SiC外延层的缺陷控制研究
文章来源：宽禁带半导体技术联盟 原文作者：iawbs
探索sic外延层的掺杂浓度控制与缺陷控制，揭示其在高性能半导体器件中的关键作用。
目前常见的sic外延技术有化学气相沉积(cvd)、液相外延生长(lpe)、分子束外延生长(mbe)等，当前，cvd是主流技术，具备较高生长速率、能够实现可控掺杂调控等优点。cvd外延生长通常使用硅烷和碳氢化合物作为反应气体，氢气作为载气，氯化氢作为辅助气体，或使用三氯氢硅(tcs)作为硅源代替硅烷和氯化氢，在约1600℃的温度条件下，反应气体分解并在sic衬底表面外延生长sic薄膜。
1. sic外延层的掺杂浓度控制
本团队采用水平式外延生长方法，三氯氢硅和乙烯作为反应气源，氮气作为掺杂气体，氢气作为载气，氢气和气作为驱动托盘旋转的气源，生长厚度适用于1200v的sic基mosfet用sic外延层。通过调整掺杂氮气在中心和边缘分布比例、托盘旋转的速度以及旋转气体中氯气与氢气的比例，优化外延工艺的c/si比等生长参数，实现sic外延层掺杂浓度以及均匀性的有效控制，图1是量产1000片的厚度和浓度均匀性统计数据，c/si比在1.0~1.2、温度在1600~1650c和压力在100mbar的工艺条件下，统计的外延产品100%达到厚度均匀性小于3%、浓度均匀性小于6%。
2. sic 外延层的缺陷控制研究
根据晶体缺陷理论，sic外延材料的主要缺陷可归纳为4大类：点缺陷、位错（属于线缺陷）、层错（属于面缺陷）和表面缺陷（属于体缺陷）。
2.1 点缺陷
sic外延材料的点缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳双空位等缺陷，它们在禁带中产生深能级中心，影响材料的载流子寿命。在轻掺杂的sic 外延层中，点缺陷产生的深能级中心浓度通常在5e12~2e13 cm-3，与外延生长条件特别是c/si 比和生长温度相关。
2.2 位错缺陷
sic 材料的位错包括螺位错(tsd)、刃位错(ted)和基平面位错(bpd)。微管是伯氏矢量较大的螺位错形成的中空管道，可认为是一种超螺位错。sic 外延层的位错缺陷基本都和衬底相关，大部分微管和螺位错会复制到外延层中，在合适的工艺条件下，部分微管分解为单独的螺位错，形成微管闭合，只有一小部分tsd（通常<2%）转为frank 型层错；衬底ted基本都会复制到外延层中。
bpd位错主要源于衬底中bpd向外延层的贯穿，通常偏4º 4h-sic衬底中大部分bpd位错（＞99%）在外延过程中会转化为ted位错，只有少于1%左右的bpd会贯穿到外延层中并达到外延层表面。在后续器件制造中，bpd主要影响双极型器件的稳定性，如出现双极型退化现象。在正向导通电流的作用下，bpd可能会延伸至外延层演变成堆垒层错(sf)，造成器件正向导通电压漂移。由于刃位错对器件性能的影响要小得多，所以提高sic外延生长过程中bpd转化为ted的比例，阻止衬底中的bpd向外延层中延伸对提高器件的性能十分重要。
在生长过程中，在应力等条件作用下，bpd很容易在衬底和外延层界面上沿着台阶流法线方向发生滑移，形成界面位错（interfacial dislocations，滑移方向取决于bpd的伯氏矢量及应力方向。特定条件下，成对bpd同时发生滑移，会形成σ-bpd。在研发过程中也观察到过该缺陷，其典型形貌如图2所示，photoluminescence 检测bpd形貌如图3(a)，对外延片进行koh腐蚀后形貌如图3(b)所示，可以看到一个σ-bpd包含两条界面位错，其长度可以达到毫米级，在其尾部存在两个bpd。σ-bpd形成机理示意图如图3(c)所示，其起源于衬底的bpd对，其伯氏矢量方向刚好相反，滑移过程中形成两条界面位错和2个半环位错（half-loop arrays，hlas）。半环位错的长度不一，决定于其驱动力大小，影响滑移的驱动力主要是温场的不均匀性。
图2 σ-bpd 形貌图(a)、氢氧化钾腐蚀坑图(b)和形成机理示意图(c)
针对外延bpd，研究团队在快速外延生长的基础上优化外延层缓冲层工艺窗口，目前可以实现bpd 密度小于0.1 cm-3 的外延层批量制备，如图3所示。
