SiC外延生長技術(shù)的生產(chǎn)過程及注意事項

SiC外延生長技術(shù)是SiC功率器件制備的核心技術(shù)之一，外延質(zhì)量直接影響SiC器件的性能。目前應(yīng)用較多的SiC外延生長方法是化學(xué)氣相沉積（CVD），本文簡要介紹其生產(chǎn)過程及注意事項。

SiC有多種穩(wěn)定的晶體多型（polytype）。因此，為了使獲得的外延生長層能夠繼承SiC襯底的特定晶體多型，需要將襯底的原子三維排列信息傳遞給外延生長層，這需要一些巧妙的設(shè)計和方法。其中一種SiC外延生長法，在SiC襯底的低指數(shù)晶面上小偏角方向上，用適當(dāng)?shù)纳L條件，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積（CVD）。這種方法是由京都大學(xué)名譽(yù)教授松波弘之等人發(fā)現(xiàn)的，稱為臺階控制外延生長法（Step-Controlled Epitaxy）。

圖1展示了使用臺階控制外延生長法進(jìn)行SiC外延生長的概念圖。通過清潔具有偏角的SiC襯底表面，形成分子層級的臺階和臺面結(jié)構(gòu)。當(dāng)原料氣體流動時，原料被供應(yīng)到該表面，原料在臺面移動，并被分布在各處的臺階捕獲。捕獲的原料在該位置上形成與作為基底的SiC襯底晶體多型一致的排列，從而使外延層得以生長。

圖1：帶有（0001）偏角的襯底上SiC外延生長概念圖

在臺階控制外延生長中，當(dāng)生長條件不合適時，原料在臺面上而不是在臺階上成核并生成晶體，因此會生長出不同的晶體多型?；烊胪庋訉又械漠惙N多型對器件來說是致命的缺陷，因此在臺階控制外延生長中，需要設(shè)置合適的偏角，以獲得適當(dāng)?shù)呐_階寬度，并優(yōu)化原料氣體中Si原料和C原料的濃度、生長溫度等條件，選擇在臺階上優(yōu)先形成晶體的條件。目前市場上銷售的4H型SiC襯底的表面呈現(xiàn)4°偏角（0001）面，是基于臺階控制外延生長的要求以及增加從boule中獲得的晶圓數(shù)量這兩個要求而決定的。

通過化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行SiC外延生長時，通常使用高純度氫氣作為載體，向保持在1500～1600℃高溫的SiC襯底表面供應(yīng)SiH4等Si原料以及C3H8等C原料。在這種高溫下，如果設(shè)備內(nèi)壁等周圍溫度較低，向襯底表面的原料供應(yīng)效率會大幅降低，因此采用熱壁型反應(yīng)器。關(guān)于SiC的外延生長設(shè)備，有多種方式，包括立式、水平式、多晶片式和單晶片式等。圖2、圖3和圖4展示了各種外延生長設(shè)備反應(yīng)器部分的氣流和襯底配置示例。

圖2：多晶片自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)型（從上方引入氣體）

圖3：多晶片公轉(zhuǎn)型（從側(cè)面引入氣體）

圖4：單晶片高速旋轉(zhuǎn)型

考慮到SiC外延襯底的量產(chǎn)，需考慮以下幾個要點：外延層厚度的均勻性、摻雜濃度的均勻性、粉塵、產(chǎn)量、部件更換頻率以及維護(hù)的便利性。關(guān)于摻雜濃度的均勻性，由于它直接影響器件的耐壓分布，因此要求晶圓表面、批次內(nèi)以及批次間的均勻性。目前，針對8英寸襯底的SiC外延生長設(shè)備的研發(fā)正在進(jìn)行中，從降低成本的角度來看，期待能夠?qū)崿F(xiàn)更適合量產(chǎn)的設(shè)備。此外，附著在反應(yīng)器內(nèi)的部件和排氣系統(tǒng)上的反應(yīng)生成物是粉塵源，因此正在開發(fā)氣體蝕刻技術(shù)，以方便清除這些粉塵。

通過SiC的外延生長，形成可用于制造功率器件的高純度SiC單晶層。此外，外延生長還可以將襯底內(nèi)存在的基面位錯（BPD）轉(zhuǎn)換為襯底/漂移層界面處的貫穿刃位錯（TED）（參見圖5）。正如第5講中所述，當(dāng)雙極電流流過時，BPD會發(fā)生堆垛層錯擴(kuò)展，從而導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加等器件特性的劣化。然而，轉(zhuǎn)換后的TED不會對器件的電氣特性產(chǎn)生影響。因此，適當(dāng)?shù)耐庋由L可以大幅減少由于雙極電流引起的劣化。

圖5：SiC襯底中的BPD和轉(zhuǎn)換后的TED橫截面示意圖

（a）外延生長前；（b）外延生長后；

通常，在SiC的外延生長中，會在漂移層和襯底之間插入緩沖層。緩沖層通常進(jìn)行高濃度的n型摻雜，這有助于促進(jìn)少數(shù)載流子的復(fù)合。緩沖層還承擔(dān)著上述基面位錯（BPD）轉(zhuǎn)換的作用，并且對成本的影響也很大，是器件制造中的一項重要技術(shù)。

正文完

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