影響SiC外延生長(zhǎng)速率的相關(guān)因素探討

丁杰欽，陳特超，林伯奇，龍長(zhǎng)林，楊一鳴，龔杰洪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙 410111)

半導(dǎo)體制造工藝與設(shè)備

影響SiC外延生長(zhǎng)速率的相關(guān)因素探討

丁杰欽，陳特超，林伯奇，龍長(zhǎng)林，楊一鳴，龔杰洪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙 410111)

研制了水平熱壁式外延沉積系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了雙加熱器溫控系統(tǒng)和水平三層流噴淋系統(tǒng)，介紹了溫場(chǎng)和流場(chǎng)獲得方法。在偏4°的Si面4H-SiC單晶襯底上進(jìn)行了工藝驗(yàn)證。研究了生長(zhǎng)溫度、C/Si以及SiH4流量對(duì)SiC外延生長(zhǎng)速率的影響，通過(guò)主要參數(shù)的綜合調(diào)整，生長(zhǎng)出了表面光滑的SiC外延膜。

三層流噴淋頭；4H-SiC；C/Si比；生長(zhǎng)速率

碳化硅（SiC）為第三代寬禁帶半導(dǎo)體，由于其獨(dú)特的材料特性，以其制作的電力電子器件與硅基電力電子裝置相比，具有更高耐壓、更低導(dǎo)通壓降、更高的工作頻率和更高的工作溫度，可以更好地滿足電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展需求[1-3]。

外延是SiC器件制造工藝中不可或缺的重要一環(huán)。為了得到高質(zhì)量的外延膜，從設(shè)備角度來(lái)說(shuō)，需要提供均勻和穩(wěn)定的溫場(chǎng)和流場(chǎng)。同時(shí)為了解決在用大尺寸載片盤進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)源沿載片盤徑向耗盡問(wèn)題，需要對(duì)載片盤系統(tǒng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證在外延膜的厚度和摻雜濃度均勻性。從工藝方面來(lái)說(shuō)，厚外延是SiC材料領(lǐng)域的技術(shù)趨勢(shì)之一，而厚膜的生長(zhǎng)需要較高的生長(zhǎng)速率來(lái)保證。盡管SiC外延工藝越來(lái)越成熟，但是在多片外延系統(tǒng)中，在保持外延膜晶體質(zhì)量的前提下，盡量提高生長(zhǎng)速率是面臨的主要問(wèn)題。

本文構(gòu)建了水平熱壁CVD系統(tǒng)。結(jié)合溫場(chǎng)和流場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)了雙加熱器溫控系統(tǒng)和三層流噴淋系統(tǒng)。同時(shí)配合用H2驅(qū)動(dòng)的行星運(yùn)轉(zhuǎn)載片盤，對(duì)影響外延生長(zhǎng)速率的相關(guān)因素進(jìn)行了研究，在高生長(zhǎng)速率下生長(zhǎng)出了表面光滑的SiC外延膜。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所M85150-1/UM型SiC外延生長(zhǎng)爐上進(jìn)行。它采用內(nèi)置雙加熱器結(jié)構(gòu)，軸向氣力驅(qū)動(dòng)行星運(yùn)動(dòng)工件臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)每爐6片100 mm(4英寸)襯底的小批量生產(chǎn)。

1.1 溫場(chǎng)獲得

溫度場(chǎng)采用內(nèi)置雙加熱線圈設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。加熱器1主要用于載片盤的加熱，外延片的溫度主要受此加熱器的影響，加熱器2用于加熱頂蓋石墨盤，起輔助作用。為了提高加熱效率和升溫速率，設(shè)備采用射頻感應(yīng)加熱，線圈的匝數(shù)、形狀和螺距都經(jīng)過(guò)一系列的仿真設(shè)計(jì)。

圖1 反應(yīng)室內(nèi)加熱器布局圖

1.2 流場(chǎng)獲得

氣流場(chǎng)采用三層流方式，如圖2所示。上路進(jìn)行H2吹掃，以隔離反應(yīng)氣體和頂蓋石墨盤，減少生長(zhǎng)源在頂蓋的吸附沉積。中路為H2攜帶反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)室。下路主要為摻雜源N2進(jìn)入，以利于雜質(zhì)原子的均衡分布，進(jìn)而得到較好的摻雜濃度均勻性。