图3 外延片的bpd分布及其控制
2.3 层错缺陷
sic外延层中的层错包括两大类，一类来源于衬底的层错和位错缺陷，衬底的层错会导致外延层形成bar-shaped sfs，衬底的部分tsd会形成frank sfs；另一类层错为生长层错（in-grown sfs），是外延生长过程中产生的，与衬底质量没有关系。目前，大多数外延层错属于第二类，这些层错中绝大部分为shockley sfs，是通过在基平面中的滑移产生的。
降低外延生长速率、原位氢气刻蚀优化、增加生长温度、改善衬底质量都可以有效降低层错数量，天科合达已经可以提供shockley sfs 密度小于0.15 cm-2的6英寸sic衬底。
2.4 表面缺陷
sic外延层表面缺陷尺度比较大，一般通过光学显微镜可以直接观察到，包括掉落物、三角形缺陷、“胡萝卜”缺陷、彗星缺陷、硅滴和浅坑。
表面缺陷与器件性能的影响目前也已经有了较多的研究报道，除浅坑缺陷外，其他表面缺陷基本都会对器件的性能产生一定的不利影响，导致器件击穿电压降低或者反向漏流增加。浅坑（pits）是4h-sic外延层表面出现在tsd位错顶端的小凹陷或小坑状的形貌缺陷，其宽度尺度小于10 μm。ted在外延层表面引起的小坑尺寸远小于tsd诱发的小坑尺寸，很难被观察到。图4是典型的浅坑afm 形貌。
图4 外延表面宽度和深度分别为2和4 nm的浅坑的afm形貌
ohtani、noboru等则利用tuna技术研究了pits和large pits的产生机理，认为宽度在几微米、深度在14 nm左右的large pits是由tsd产生，而宽度在1 μm、深度在3-4 nm的pits由ted产生。
降低pits的主要途径包括：优选tsd数量较少的优质衬底、降低碳硅比和降低外延生长速率。目前市场上主要的商业化衬底中tsd的密度为小于1000/cm-3。本研究团队已经可以提供tsd密度小于300/cm-3的6英寸sic衬底。通过采用优质衬底，调整外延工艺，可以将pits数量从103降低到50以内。
综合来看，sic外延层缺陷一方面取决于衬底结晶质量以及表面加工质量，另一方面受制于外延生长工艺窗口的优化，需要综合考虑各种缺陷的调整方案。基于研究团队量产的高质量6英寸sic衬底，通过大量的实验研究，可以有效控制住sic外延的各种缺陷，完成650v和1200v外延片产品开发和产业化工作。图5是典型的650v和1200v外延片产品缺陷mapping图，3mm×3mm良品率分别为98.9%和97.3%。
图5 650 v和1200 v外延片，3 mm×3 mm良品率分别为98.9%和97.3%
展 望
sic外延在产业链中起着承上启下的重要作用，一方面通过不断积累对sic材料的性能认知和改良，一方面通过器件的不断迭代验证，最终提升外延品质，推动sic器件的应用。本文采用天科合达自有的商业化6英寸衬底，在4h sic同质外延过程中，研究了外延层中bpd、层错、硅滴和pits缺陷的控制，并对σ-bpd的产生机理和消除进行研究，最终获得厚度均匀性小于3%、浓度均匀性小于6%、表面粗糙度小于0.2m、良品率大于96%、bpd密度小于0.1cm的外延产品。目前从本团队的研发进度来看，通过对工艺温度、c/si比和长速等参数优化使得浓厚度分别控制在3%和2%以内，bpd的密度可以控制在0.075cm以内，但仍需要大量的外延数据进行工艺稳定性验证。
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目前常见的sic外延技术有化学气相沉积(cvd)、液相外延生长(lpe)、分子束外延生长(mbe)等，当前，cvd是主流技术，具备较高生长速率、能够实现可控掺杂调控等优点。cvd外延生长通常使用硅烷和碳氢化合物作为反应气体，氢气作为载气，氯化氢作为辅助气体，或使用三氯氢硅(tcs)作为硅源代替硅烷和氯化氢，在约1600℃的温度条件下，反应气体分解并在sic衬底表面外延生长sic薄膜。
1. sic外延层的掺杂浓度控制
