高均勻性150mm 4H-SiC外延生長

摘要：本文采用單片熱壁反應爐在偏4°斜切150mm 4H-SiC襯底上進行同質外延生長。首先通過不引入基座旋轉進行外延生長，分別測量出水平和垂直于氣流方向上外延厚度和濃度分布，確認了生長源和N型摻雜源在晶片上的耗盡方式。其次，通過引入基座旋轉進行外延生長，分別測量出外延層厚度和濃度的分布情況。最后，通過調整載氣比例來改善外延層厚度分布，所得6英寸4H-SiC外延層厚度均勻性為0.30%（sigma/mean），通過優化摻雜源分配等方式來改善濃度均勻性，所得外延層濃度均勻性為4.52%（sigma/mean）。該結果為大尺寸4H-SiC外延批量性生產奠定了基礎。

關鍵詞：4H-SiC? 生長源氣? 摻雜源氣? 均勻性

High Uniformity 150mm 4H-SiC Epitaxial Growth

SUN Yongqiang

（EpiWorld International Co.， Ltd.， Xiamen， Fujian Province， 361101 China）

Abstract：Homo-epitaxial growth of 4H-SiC has been carried out on 4° off-axis 150 mm diameter substrates in a hot wall reactor. Based on the un-rotated situation， the deposition curves of process gas and doped-gas have been confirmed via the epitaxial thickness and concentration distribution. Then， the epitaxial growth is carried out by introducing support disc rotation， and the thickness and concentration distribution of epitaxial layer were measured， respectively. Finally， the thickness and concentration distribution of epitaxial layer were improved by adjusting the carrier gas ratio and optimizing the doping source distribution respectively. Based on our modified 150 mm 4H-SiC epitaxial growth process， excellent thickness and doping uniformities （sigma/mean） of 0.30% and 4.52 % have been achieved. These results lay a foundation for mass production of large-scale 4H SiC epitaxy.

Key Words： 4H-SiC; Process gas; Doped-gas; Uniformity

4H-SiC半導體材料因其優異的物理與化學性能，在中、高功率電力電子器件領域得到了廣泛的研究和應用。隨著器件制備工藝的不斷成熟，4H-SiC基功率器件已經在部分應用領域替代了傳統的Si基器件，但由于單管價格昂貴，直接制約了SiC基器件的更廣泛應用。為了降低器件制造成本，擴大晶圓尺寸是一種有效的方法，目前市場上能夠批量性銷售的4H-SiC外延晶片最大尺寸可以達到150mm。高品質的外延片不僅需要低表面缺陷密度，優異的厚度與濃度均勻性同樣非常重要。由于生長源（C源和Si源）和摻雜源（N2）在晶片表面徑向上的耗盡會受到工藝參數和生長環境等影響，隨著晶圓尺寸的不斷增大，外延層厚度與濃度分布控制難度也在不斷增加[1]。理論上源的耗盡方式有線性耗盡、二次函數耗盡和指數式耗盡3種[2]，通常認為4H-SiC外延生長過程中生長源為線性耗盡，通過引入基座旋轉應可以有效改善源氣在晶片上的耗盡差異，使得源氣耗盡在整個圓片上更加均勻性，從而得到理想的厚度分布;而外延時所用的摻雜源通常認為屬于指數式或二次函數式耗盡，基座旋轉的引入在一定程度上能夠改善摻雜源在徑向上的耗盡，但由于生長過程中晶片表面不同半徑位置的有效C/Si比差異較大或邊界區域源氣耗盡量不同，造成摻雜濃度可控性較差。所以，對150mm 4H-SiC外延層厚度和濃度均勻性進行優化是非常有意義的。目前，常見的用于改善4H-SiC外延層參數均勻性的方法有兩種。第一，是在外延生長過程中，可有選擇性地通入少量生長源氣（C源或Si源）至晶片表面固定區域，來改變晶片表面相應位置的有效C/Si，從而改善濃度分布。如J. J. Sumakeris等人報道在100mm 4H-SiC外延生長過程中，通過在襯底邊緣通入少量C3H8，使得外延層濃度容差由±15%提升至±1%左右，濃度均勻性得到明顯改善，但是該方法會導致外延表面缺陷數量較高，缺陷密度達到了2cm-2。第二，通過調整不同氣體支路的載氣流量來調整生長源氣分布，從而可以有效改善厚度均勻性，同時還可以通過調整源氣C/Si比來進一步優化外延層的濃度均勻性[3]。以上兩種方法，在76.2mm和100mm 4H-SiC外延厚度與濃度均勻性調試方面得到了有效驗證，但是對于150mm 4H-SiC外延層的濃厚度均勻性調試報道甚少。

