晶體生長相關(guān)內(nèi)容——晶型控制與襯底缺陷

晶體生長在分析晶體生長時(shí)，我們需要考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，這些因素共同影響著晶體生長的質(zhì)量和進(jìn)程。本文介紹了晶體生長相關(guān)內(nèi)容，包括：雜對晶格硬度變化影響、碳化硅晶型控制、襯底缺陷控制和電氣特性控制。

1 摻雜對晶格硬度變化影響

在晶體系統(tǒng)中，摻雜是一種常見的技術(shù)手段，通過向晶格中添加雜質(zhì)原子，可以改變晶體的機(jī)械性能。這種現(xiàn)象在金屬和半導(dǎo)體材料中尤為普遍。摻雜不僅會(huì)引起晶體中的應(yīng)力變化，還會(huì)影響位錯(cuò)的移動(dòng)和滑移行為，從而進(jìn)一步影響晶體的硬度。

摻雜在冶金和半導(dǎo)體中的應(yīng)用

在冶金領(lǐng)域，添加雜質(zhì)已被用作阻止缺陷運(yùn)動(dòng)、硬化材料的手段。類似地，在化合物半導(dǎo)體材料中，如砷化鎵，摻雜特定元素會(huì)影響位錯(cuò)在不同滑移面上的滑移行為。這些發(fā)現(xiàn)為通過摻雜調(diào)控晶體機(jī)械性能提供了理論基礎(chǔ)。

碳化硅中的摻雜效應(yīng)

碳化硅（SiC）作為一種重要的化合物半導(dǎo)體材料，其機(jī)械性能也受到摻雜的影響。碳化硅中有六個(gè)主要的滑移系統(tǒng)，其中基矢面滑移是最常見的，因?yàn)樗璧哪芰枯^少。然而，當(dāng)材料摻雜了硼/鋁受主或氮施主等摻雜劑時(shí)，滑移系統(tǒng)的行為可能會(huì)發(fā)生變化。

摻雜原子在晶格中的位置及應(yīng)力

電子順磁共振（EPR）和電子-核雙共振（ENDOR）譜研究表明，受主鋁和硼占據(jù)碳化硅晶體中的硅位點(diǎn)，而施主氮?jiǎng)t占據(jù)碳位點(diǎn)。由于取代原子和被取代原子之間的原子半徑差異，這些原子在晶格中的位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。具體來說，較大鋁原子在硅位點(diǎn)上產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力與較小硼原子產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力不同，而氮原子在碳位點(diǎn)上產(chǎn)生的應(yīng)力也有其獨(dú)特性。

摻雜對位錯(cuò)滑移的阻礙作用

這些應(yīng)力差異會(huì)影響位錯(cuò)的滑移行為。與氮原子相比，鋁和硼原子在晶格中產(chǎn)生的應(yīng)力可能更有效地阻止基矢面滑移。因此，在P型摻雜的碳化硅中，基矢面位錯(cuò)的形成和滑移將受到更大的阻礙。相比之下，N型摻雜的碳化硅更容易產(chǎn)生基矢面位錯(cuò)。

綜上所述，摻雜對碳化硅晶格的硬度變化具有顯著影響。通過選擇合適的摻雜劑和摻雜濃度，可以調(diào)控碳化硅的機(jī)械性能，為制備高性能的碳化硅材料提供新的途徑。

2 碳化硅晶型控制

碳化硅的晶型與結(jié)構(gòu)

碳化硅具有多種晶型，其中最常見的是3C（立方）、4H、6H和15R。這些晶型的差異主要在于Si-C單元在六邊形雙層中的排列順序。這種排列決定了碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。此外，碳化硅的(0001)面可以是碳終止層或硅終止層，這取決于終止原子的類型。

晶型夾雜物的問題

在碳化硅襯底生長過程中，晶型夾雜物是一個(gè)主要問題。這些夾雜物不僅限制了單晶碳化硅襯底的生長直徑，還可能為其他缺陷提供成核位點(diǎn)，導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降。晶型夾雜物形成的主要原因是其層錯(cuò)能很低，這要求生長過程中的熱力和動(dòng)力條件必須得到特殊控制。

