孫永強(qiáng)

瀚天天成電子科技（廈門）有限責(zé)任公司 福建廈門 361101

近年來，基于4H-SiC 半導(dǎo)體材料的高壓高功率器件得到了廣泛的研究和發(fā)展。而低表面缺陷的4H-SiC 外延膜層是制備高可靠性功率器件的必要條件。常見的4H-SiC 外延表面缺陷有接近20種[1]，其中對器件影響最大的致命性缺陷包括以下幾種：掉落物、三角形缺陷、慧尾缺陷、胡蘿卜缺陷和直線型缺陷。為了降低甚至消除這些缺陷，很多高校和科研院所都進(jìn)行了大量研究，如降低C/Si 比或者提高生長溫度來提高原子在臺面上擴(kuò)散速度，確實(shí)能夠抑制外延形貌缺陷的生成。但是這兩種方法也會犧牲外延層的其他參數(shù)，如過低的C/Si 比會使得背景濃度偏高和濃度不均勻性變差，過高的生長溫度會導(dǎo)致外延層臺階聚集的出現(xiàn)，導(dǎo)致外延表面粗糙度增加。本文嘗試通過優(yōu)化外延生長前的原位刻蝕工藝，來降低外延層表面缺陷。通過對比不同刻蝕氣氛對4H-SiC 外延表面的影響，尋找到合適的原位刻蝕氣氛并進(jìn)行優(yōu)化，得到了低缺陷密度的4H-SiC 外延層。

1 實(shí)驗(yàn)

本文使用的外延生長設(shè)備為旋轉(zhuǎn)式單片熱壁反應(yīng)爐，單爐產(chǎn)能為1 片6 寸或4 寸4H-SiC 晶片。本實(shí)驗(yàn)中使用的襯底材料為沿<11-20＞方向偏4°的150mm 硅面N 型導(dǎo)電4H-SiC 襯底。實(shí)驗(yàn)采用三種不同的刻蝕氣氛進(jìn)行驗(yàn)證：樣品A 采用純H2 刻蝕；樣品B 的刻蝕氣體為H2+TCS，其中TCS 流量為20sccm；樣品B 的刻蝕氣體為H2+C2H4，C2H4 流量為10sccm。三片樣品刻蝕完成后，均采用相同外延工藝進(jìn)行外延層生長，外延層厚度約12μm。實(shí)驗(yàn)中采用CandelaCS920 對外延片表面缺陷進(jìn)行測量并分類統(tǒng)計(jì)，采用原子力顯微鏡AFM 對外延層表面臺階聚集以及表面粗糙度情況進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

圖1 所示為樣品A 的表面形貌缺陷分布圖（Candela CS920），由于襯底右上角有大量的微管缺陷，從圖中可以看出外延片右上角有大量的三角形聚集，除該區(qū)域外，晶片其他區(qū)域的缺陷很少，該晶片表面質(zhì)量較好。三片外延樣品表面形貌缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表1，從結(jié)果來看，三種刻蝕工藝中，掉落物方面差距不大，說明三種刻蝕氣氛均不會引起爐內(nèi)環(huán)境波動；三角形和慧尾缺陷，當(dāng)刻蝕氣氛中通入TCS 時(shí)，數(shù)量明顯比其他兩種刻蝕工藝要少，當(dāng)刻蝕氣氛中通入C2H4，這兩種缺陷有明顯增加的趨勢，這一結(jié)論和其他研究機(jī)構(gòu)相類似，在4°偏角4H-SiC 襯底上外延時(shí)，通入硅源進(jìn)行生長前刻蝕有利于襯底缺陷的愈合或轉(zhuǎn)換[2]；對于胡蘿卜和直線型缺陷，與三角形缺陷類似，刻蝕氣氛為純H2 或者通入C2H4 時(shí)，會更容易出現(xiàn)。以上三種刻蝕工藝，純氫氣刻蝕和載氣中通入TCS進(jìn)行刻蝕能夠得到最好的外延表面狀態(tài)，缺陷數(shù)量較少。

表1 不同刻蝕氣氛下，150mm4H-SiC 外延表面致命性缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)對比

為了進(jìn)一步確認(rèn)以上三種不同刻蝕氣氛對外延層的表面粗糙度的影響，我們對以上三片4H-SiC 外延片進(jìn)行了AFM 檢測，測量模式為輕敲模式，測量點(diǎn)均位于晶片中間位置，掃描范圍為100μm×100μm。所得結(jié)果如圖2 所示。圖2（a）為樣品A 的掃描圖，表面平整光滑，沒有看到明顯的異常凹凸形貌，表面粗糙度（RMS）為0．18nm。

