SiC外延層的缺陷控制研究

文章來(lái)源：寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體器件中的關(guān)鍵作用。

目前常見(jiàn)的SiC外延技術(shù)有化學(xué)氣相沉積(CVD)、液相外延生長(zhǎng)(LPE)、分子束外延生長(zhǎng)(MBE)等，當(dāng)前，CVD是主流技術(shù)，具備較高生長(zhǎng)速率、能夠?qū)崿F(xiàn)可控?fù)诫s調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。CVD外延生長(zhǎng)通常使用硅烷和碳?xì)浠衔镒鳛榉磻?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(zhǎng)SiC薄膜。

1.SiC外延層的摻雜濃度控制

本團(tuán)隊(duì)采用水平式外延生長(zhǎng)方法，三氯氫硅和乙烯作為反應(yīng)氣源，氮?dú)庾鳛閾诫s氣體，氫氣作為載氣，氫氣和氣作為驅(qū)動(dòng)托盤(pán)旋轉(zhuǎn)的氣源，生長(zhǎng)厚度適用于1200V的SiC基MOSFET用SiC外延層。通過(guò)調(diào)整摻雜氮?dú)庠?a target="_blank">中心和邊緣分布比例、托盤(pán)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(zhǎng)參數(shù)，實(shí)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(jì)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(jì)的外延產(chǎn)品100%達(dá)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(diǎn)缺陷、位錯(cuò)（屬于線缺陷）、層錯(cuò)（屬于面缺陷）和表面缺陷（屬于體缺陷）。

2.1 點(diǎn)缺陷

SiC外延材料的點(diǎn)缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳雙空位等缺陷，它們?cè)诮麕е挟a(chǎn)生深能級(jí)中心，影響材料的載流子壽命。在輕摻雜的SiC 外延層中，點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的深能級(jí)中心濃度通常在5E12~2E13 cm-3，與外延生長(zhǎng)條件特別是C/Si 比和生長(zhǎng)溫度相關(guān)。

2.2 位錯(cuò)缺陷

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

BPD位錯(cuò)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(cuò)（＞99%）在外延過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)化為T(mén)ED位錯(cuò)，只有少于1%左右的BPD會(huì)貫穿到外延層中并達(dá)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(huì)延伸至外延層演變成堆壘層錯(cuò)(SF)，造成器件正向?qū)妷浩?。由于刃位錯(cuò)對(duì)器件性能的影響要小得多，所以提高SiC外延生長(zhǎng)過(guò)程中BPD轉(zhuǎn)化為T(mén)ED的比例，阻止襯底中的BPD向外延層中延伸對(duì)提高器件的性能十分重要。

在生長(zhǎng)過(guò)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(tái)階流法線方向發(fā)生滑移，形成界面位錯(cuò)（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(duì)BPD同時(shí)發(fā)生滑移，會(huì)形成Σ-BPD。在研發(fā)過(guò)程中也觀察到過(guò)該缺陷，其典型形貌如圖2所示，Photoluminescence 檢測(cè)BPD形貌如圖3(a)，對(duì)外延片進(jìn)行KOH腐蝕后形貌如圖3(b)所示，可以看到一個(gè)Σ-BPD包含兩條界面位錯(cuò)，其長(zhǎng)度可以達(dá)到毫米級(jí)，在其尾部存在兩個(gè)BPD。Σ-BPD形成機(jī)理示意圖如圖3(c)所示，其起源于襯底的BPD對(duì)，其伯氏矢量方向剛好相反，滑移過(guò)程中形成兩條界面位錯(cuò)和2個(gè)半環(huán)位錯(cuò)（half-loop arrays，HLAs）。半環(huán)位錯(cuò)的長(zhǎng)度不一，決定于其驅(qū)動(dòng)力大小，影響滑移的驅(qū)動(dòng)力主要是溫場(chǎng)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(jī)理示意圖(c)

針對(duì)外延BPD，研究團(tuán)隊(duì)在快速外延生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化外延層緩沖層工藝窗口，目前可以實(shí)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(cuò)缺陷

SiC外延層中的層錯(cuò)包括兩大類，一類來(lái)源于襯底的層錯(cuò)和位錯(cuò)缺陷，襯底的層錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致外延層形成Bar-shaped SFs，襯底的部分TSD會(huì)形成Frank SFs；另一類層錯(cuò)為生長(zhǎng)層錯(cuò)（in-grown SFs），是外延生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的，與襯底質(zhì)量沒(méi)有關(guān)系。目前，大多數(shù)外延層錯(cuò)屬于第二類，這些層錯(cuò)中絕大部分為Shockley SFs，是通過(guò)在基平面中的滑移產(chǎn)生的。

降低外延生長(zhǎng)速率、原位氫氣刻蝕優(yōu)化、增加生長(zhǎng)溫度、改善襯底質(zhì)量都可以有效降低層錯(cuò)數(shù)量，天科合達(dá)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(guò)光學(xué)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(bào)道，除淺坑缺陷外，其他表面缺陷基本都會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生一定的不利影響，導(dǎo)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(cuò)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(yuǎn)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(jī)理，認(rèn)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(zhǎng)速率。目前市場(chǎng)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以提供TSD密度小于300/cm-3的6英寸SiC襯底。通過(guò)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(lái)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)量產(chǎn)的高質(zhì)量6英寸SiC襯底，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(guò)不斷積累對(duì)SiC材料的性能認(rèn)知和改良，一方面通過(guò)器件的不斷迭代驗(yàn)證，最終提升外延品質(zhì)，推動(dòng)SiC器件的應(yīng)用。本文采用天科合達(dá)自有的商業(yè)化6英寸襯底，在4H SiC同質(zhì)外延過(guò)程中，研究了外延層中BPD、層錯(cuò)、硅滴和Pits缺陷的控制，并對(duì)Σ-BPD的產(chǎn)生機(jī)理和消除進(jìn)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(tuán)隊(duì)的研發(fā)進(jìn)度來(lái)看，通過(guò)對(duì)工藝溫度、C/Si比和長(zhǎng)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(jìn)行工藝穩(wěn)定性驗(yàn)證。