影響晶型夾雜物的因素

熱條件和生長壓力：精確控制熱條件和生長壓力對于減少晶型夾雜物至關(guān)重要。這需要通過精心設(shè)計(jì)生長腔和特別注意籽晶的安裝來實(shí)現(xiàn)。

籽晶的表面極性：籽晶的表面極性對碳化硅晶體生長的晶型有很大影響。不同的晶面具有不同的表面能，這導(dǎo)致4H晶型優(yōu)先生長在表面能較低的碳面上，而6H晶型則優(yōu)先生長在具有較高表面能的硅面上。

氣體的過飽和度：過飽和度是影響晶型轉(zhuǎn)變的重要參數(shù)之一。高的過飽和度和特定的Si/C蒸氣比對4H晶型的形成至關(guān)重要。

氣相的化學(xué)計(jì)量比：Si/C比直接影響晶型的穩(wěn)定性和生長條件。

雜質(zhì)水平：碳化硅原材料中的雜質(zhì)，如稀土元素中的鈧和鈰，以及摻入晶格中的氮，都會(huì)影響晶型的穩(wěn)定性。這些雜質(zhì)可能通過改變蒸氣中的碳富集程度或改變原子核的表面能來發(fā)揮作用。

晶型控制與生長條件的關(guān)系

不同碳化硅晶型的成核與生長溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性。例如，3C-SiC可以在低溫下生長，而六邊形的晶型則需要較高的生長溫度。然而，由于不同晶型間的能量差異很小，僅通過溫度條件來控制晶型的轉(zhuǎn)變相當(dāng)困難。因此，需要綜合考慮過飽和度、氣相中的Si/C比、溫度梯度以及反應(yīng)腔壓力等多個(gè)參數(shù)來控制晶型的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)變。

碳化硅的晶型控制是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)因素的影響。精確控制熱條件、生長壓力、籽晶的表面極性、氣體的過飽和度以及氣相的化學(xué)計(jì)量比等參數(shù)是減少晶型夾雜物和提高晶體質(zhì)量的關(guān)鍵。

3 襯底缺陷控制

襯底缺陷的影響

襯底缺陷對碳化硅器件的性能具有非常不利的影響。這些缺陷往往會(huì)傳播到后續(xù)的外延層中，導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。因此，降低襯底缺陷是碳化硅襯底技術(shù)面臨的最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一。

物理氣相傳輸生長中的螺旋式生長

物理氣相傳輸生長（PVT）是碳化硅襯底生長的主要方法之一。在PVT過程中，螺旋式生長是一個(gè)顯著的特征。

螺旋式生長與多種生長因素相關(guān)，如生長參數(shù)的不穩(wěn)定和籽晶的質(zhì)量。這些因素會(huì)導(dǎo)致二維和三維成核，進(jìn)而形成螺旋生長。螺旋生長與晶體缺陷的形成密切相關(guān)，如位錯(cuò)、晶體鑲嵌（疇結(jié)構(gòu)）和微管缺陷等。

微管缺陷的形成與影響

在所有缺陷中，微管缺陷被認(rèn)為是限制碳化硅作為商業(yè)半導(dǎo)體材料的主要威脅。微管缺陷是一個(gè)大的螺旋位錯(cuò)的空心核，會(huì)沿著生長方向貫穿整個(gè)晶體（生長平行于c軸條件下）并被復(fù)制到器件的外延層。因此，微管缺陷會(huì)嚴(yán)重?fù)p害器件性能。關(guān)于微管缺陷形成的原因，已有多種觀點(diǎn)，但大多數(shù)觀點(diǎn)都圍繞弗蘭克理論提出，即微管缺陷在具有大伯格斯矢量的螺旋位錯(cuò)上形成。

