低表面缺陷密度的4H-SiC 外延生長

孫永強

瀚天天成電子科技（廈門）有限責任公司 福建廈門 361101

近年來，基于4H-SiC 半導體材料的高壓高功率器件得到了廣泛的研究和發展。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散速度，確實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，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致外延層臺階聚集的出現，導致外延表面粗糙度增加。本文嘗試通過優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行優化，得到了低缺陷密度的4H-SiC 外延層。

1 實驗

本文使用的外延生長設備為旋轉式單片熱壁反應爐，單爐產能為1 片6 寸或4 寸4H-SiC 晶片。本實驗中使用的襯底材料為沿<11-20＞方向偏4°的150mm 硅面N 型導電4H-SiC 襯底。實驗采用三種不同的刻蝕氣氛進行驗證：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行外延層生長，外延層厚度約12μm。實驗中采用CandelaCS920 對外延片表面缺陷進行測量并分類統計，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行檢測。

2 結果與討論

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，除該區域外，晶片其他區域的缺陷很少，該晶片表面質量較好。三片外延樣品表面形貌缺陷數量統計見表1，從結果來看，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環境波動；三角形和慧尾缺陷，當刻蝕氣氛中通入TCS 時，數量明顯比其他兩種刻蝕工藝要少，當刻蝕氣氛中通入C2H4，這兩種缺陷有明顯增加的趨勢，這一結論和其他研究機構相類似，在4°偏角4H-SiC 襯底上外延時，通入硅源進行生長前刻蝕有利于襯底缺陷的愈合或轉換[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，會更容易出現。以上三種刻蝕工藝，純氫氣刻蝕和載氣中通入TCS進行刻蝕能夠得到最好的外延表面狀態，缺陷數量較少。

表1 不同刻蝕氣氛下，150mm4H-SiC 外延表面致命性缺陷數量統計對比

為了進一步確認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 外延片進行了AFM 檢測，測量模式為輕敲模式，測量點均位于晶片中間位置，掃描范圍為100μm×100μm。所得結果如圖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 掃描結果如圖2（b）所示，表面均勻分布著點坑狀形貌，且沿著臺階流方向呈弧形擴散，整個晶片表面粗糙度為0．36nm。對該區域進行更細致的AFM 掃描，結果如圖3 所示，線性測量出該點坑凹凸的高度差約4nm 左右，點坑的寬度大小約2μm 左右。該現象與4H-SiC 晶片上出現硅滴時的AFM 形貌類似，但在顯微鏡或者CS920 檢測過程中，并未發現明顯的黑色點狀硅滴殘留，分析認為該點坑狀缺陷可能是硅滴揮發后的殘留印跡導致。偏角4°的4H-SiC 襯底在純氫氣氣氛下刻蝕時，Si 原子和C 原子從襯底表面脫附的速度相近，當通入TCS 進行刻蝕時，氣氛中Si 分壓增加，抑制了晶片表面Si 原子的脫附，容易在晶片表面團聚成硅滴，同時氣氛中富裕的Si 源組份容易聚集生成團簇，在晶片表面分解形成細小硅滴，當通入碳源進行外延生長時，氣氛中的分壓恢復均衡，這些細小硅滴在高溫條件（1600-1700℃）下很快揮發，所以并未出現外延層包裹硅滴的情況，但是硅滴揮發殘留的印跡會阻礙臺階流的擴展，生長源繞過該區域后，臺階流會恢復正常，從而形成點坑狀的表面形貌，且沿著臺階流方向呈弧面擴散。該類點坑狀缺陷我們在行星式外延多片生長系統中也有發現，如果通入SiH4 或生長時硅烷流量過大，都會出現該現象[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， 有點坑狀缺陷出現，RMS=0．36nm；（c）、H2+C2H4，出現巨型臺階，粗糙度差，RMS=1．41nm。

樣品C 的AFM 掃描結果如圖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理，已有很多文獻進行過報道，主要有兩種解釋：一種是熱動力學模型：4H-SiC 外延生長時，由于氣氛或者溫度等參數的改變，使得晶片表面能量出現波動，為了使得表面能降低，晶片表面會出現周期性的臺階聚集[4-5]；另一種是臺階動力學模型：由于4H-SiC 外延普遍使用偏角襯底進行生長，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，導致臺階重疊形成周期性排列的臺階聚集[6]。顯然我們的實驗結果更符合熱動力學模型，生長前晶片表面在碳氣氛下刻蝕，會引起晶片表面處于富碳狀態，使得晶片表面能顯著升高，外延生長時，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，我們認為在該設備上使用4°偏角的150mm4H-SiC 襯底進行外延生長時，最理想的刻蝕氣氛為純氫氣。我們還對刻蝕溫度和刻蝕時間進行了優化，使用優化后的刻蝕工藝進行了外延生長，并與未優化刻蝕工藝生長出的外延片進行了對比，表面缺陷數量明顯減少，缺陷密度由優化前的1．10cm-2 降低至優化后的0．31cm-2。其中三角形缺陷和胡蘿卜位錯與工藝關聯性較大，可以看到優化工藝后的生長的外延片，這兩種缺陷數量都很少，說明優化刻蝕工藝，對外延片表面缺陷控制是有效果的。圖4（a）和（b）分別為刻蝕工藝優化前后的外延片對器件良率的影響圖，管芯大小3mm×3mm，優化前的良率僅為89．7%，優化后的良率可以達到96．7%。

3 結語

本文采用單片熱壁生長爐在偏4° 4H-SiC150mm 襯底上進行外延生長，使用表面缺陷分析設備和原子力顯微鏡對外延原位刻蝕工藝進行了研究。結果表明，通入乙烯或TCS 進行原位刻蝕會導致外延片表面出現臺階聚集或點坑狀缺陷，不適合于4H-SiC 外延生長。采用純氫氣進行原位刻蝕，可以得到表面缺陷較少，無臺階聚集的高質量4H-SiC 外延層。通過進一步優化純氫氣刻蝕工藝下的刻蝕溫度和刻蝕時間，得到了高品質的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%。