本团队采用水平式外延生长方法，三氯氢硅和乙烯作为反应气源，氮气作为掺杂气体，氢气作为载气，氢气和气作为驱动托盘旋转的气源，生长厚度适用于1200v的sic基mosfet用sic外延层。通过调整掺杂氮气在中心和边缘分布比例、托盘旋转的速度以及旋转气体中氯气与氢气的比例，优化外延工艺的c/si比等生长参数，实现sic外延层掺杂浓度以及均匀性的有效控制，图1是量产1000片的厚度和浓度均匀性统计数据，c/si比在1.0~1.2、温度在1600~1650c和压力在100mbar的工艺条件下，统计的外延产品100%达到厚度均匀性小于3%、浓度均匀性小于6%。
2. sic 外延层的缺陷控制研究
根据晶体缺陷理论，sic外延材料的主要缺陷可归纳为4大类：点缺陷、位错（属于线缺陷）、层错（属于面缺陷）和表面缺陷（属于体缺陷）。
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sic外延材料的点缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳双空位等缺陷，它们在禁带中产生深能级中心，影响材料的载流子寿命。在轻掺杂的sic 外延层中，点缺陷产生的深能级中心浓度通常在5e12~2e13 cm-3，与外延生长条件特别是c/si 比和生长温度相关。
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sic 材料的位错包括螺位错(tsd)、刃位错(ted)和基平面位错(bpd)。微管是伯氏矢量较大的螺位错形成的中空管道，可认为是一种超螺位错。sic 外延层的位错缺陷基本都和衬底相关，大部分微管和螺位错会复制到外延层中，在合适的工艺条件下，部分微管分解为单独的螺位错，形成微管闭合，只有一小部分tsd（通常<2%）转为frank 型层错；衬底ted基本都会复制到外延层中。
bpd位错主要源于衬底中bpd向外延层的贯穿，通常偏4º 4h-sic衬底中大部分bpd位错（＞99%）在外延过程中会转化为ted位错，只有少于1%左右的bpd会贯穿到外延层中并达到外延层表面。在后续器件制造中，bpd主要影响双极型器件的稳定性，如出现双极型退化现象。在正向导通电流的作用下，bpd可能会延伸至外延层演变成堆垒层错(sf)，造成器件正向导通电压漂移。由于刃位错对器件性能的影响要小得多，所以提高sic外延生长过程中bpd转化为ted的比例，阻止衬底中的bpd向外延层中延伸对提高器件的性能十分重要。
在生长过程中，在应力等条件作用下，bpd很容易在衬底和外延层界面上沿着台阶流法线方向发生滑移，形成界面位错（interfacial dislocations，滑移方向取决于bpd的伯氏矢量及应力方向。特定条件下，成对bpd同时发生滑移，会形成σ-bpd。在研发过程中也观察到过该缺陷，其典型形貌如图2所示，photoluminescence 检测bpd形貌如图3(a)，对外延片进行koh腐蚀后形貌如图3(b)所示，可以看到一个σ-bpd包含两条界面位错，其长度可以达到毫米级，在其尾部存在两个bpd。σ-bpd形成机理示意图如图3(c)所示，其起源于衬底的bpd对，其伯氏矢量方向刚好相反，滑移过程中形成两条界面位错和2个半环位错（half-loop arrays，hlas）。半环位错的长度不一，决定于其驱动力大小，影响滑移的驱动力主要是温场的不均匀性。
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图4 外延表面宽度和深度分别为2和4 nm的浅坑的afm形貌
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综合来看，sic外延层缺陷一方面取决于衬底结晶质量以及表面加工质量，另一方面受制于外延生长工艺窗口的优化，需要综合考虑各种缺陷的调整方案。基于研究团队量产的高质量6英寸sic衬底，通过大量的实验研究，可以有效控制住sic外延的各种缺陷，完成650v和1200v外延片产品开发和产业化工作。图5是典型的650v和1200v外延片产品缺陷mapping图，3mm×3mm良品率分别为98.9%和97.3%。
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