微管缺陷形成的可能來源

目前已經(jīng)確認(rèn)了幾種與生長相關(guān)的微管缺陷形成的可能來源，包括熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和技術(shù)方面。熱力學(xué)來源涉及熱場均勻性、氣相組成、空位過飽和狀態(tài)、位錯(cuò)形成和固態(tài)轉(zhuǎn)變等。動(dòng)力學(xué)來源包括成核過程、生長相形態(tài)、不均勻的過飽和狀態(tài)和氣泡的捕獲等。技術(shù)方面則包括過程的不穩(wěn)定、籽晶的表面處理以及生長系統(tǒng)的污染等。

微管缺陷控制的進(jìn)展

隨著對微管缺陷形成來源的深入了解和實(shí)驗(yàn)研究，以及對生長過程的精確建模，生長技術(shù)得到了巨大的改進(jìn)。特別是近年來，在降低微管缺陷密度方面取得了穩(wěn)步的進(jìn)展。當(dāng)前，具有零微管缺陷的N型4H-SiC襯底已經(jīng)商業(yè)化。

偏軸生長與反向“重復(fù)a面”(RAF)生長

盡管微管缺陷是籽晶升華生長（標(biāo)準(zhǔn)物理氣相傳輸）所固有的，但使用傳統(tǒng)方法（如Acheson工藝和Lely工藝）生長的晶體很少顯示出微管缺陷。這歸因于偏軸生長方法對微管缺陷生成的抑制作用。這些發(fā)現(xiàn)引出了新的研究方向，即垂直于c軸的碳化硅生長。此外人們提出了一種叫作反向“重復(fù)a面”(RAF)生長的方法，作為垂直于c軸生長過程的修正。這種方法在某些方面較為優(yōu)越，為碳化硅襯底技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

襯底缺陷控制是碳化硅襯底技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過深入研究缺陷的形成機(jī)制和控制方法，我們可以不斷提高碳化硅襯底的質(zhì)量，為碳化硅器件的商業(yè)化應(yīng)用提供有力支持。

4 電氣特性控制

在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，電阻率是衡量材料性能的重要指標(biāo)之一。對于碳化硅（SiC）而言，如何精確控制摻雜劑的含量，無論是故意摻雜還是無意摻雜，都是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。

大功率器件與微波器件的需求差異

碳化硅在大功率器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，這類器件需要低電阻的襯底來減少功率損耗，主要由寄生電阻和接觸電阻引起。然而，對于在微波頻率下工作的器件和電路，半絕緣襯底則至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兡茱@著降低介電損耗并減少器件的寄生效應(yīng)。

摻雜劑的選擇與摻雜方法

在碳化硅中，氮是常用的N型摻雜劑，而鋁則是主要的P型摻雜劑。這兩種摻雜劑在碳化硅的帶隙中產(chǎn)生了相對較淺的施主和受主能級。盡管磷在碳化硅中的溶解度高于氮，有研究提出用磷替代氮作為N型施主，但目前在工業(yè)化生產(chǎn)中，標(biāo)準(zhǔn)物理氣相傳輸方法仍然采用氮摻雜。氮摻雜通常通過將氮?dú)鈸饺肷L坩堝的石墨孔隙中實(shí)現(xiàn)。相比之下，鋁摻雜則是將鋁直接混合到碳化硅原材料中進(jìn)行P型摻雜。然而，這種方法存在鋁不斷消耗的問題，阻礙了P型襯底的普及。

摻雜量的精確控制

通過精確控制表面極性效應(yīng)和生長參數(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)摻雜量的控制。目前，市場上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高摻雜（1020 cm-3）的N型4H-SiC、6H-SiC以及半絕緣（1014 cm-3）的4H-SiC襯底的商業(yè)化。

4H-SiC和6H-SiC的已知最低電阻率分別為0.0028Ω·cm和0.0016Ω·cm，而4H-SiC的已知最高電阻率大于105Ω·cm。由于4H-SiC具有更高的載流子遷移率和更小的各向異性，這些關(guān)鍵性能對高功率和高頻器件的應(yīng)用非常有利，因此市場趨勢傾向于廣泛采用4H-SiC襯底。