圖2 噴淋頭示意圖

1.3 均勻性保證

為了緩解生長(zhǎng)源沿載片盤徑向的耗盡現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)一步提高溫場(chǎng)均勻性，設(shè)計(jì)了行星運(yùn)轉(zhuǎn)載片盤，如圖3所示。載片盤采用挖槽工藝，在每個(gè)行星盤的下方進(jìn)行挖槽，凹槽的末端打孔并通過(guò)內(nèi)槽連接至載片盤中心的石墨蓋板處，以使H2從中流出以驅(qū)動(dòng)行星盤旋轉(zhuǎn)。

圖3 行星運(yùn)轉(zhuǎn)載片盤系統(tǒng)剖面圖

2 工藝實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的生長(zhǎng)溫度為1 580～1 650℃，壓力為(1.5～2.0)×104Pa，三路H2的總流量約為76～96 L/min。采用經(jīng)鈀管純化的高純H2作為載氣及稀釋氣體，SiH4和 C3H8作為生長(zhǎng)源。使用偏〈11-20〉方向4°的Si面4H-SiC襯底進(jìn)行生長(zhǎng)，1 400℃時(shí)開始進(jìn)行HCl刻蝕，在刻蝕的同時(shí)升溫至目標(biāo)溫度，用小流量SiH4和C3H8進(jìn)行緩沖層生長(zhǎng)，然后緩慢將生長(zhǎng)源提升至目標(biāo)流量進(jìn)行外延生長(zhǎng)。C/Si變化在0.9～1.0，低流量SiH4不用HCl，相對(duì)高流量SiH4采用一定量HCl輔助生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定為1 h。

利用DVM5000 HD顯微鏡對(duì)外延層表面形貌進(jìn)行觀察，用SU8010掃描電子顯微鏡（SEM）和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀（FTIR）進(jìn)行厚度測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 生長(zhǎng)溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

外延生長(zhǎng)過(guò)程中涉及的各種化學(xué)反應(yīng)都受到溫度的直接影響。生長(zhǎng)溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于SiC薄膜的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度過(guò)高時(shí)原子的動(dòng)能較大，在合適位置被吸附之后還能夠繼續(xù)移動(dòng)，從而使吸附原子不能停留在自由能較低位置處，形成不規(guī)則排列；生長(zhǎng)溫度過(guò)低時(shí)，沉積在襯底表面上的原子冷卻過(guò)快，無(wú)法在襯底上繼續(xù)遷移，從而形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)。根據(jù)阿倫尼烏斯公式：

化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度升高而指數(shù)增加，故SiC外延薄膜的生長(zhǎng)速率會(huì)隨溫度的升高而增加。從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著生長(zhǎng)溫度增加，SiC外延生長(zhǎng)速率有一定的增長(zhǎng)，與理論結(jié)果較為相符。但是隨著溫度的增加，外延膜表面起伏較大，甚至出現(xiàn)了明顯的集束效果，如圖4所示。因此生長(zhǎng)溫度過(guò)高也會(huì)取得負(fù)面效果。另外有文獻(xiàn)表明，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致背景雜質(zhì)濃度過(guò)高，本文后續(xù)將做進(jìn)一步試驗(yàn)。

圖4 生長(zhǎng)溫度分別為1 650、1 625、1 600以及1 580℃時(shí)的光學(xué)顯微鏡照片

3.2 C/Si比對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

生長(zhǎng)速率隨C/Si比的變化如圖5所示，生長(zhǎng)時(shí)SiH4=128 ml/min，生長(zhǎng)溫度為1 600℃，Cl/Si=3.0。從圖中可看出，SiC外延生長(zhǎng)速率隨C/Si比的增加有緩慢增長(zhǎng)。在SiH4-C3H8-H2體系中，含C的氣相產(chǎn)物以C2H2和CH4為主。由于CH4在SiC表面的低附著系數(shù)，真正對(duì)SiC外延生長(zhǎng)起作用的是C2H2。C2H2的摩爾分?jǐn)?shù)隨著生長(zhǎng)源流量的加大而增加，這個(gè)效果將導(dǎo)致SiC(0001)表面的C覆蓋率上升，從而使得生長(zhǎng)速率加快。

