SiC外延層的缺陷控制研究

文章來源：寬禁帶半導體技術(shù)聯(lián)盟 原文作者：IAWBS

探索SiC外延層的摻雜濃度控制與缺陷控制，揭示其在高性能半導體器件中的關(guān)鍵作用。

目前常見的SiC外延技術(shù)有化學氣相沉積(CVD)、液相外延生長(LPE)、分子束外延生長(MBE)等，當前，CVD是主流技術(shù)，具備較高生長速率、能夠?qū)崿F(xiàn)可控摻雜調(diào)控等優(yōu)點。CVD外延生長通常使用硅烷和碳氫化合物作為反應(yīng)氣體，氫氣作為載氣，氯化氫作為輔助氣體，或使用三氯氫硅(TCS)作為硅源代替硅烷和氯化氫，在約1600℃的溫度條件下，反應(yīng)氣體分解并在SiC襯底表面外延生長SiC薄膜。

1.SiC外延層的摻雜濃度控制

本團隊采用水平式外延生長方法，三氯氫硅和乙烯作為反應(yīng)氣源，氮氣作為摻雜氣體，氫氣作為載氣，氫氣和氣作為驅(qū)動托盤旋轉(zhuǎn)的氣源，生長厚度適用于1200V的SiC基MOSFET用SiC外延層。通過調(diào)整摻雜氮氣在中心和邊緣分布比例、托盤旋轉(zhuǎn)的速度以及旋轉(zhuǎn)氣體中氯氣與氫氣的比例，優(yōu)化外延工藝的C/Si比等生長參數(shù)，實現(xiàn)SiC外延層摻雜濃度以及均勻性的有效控制，圖1是量產(chǎn)1000片的厚度和濃度均勻性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，C/Si比在1.0~1.2、溫度在1600~1650C和壓力在100mbar的工藝條件下，統(tǒng)計的外延產(chǎn)品100%達到厚度均勻性小于3%、濃度均勻性小于6%。

2.SiC 外延層的缺陷控制研究

根據(jù)晶體缺陷理論，SiC外延材料的主要缺陷可歸納為4大類：點缺陷、位錯（屬于線缺陷）、層錯（屬于面缺陷）和表面缺陷（屬于體缺陷）。

2.1 點缺陷

SiC外延材料的點缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳雙空位等缺陷，它們在禁帶中產(chǎn)生深能級中心，影響材料的載流子壽命。在輕摻雜的SiC 外延層中，點缺陷產(chǎn)生的深能級中心濃度通常在5E12~2E13 cm-3，與外延生長條件特別是C/Si 比和生長溫度相關(guān)。

2.2 位錯缺陷

SiC 材料的位錯包括螺位錯(TSD)、刃位錯(TED)和基平面位錯(BPD)。微管是伯氏矢量較大的螺位錯形成的中空管道，可認為是一種超螺位錯。SiC 外延層的位錯缺陷基本都和襯底相關(guān)，大部分微管和螺位錯會復制到外延層中，在合適的工藝條件下，部分微管分解為單獨的螺位錯，形成微管閉合，只有一小部分TSD（通常<2%）轉(zhuǎn)為Frank 型層錯；襯底TED基本都會復制到外延層中。

BPD位錯主要源于襯底中BPD向外延層的貫穿，通常偏4o 4H-SiC襯底中大部分BPD位錯（＞99%）在外延過程中會轉(zhuǎn)化為TED位錯，只有少于1%左右的BPD會貫穿到外延層中并達到外延層表面。在后續(xù)器件制造中，BPD主要影響雙極型器件的穩(wěn)定性，如出現(xiàn)雙極型退化現(xiàn)象。在正向?qū)娏鞯淖饔孟?，BPD可能會延伸至外延層演變成堆壘層錯(SF)，造成器件正向?qū)妷浩?。由于刃位錯對器件性能的影響要小得多，所以提高SiC外延生長過程中BPD轉(zhuǎn)化為TED的比例，阻止襯底中的BPD向外延層中延伸對提高器件的性能十分重要。

在生長過程中，在應(yīng)力等條件作用下，BPD很容易在襯底和外延層界面上沿著臺階流法線方向發(fā)生滑移，形成界面位錯（interfacial dislocations，滑移方向取決于BPD的伯氏矢量及應(yīng)力方向。特定條件下，成對BPD同時發(fā)生滑移，會形成Σ-BPD。在研發(fā)過程中也觀察到過該缺陷，其典型形貌如圖2所示，Photoluminescence 檢測BPD形貌如圖3(a)，對外延片進行KOH腐蝕后形貌如圖3(b)所示，可以看到一個Σ-BPD包含兩條界面位錯，其長度可以達到毫米級，在其尾部存在兩個BPD。Σ-BPD形成機理示意圖如圖3(c)所示，其起源于襯底的BPD對，其伯氏矢量方向剛好相反，滑移過程中形成兩條界面位錯和2個半環(huán)位錯（half-loop arrays，HLAs）。半環(huán)位錯的長度不一，決定于其驅(qū)動力大小，影響滑移的驅(qū)動力主要是溫場的不均勻性。

