基于簡(jiǎn)單的支架多片4H-SiC化學(xué)氣相沉積同質(zhì)外延生長(zhǎng)

雖然在商用化學(xué)氣相沉積設(shè)備中可以在一次運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)多片4H－SiC襯底的同質(zhì)外延生長(zhǎng)，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(xiàng)工作中，我們展示了一種簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)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(gè)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(zhǎng)4H－SiC薄膜；而在外部區(qū)域，由于受到簡(jiǎn)單支架的機(jī)械部件影響，質(zhì)量下降。最后，我們利用晶片支架進(jìn)一步減少了不利的外部區(qū)域，展示出整個(gè)晶圓的同質(zhì)外延生長(zhǎng)，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(zhǎng)過程的示意圖

我們?cè)谧灾频牡蛪夯瘜W(xué)氣相沉積反應(yīng)器中進(jìn)行了4H－SiC同質(zhì)外延生長(zhǎng)。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(shí)際情況定制。生長(zhǎng)過程如圖1（c）所示。在生長(zhǎng)之前，將晶片在20kPa和1400℃下進(jìn)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(zhǎng)在10kPa和1600℃下進(jìn)行60分鐘。SiH4和C2H4的流速分別為20sccm和12sccm。生長(zhǎng)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(zhǎng)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(tái)階。據(jù)報(bào)道，外延生長(zhǎng)期間鄰近的4H－SiC表面上的臺(tái)階形成是由表面動(dòng)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(tái)階寬度小于圖2（d）中的臺(tái)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(tái)階輪廓圖，（e）表面臺(tái)階階距示意圖

外延層的表面形態(tài)也通過AFM進(jìn)行了測(cè)量（圖3）。 AFM圖像進(jìn)一步證實(shí)了圖2中觀察到的明顯臺(tái)階。在4H－SiC薄膜中的存在兩種調(diào)節(jié)。一種臺(tái)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(tái)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(tái)階1和低巨臺(tái)階2（圖3（e））。盡管AFM形態(tài)各不相同，但宏觀臺(tái)階結(jié)構(gòu)都是由于臺(tái)階階距造成的。

圖4：外延晶片上的生長(zhǎng)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(cè)量的所選位置的示意圖。

圖4顯示了外延晶片上的生長(zhǎng)速率及其分布。選擇每個(gè)晶片上的九個(gè)位置進(jìn)行厚度測(cè)量。結(jié)果表明外延晶片1和2的生長(zhǎng)速率與晶片3的生長(zhǎng)速率很不相同。晶片1和晶片2的生長(zhǎng)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(cè)量的厚度為約37μm。這主要是因?yàn)檫@兩個(gè)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(zhǎng)速率最慢，因?yàn)闅饬髯畈豢赡艿竭_(dá)。

圖5：在晶片3上生長(zhǎng)的外延層的拉曼光譜

我們對(duì)晶片3上生長(zhǎng)的外延層進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)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(zhǎng)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(jìn)一步表明4H－SiC外延層是高質(zhì)量結(jié)晶的。