樣品B 的AFM 掃描結(jié)果如圖2（b）所示，表面均勻分布著點(diǎn)坑狀形貌，且沿著臺階流方向呈弧形擴(kuò)散，整個(gè)晶片表面粗糙度為0．36nm。對該區(qū)域進(jìn)行更細(xì)致的AFM 掃描，結(jié)果如圖3 所示，線性測量出該點(diǎn)坑凹凸的高度差約4nm 左右，點(diǎn)坑的寬度大小約2μm 左右。該現(xiàn)象與4H-SiC 晶片上出現(xiàn)硅滴時(shí)的AFM 形貌類似，但在顯微鏡或者CS920 檢測過程中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的黑色點(diǎn)狀硅滴殘留，分析認(rèn)為該點(diǎn)坑狀缺陷可能是硅滴揮發(fā)后的殘留印跡導(dǎo)致。偏角4°的4H-SiC 襯底在純氫氣氣氛下刻蝕時(shí)，Si 原子和C 原子從襯底表面脫附的速度相近，當(dāng)通入TCS 進(jìn)行刻蝕時(shí)，氣氛中Si 分壓增加，抑制了晶片表面Si 原子的脫附，容易在晶片表面團(tuán)聚成硅滴，同時(shí)氣氛中富裕的Si 源組份容易聚集生成團(tuán)簇，在晶片表面分解形成細(xì)小硅滴，當(dāng)通入碳源進(jìn)行外延生長時(shí)，氣氛中的分壓恢復(fù)均衡，這些細(xì)小硅滴在高溫條件（1600-1700℃）下很快揮發(fā)，所以并未出現(xiàn)外延層包裹硅滴的情況，但是硅滴揮發(fā)殘留的印跡會阻礙臺階流的擴(kuò)展，生長源繞過該區(qū)域后，臺階流會恢復(fù)正常，從而形成點(diǎn)坑狀的表面形貌，且沿著臺階流方向呈弧面擴(kuò)散。該類點(diǎn)坑狀缺陷我們在行星式外延多片生長系統(tǒng)中也有發(fā)現(xiàn)，如果通入SiH4 或生長時(shí)硅烷流量過大，都會出現(xiàn)該現(xiàn)象[3]。

圖2 不同刻蝕氣氛下，12μm 厚150mm4H-SiC 外延層表面AFM 掃 描 圖：（a）、H2，RMS=0．19nm；（b）、H2+TCS， 有點(diǎn)坑狀缺陷出現(xiàn)，RMS=0．36nm；（c）、H2+C2H4，出現(xiàn)巨型臺階，粗糙度差，RMS=1．41nm。

樣品C 的AFM 掃描結(jié)果如圖2（c）所示，外延表面布滿臺階聚集，這些巨型臺階垂直于臺階流方向，由很多細(xì)小的臺階聚集而成，具有明顯的周期性，表面粗糙度為1．41nm。對于巨型臺階的形成機(jī)理，已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行過報(bào)道，主要有兩種解釋：一種是熱動力學(xué)模型：4H-SiC 外延生長時(shí)，由于氣氛或者溫度等參數(shù)的改變，使得晶片表面能量出現(xiàn)波動，為了使得表面能降低，晶片表面會出現(xiàn)周期性的臺階聚集[4-5]；另一種是臺階動力學(xué)模型：由于4H-SiC 外延普遍使用偏角襯底進(jìn)行生長，在氣氛中源氣的干擾和晶片表面原子懸掛鍵的相互作用下，不同原子臺階的運(yùn)動速度不同，上一層臺階的生長速度可能會大于下一層臺階，導(dǎo)致臺階重疊形成周期性排列的臺階聚集[6]。顯然我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合熱動力學(xué)模型，生長前晶片表面在碳?xì)夥障驴涛g，會引起晶片表面處于富碳狀態(tài)，使得晶片表面能顯著升高，外延生長時(shí)，會更容易生成巨型臺階。

通過對比以上三種不同的刻蝕工藝，我們認(rèn)為在該設(shè)備上使用4°偏角的150mm4H-SiC 襯底進(jìn)行外延生長時(shí)，最理想的刻蝕氣氛為純氫氣。我們還對刻蝕溫度和刻蝕時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，使用優(yōu)化后的刻蝕工藝進(jìn)行了外延生長，并與未優(yōu)化刻蝕工藝生長出的外延片進(jìn)行了對比，表面缺陷數(shù)量明顯減少，缺陷密度由優(yōu)化前的1．10cm-2 降低至優(yōu)化后的0．31cm-2。其中三角形缺陷和胡蘿卜位錯(cuò)與工藝關(guān)聯(lián)性較大，可以看到優(yōu)化工藝后的生長的外延片，這兩種缺陷數(shù)量都很少，說明優(yōu)化刻蝕工藝，對外延片表面缺陷控制是有效果的。圖4（a）和（b）分別為刻蝕工藝優(yōu)化前后的外延片對器件良率的影響圖，管芯大小3mm×3mm，優(yōu)化前的良率僅為89．7%，優(yōu)化后的良率可以達(dá)到96．7%。

3 結(jié)語

本文采用單片熱壁生長爐在偏4° 4H-SiC150mm 襯底上進(jìn)行外延生長，使用表面缺陷分析設(shè)備和原子力顯微鏡對外延原位刻蝕工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通入乙烯或TCS 進(jìn)行原位刻蝕會導(dǎo)致外延片表面出現(xiàn)臺階聚集或點(diǎn)坑狀缺陷，不適合于4H-SiC 外延生長。采用純氫氣進(jìn)行原位刻蝕，可以得到表面缺陷較少，無臺階聚集的高質(zhì)量4H-SiC 外延層。通過進(jìn)一步優(yōu)化純氫氣刻蝕工藝下的刻蝕溫度和刻蝕時(shí)間，得到了高品質(zhì)的150mm4H-SiC 外延層，表面缺陷密度為0．31/cm2，折算晶片良率為3mm×3mm96．7%。