圖2Σ-BPD 形貌圖(a)、氫氧化鉀腐蝕坑圖(b)和形成機理示意圖(c)

針對外延BPD，研究團隊在快速外延生長的基礎(chǔ)上優(yōu)化外延層緩沖層工藝窗口，目前可以實現(xiàn)BPD 密度小于0.1 cm-3 的外延層批量制備，如圖3所示。

圖3外延片的BPD分布及其控制

2.3 層錯缺陷

SiC外延層中的層錯包括兩大類，一類來源于襯底的層錯和位錯缺陷，襯底的層錯會導致外延層形成Bar-shaped SFs，襯底的部分TSD會形成Frank SFs；另一類層錯為生長層錯（in-grown SFs），是外延生長過程中產(chǎn)生的，與襯底質(zhì)量沒有關(guān)系。目前，大多數(shù)外延層錯屬于第二類，這些層錯中絕大部分為Shockley SFs，是通過在基平面中的滑移產(chǎn)生的。

降低外延生長速率、原位氫氣刻蝕優(yōu)化、增加生長溫度、改善襯底質(zhì)量都可以有效降低層錯數(shù)量，天科合達已經(jīng)可以提供Shockley SFs 密度小于0.15 cm-2的6英寸SiC襯底。

2.4 表面缺陷

SiC外延層表面缺陷尺度比較大，一般通過光學顯微鏡可以直接觀察到，包括掉落物、三角形缺陷、“胡蘿卜”缺陷、彗星缺陷、硅滴和淺坑。

表面缺陷與器件性能的影響目前也已經(jīng)有了較多的研究報道，除淺坑缺陷外，其他表面缺陷基本都會對器件的性能產(chǎn)生一定的不利影響，導致器件擊穿電壓降低或者反向漏流增加。淺坑（Pits）是4H-SiC外延層表面出現(xiàn)在TSD位錯頂端的小凹陷或小坑狀的形貌缺陷，其寬度尺度小于10 μm。TED在外延層表面引起的小坑尺寸遠小于TSD誘發(fā)的小坑尺寸，很難被觀察到。圖4是典型的淺坑AFM 形貌。

圖4外延表面寬度和深度分別為2和4 nm的淺坑的AFM形貌

Ohtani、Noboru等則利用TUNA技術(shù)研究了Pits和Large Pits的產(chǎn)生機理，認為寬度在幾微米、深度在14 nm左右的Large pits是由TSD產(chǎn)生，而寬度在1 μm、深度在3-4 nm的Pits由TED產(chǎn)生。

降低Pits的主要途徑包括：優(yōu)選TSD數(shù)量較少的優(yōu)質(zhì)襯底、降低碳硅比和降低外延生長速率。目前市場上主要的商業(yè)化襯底中TSD的密度為小于1000/cm-3。本研究團隊已經(jīng)可以提供TSD密度小于300/cm-3的6英寸SiC襯底。通過采用優(yōu)質(zhì)襯底，調(diào)整外延工藝，可以將Pits數(shù)量從103降低到50以內(nèi)。

綜合來看，SiC外延層缺陷一方面取決于襯底結(jié)晶質(zhì)量以及表面加工質(zhì)量，另一方面受制于外延生長工藝窗口的優(yōu)化，需要綜合考慮各種缺陷的調(diào)整方案?；谘芯繄F隊量產(chǎn)的高質(zhì)量6英寸SiC襯底，通過大量的實驗研究，可以有效控制住SiC外延的各種缺陷，完成650V和1200V外延片產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。圖5是典型的650V和1200V外延片產(chǎn)品缺陷mapping圖，3mm×3mm良品率分別為98.9%和97.3%。

圖5 650V和1200V外延片，3 mm×3 mm良品率分別為98.9%和97.3%

展 望

SiC外延在產(chǎn)業(yè)鏈中起著承上啟下的重要作用，一方面通過不斷積累對SiC材料的性能認知和改良，一方面通過器件的不斷迭代驗證，最終提升外延品質(zhì)，推動SiC器件的應(yīng)用。本文采用天科合達自有的商業(yè)化6英寸襯底，在4H SiC同質(zhì)外延過程中，研究了外延層中BPD、層錯、硅滴和Pits缺陷的控制，并對Σ-BPD的產(chǎn)生機理和消除進行研究，最終獲得厚度均勻性小于3%、濃度均勻性小于6%、表面粗糙度小于0.2m、良品率大于96%、BPD密度小于0.1cm的外延產(chǎn)品。目前從本團隊的研發(fā)進度來看，通過對工藝溫度、C/Si比和長速等參數(shù)優(yōu)化使得濃厚度分別控制在3%和2%以內(nèi)，BPD的密度可以控制在0.075cm以內(nèi)，但仍需要大量的外延數(shù)據(jù)進行工藝穩(wěn)定性驗證。