有文獻(xiàn)表明[4,5]，隨著生長(zhǎng)源流量的加大，當(dāng)SiH4濃度達(dá)到一定程度后將會(huì)發(fā)生氣相成核，形成Si團(tuán)簇，Si團(tuán)簇很容易被載氣H2帶走，對(duì)SiC外延生長(zhǎng)速率基本上不起作用，這將導(dǎo)致Si的使用效率降低，從而使得生長(zhǎng)速率趨緩。從圖中看出，當(dāng)SiH4流量提升至128 ml/min并未明顯影響生長(zhǎng)速率，可見(jiàn)在此SiH4流量下外延生長(zhǎng)速率并未飽和。

圖5 生長(zhǎng)速率隨C/Si比的關(guān)系

3.3 SiH4流量和生長(zhǎng)速率的關(guān)系

低流量SiH4不用HCl，相對(duì)高流量SiH4采用一定量HCl輔助生長(zhǎng)，圖6是生長(zhǎng)速率隨SiH4流量的關(guān)系圖，工藝過(guò)程中生長(zhǎng)溫度=1 600℃，Cl/Si=3.0。從圖中可以看出，在其它條件不改變的情況下，只改變氣體源流量，即增大SiH4與C3H8流量（C/Si比保持不變），生長(zhǎng)速率隨之增加，生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)源流量成正比關(guān)系。當(dāng)SiH4流量達(dá)到128 ml/min時(shí)，生長(zhǎng)速率可以提高至約21 μm/h，如圖7所示。

圖6 生長(zhǎng)速率隨SiH4流量的關(guān)系

4 結(jié) 論

研制了水平熱壁式化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，并研究了主要工藝參數(shù)與生長(zhǎng)速率的關(guān)系。在偏4°的硅面4H-SiC單晶襯底上進(jìn)行了外延試驗(yàn)。隨溫度升高生長(zhǎng)速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但到一定溫度后速率不變，溫度再升高則表面變得粗糙且產(chǎn)生集束。在一定范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速率隨C/Si比的增大而緩慢增加。SiH4流量對(duì)生長(zhǎng)速率的影響最大，其與SiH4流量近似成正比例關(guān)系。通過(guò)主要參數(shù)的調(diào)整，在本裝置上生長(zhǎng)出了表面光滑的SiC外延膜。

圖7 SiH4=128 ml/min時(shí)外延膜的SEM厚度測(cè)試圖

[1] Hassan Ju，Henry A，Bergman Jp，et al.Epitaxial growth of thin 4H-SiC layers with uniform doping depthprofile[J].Thin Solid Film，2006，515(2)：460-463.

[2] Le-Huu M，Schmitt H，Noll S，et al.Investigation of the reliability of 4H-SiC MOS devices for high temperature applications[J].Mi-croelectronics Reliability，2011，51(8)：1346-1400.

[3] LaVia F.Silicon Carbide Epitaxy[M].Kerala：Research signpost，2012.120-125.

[4] LaVia F，Galvagno G，F(xiàn)irrincieliA，et al.Epitaxial layers grow with HCl addition：a comparison with the standard process[J].Materials Science Forum，2006，(527-529)：163-166.

[5] LaVia F，LeoneS，MauceriM，et al.Very high growth rate epitaxyprocesses with chlorine addition[J].Materials Science Forum，2007，(556-557)：157-160.

Study on Factors Related to Growth Rate of SiC Epitaxy

DING Jieqin，CHEN Techao，LIN Boqi，LONG Changling，YANG Yiming，GONG Jiehong
(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

Horizontal hot-wall chemical vapor deposition system was fabricated.Double heat systems and horizontal three-layerflow injector were designedafter taking the simulation of temperature and flow fields into consideration.The methods for obtaining temperature and flow fieldswere introduced.Epitaxial processes were performed on 4°off Si-face 4H-SiC substrates.The influence of growth temperature，C/Si ratio，and silane flow on growth rate was investigated.Smooth SiC epilayer was successfully grown by adjusting the main parameters.

Three-layer flow injector，4H-SiC，C/Si ratio，Growth rate.

TN304.054

A

1004-4507(2017)05-0014-04

2017-07-31

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014AA041401）

丁杰欽(1986-)，男，博士，工程師，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體材料研究。