。
82.示例性地，步骤301可以包括：
83.第一步、在硅片上依次生长缓冲层、n型氮化镓层和超晶格层，超晶格层包括多个周期交替生长的gan层和aln层。
84.其中，缓冲层为未掺杂的gan层或者algan层，厚度为15～30nm。n型氮化镓层为掺si的gan层，n型氮化镓层的厚度为200～500nm。
85.可选地，缓冲层为未掺杂的gan层或者algan层，厚度为15～30nm。成核层可以作为后续外延生长的晶核。
86.在本公开实施例中，n型氮化镓层中si的掺杂浓度为5e18-5e19cm-3
。
87.控制反应室温度为600～900℃，压力为100～500torr，在硅片上生长成核层；
88.控制反应室温度为950～1150℃，压力为100～500torr。在氮气氛围下，向反应室内通入ga源、nh3和sih4，生长厚度为200-500nm，si的掺杂浓度为5e18-5e19cm-3
的n型氮化镓层；
89.控制反应室温度为1150～1350℃，压力为100～300torr，在n型氮化镓层上生长超晶格层。
90.第二步、采用电化学方法腐蚀掉n型氮化镓层，去除生长有缓冲层的硅片，得到超晶格层；
91.第三步、将超晶格层作为基底。
92.示例性地，步骤301还可以包括：
93.在超晶格层上生长保护层，保护层为掺si的gan层，保护层的厚度为5～10nm。
94.示例性地，控制反应室内的温度和压力保持不变，关闭ga源及nh3，通入sih4，在第二子层的表面形成保护层。
95.步骤302、在基底上生长界面处理层。
96.其中，界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层为未掺杂的sic层，第二子层为掺si的sic层。
97.可选地，界面处理层的厚度为20～50nm。
98.可选地，界面处理层中第一子层和第二子层22的厚度比为1：1～1：5。
99.可选地，界面处理层中第二子层中si的掺杂浓度为10
17
～10
18
cm-3
。
100.示例性地，步骤302可以包括：
101.控制反应室温度为1200～1400℃，压力为1～10torr，在基底上生长界面处理层。
102.步骤303、在界面处理层上生长成核层。
103.其中，成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层。
104.可选地，成核层30表面的多个三角锥状凸起之间的间距为2～50um。
105.示例性地，每个三角锥状凸起的底部的直径为2～10nm。
106.示例性地，步骤303可以包括：
107.控制反应室温度为1100～1300℃，压力为1～10torr，在界面处理层上生长成核层。
108.步骤304、在成核层上生长过渡层。
109.其中，过渡层为经过高温处理的sic层，过渡层的厚度为20～80um。
110.高温处理可以使si和c在热动能帮助下进行原子重排，获得高质量的sic层，从而可以起到较好的过渡效果，为后续sic厚层生长提供一个良好的生长基础。
111.示例性地，步骤304可以包括：
112.控制反应室温度为1500～1750℃，压力为1～10torr，在成核层上生过渡层。
113.步骤305、在过渡层上生长sic厚层。
114.其中，sic厚层的厚度为80～100um。
115.示例性地，控制反应室温度为1400～1750℃，压力为1～10torr，在过渡层上生长sic厚层。
116.需要说明的是，在本公开实施例中，控制温度、压力均是指控制生长外延结构的反应室中的温度、压力，具体为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：metal-organic chemical vapor deposition，简称：mocvd)设备的反应室。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为氮源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，即si源，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂，即mg源。
117.本公开实施例生长的碳化硅外延结构，其基底包括多个周期交替生长的gan层和aln层，gan与sic晶格常数接近，可以保证在其上生长的sic外延层的晶体质量。而aln的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调gan与sic之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的gan层和aln层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为后续sic外延层生长提供了一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时还可以保证在后续高温生长sic外延层时，基底不会产生裂片等缺陷。在生长sic厚层前还分别生长有界面处理层和成核层。其中，界面处理层包括依次层叠的第一子层和第二子层，第一子层为未掺杂的sic层，可以起到晶格过渡的作用。第二子层为掺si的sic层，掺si可以进一步提高sic的晶体质量。而成核层为表面具有多个三角锥状凸起的sic层，多个三角锥状凸起将sic厚层的生长分成多个小区域，凸起间填平后再横向生长，有利于湮灭位错，减少应力。因此，在上述各层的基础上，最终可以生长出厚度为80-100um的较厚的sic厚层，且不会出现裂片等问题，保证了生长出的sic外延结构的质量。
118.以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。