基于簡單的支架多片4H-SiC化學(xué)氣相沉積同質(zhì)外延生長

雖然在商用化學(xué)氣相沉積設(shè)備中可以在一次運行中實現(xiàn)多片4H－SiC襯底的同質(zhì)外延生長，但是必須將晶片裝載到可旋轉(zhuǎn)的大型基座上，這導(dǎo)致基座的直徑隨著數(shù)量或者外延晶片總面積的增加而增加。在這項工作中，我們展示了一種簡便的方法，通過自制的常規(guī)單晶片化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在沒有大型基座的情況下，在簡單的支架上放置多片4H－SiC襯底。

本文中通過光學(xué)顯微鏡，AFM，SEM和拉曼光譜研究了在每個晶片上獲得的4H－Si薄膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。結(jié)果表明，在每個晶片的內(nèi)部區(qū)域可以獲得高質(zhì)量的同質(zhì)外延生長4H－SiC薄膜；而在外部區(qū)域，由于受到簡單支架的機械部件影響，質(zhì)量下降。最后，我們利用晶片支架進一步減少了不利的外部區(qū)域，展示出整個晶圓的同質(zhì)外延生長，從而大大提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗。

圖1：（a）CVD室和（b）帶有晶片的特定支架，（c）生長過程的示意圖

我們在自制的低壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中進行了4H－SiC同質(zhì)外延生長。CVD反應(yīng)器具有垂直的熱壁室。 圖1（a）顯示了腔室的示意圖。圖1（b）顯示了裝有晶片的特定晶片夾持器。在圖1（b）中，我們固定了三片4H－SiC襯底。槽之間的距離（d），典型值為1 cm，可根據(jù)實際情況定制。生長過程如圖1（c）所示。在生長之前，將晶片在20kPa和1400℃下進行H2蝕刻處理30分鐘，以消除污染和襯底表面損傷。外延生長在10kPa和1600℃下進行60分鐘。SiH4和C2H4的流速分別為20sccm和12sccm。生長后，通過光學(xué)顯微鏡，AFM，SEM和拉曼光譜表征樣品。

圖2：（a）在20kPa和1400℃下蝕刻30分鐘的襯底表面的光學(xué)圖像，（b） － （d）分別在10kPa， 1600℃ 下生長60分鐘外延晶片1，2和3的表面的光學(xué)圖像。

4H－SiC薄膜內(nèi)部區(qū)域的典型形態(tài)如圖2所示。圖2（a）顯示了在外延之前用于比較的H2蝕刻的襯底的圖像。圖2（b） － （d）表明外延晶片1，2和3的表面都顯示出明顯的臺階。據(jù)報道，外延生長期間鄰近的4H－SiC表面上的臺階形成是由表面動力學(xué)和能量學(xué)之間的相互作用引起的。我們可以看到圖2（b）和（c）中的臺階寬度小于圖2（d）中的臺階寬度。

圖3：（a）晶片1，（b）晶片2和（c）晶片3的外延表面的AFM圖像，（d）晶片3的表面臺階輪廓圖，（e）表面臺階階距示意圖

外延層的表面形態(tài)也通過AFM進行了測量（圖3）。 AFM圖像進一步證實了圖2中觀察到的明顯臺階。在4H－SiC薄膜中的存在兩種調(diào)節(jié)。一種臺階小且均勻，密集地填充在外延晶片1和晶片2的表面上（圖3（a）和（b））。 這是同質(zhì)外延4H－SiC薄膜的典型形態(tài)。 另一種臺階是復(fù)合的，由所謂的雙山谷結(jié)構(gòu)組成（圖3（c）和（d））。 該結(jié)構(gòu)包括高巨臺階1和低巨臺階2（圖3（e））。盡管AFM形態(tài)各不相同，但宏觀臺階結(jié)構(gòu)都是由于臺階階距造成的。

圖4：外延晶片上的生長速率分布。 左側(cè)插圖：晶片3的橫截面SEM圖，右側(cè)插圖：厚度測量的所選位置的示意圖。

圖4顯示了外延晶片上的生長速率及其分布。選擇每個晶片上的九個位置進行厚度測量。結(jié)果表明外延晶片1和2的生長速率與晶片3的生長速率很不相同。晶片1和晶片2的生長速率非常相似，約為14μm／ h，僅是晶片3的40％。圖4左圖顯示了晶片3的橫截面SEM圖像。測量的厚度為約37μm。這主要是因為這兩個晶片被限制在其頂部晶片而使晶片1和晶片2受到較少的氣流。相比之下，裝載在晶片夾持器頂部的晶片3受到充分氣流的作用而沒有任何限制。由此，晶片1和晶片2的中心區(qū)域的生長速率最慢，因為氣流最不可能到達。

圖5：在晶片3上生長的外延層的拉曼光譜

我們對晶片3上生長的外延層進行了拉曼光譜測試（圖5）。圖中顯示的所有拉曼峰均為是4H－SiC的峰，這意味著在我們的外延生長中具有優(yōu)異的4H單型體穩(wěn)定性。此外，在低波數(shù)（＜700 cm－1）的峰也有出現(xiàn)（圖5插圖），這進一步表明4H－SiC外延層是高質(zhì)量結(jié)晶的。