1? 實驗

本實驗使用單片熱壁CVD系統進行4H-SiC外延生長，該系統采用三路水平進氣，三路載氣（H2）的比例為1：3：1。所用基板為沿[11-20]方向偏4°斜切的150mm 4H-SiC襯底，外延生長過程中，襯底放置于承載基座上，可以通過調整氣浮氣體流量來調節基座的旋轉速度。本實驗首先在基座不旋轉狀態下進行150mm 4H-SiC同質外延生長，使用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）和汞探針CV（MCV）對所得外延片進行厚度和濃度檢測，得到生長源和摻雜源（N2）沿著水平于進氣方向和垂直于進氣方向上的耗盡分布曲線;然后在保持其他工藝參數不變的狀態下，引入氫氣吹掃晶片承載基座，使得晶片在旋轉狀態下進行外延生長，測量出旋轉狀態下所得外延片的厚度及濃度分布曲線;最后通過調整不同氣路源氣的分配來改善厚度均勻性，同時通過調整不同進氣管路中的氮氣摻入量，進一步優化外延層濃度均勻性。

2? 結果與討論

2.1? 厚度均勻性

4H-SiC外延生長過程中，生長源氣通過進氣端通入反應室，在高溫狀態下發生分解反應，并以Si-C雙原子鍵的形式沉積在4H-SiC襯底表面，完成晶格復制，晶片表面不同區域的厚度值與該區域生長源的耗盡量密切相關。為了得到生長源氣在沿氣流方向和垂直氣流方向上的耗盡量，我們嘗試將承載基座設定為不旋轉狀態，使用150mm 4H-SiC襯底進行外延生長。通過測量所得外延層不同位置的厚度值來得到生長源在襯底上的耗盡情況。圖1（a）所示為晶片未旋轉狀態下生長的4H-SiC外延層的厚度分布情況，其中“X軸”為平行于進氣方向上的厚度分布，“Y”軸為垂直于進氣方向上的厚度分布，從圖中可以看出，沿著進氣方向上，外延層厚度逐漸遞減（從18.5μm減少至5.5μm），源氣在前端耗盡速度明顯高于后端，整條曲線基本呈線性分布，說明源氣在徑向上的耗盡速度基本保持不變。垂直于進氣方向上的外延層厚度值呈現均勻分布，厚度值為11μm左右，說明在垂直于進氣方向上，源氣的耗盡速度相同。該結果與文獻報道結果一致，4H-SiC外延生長過程中，源氣的耗盡方式為線性耗盡。該狀態下，通過引入基座旋轉應可得到相對均勻的厚度分布。我們嘗試引入氫氣對承載基座底部進行吹掃，使晶片保持在固定轉速狀態下進行外延生長。同樣沿垂直于氣流方向和水平氣流方向對所得外延片逐點進行厚度檢測，測量出的厚度分布如圖1（b）所示，從圖中可以看出整個外延層厚度呈中心對稱，所有測量點的厚度值介于10.82～11.23μm之間，差距較小，均勻性（sigma/mean）為1.07%。

以上結果表明，引入基座旋轉，所得4H-SiC外延層厚度分布更加均勻，但是從整體曲線分布可以看出中間區域厚度值明顯高于邊界區域。這可能是由于晶片邊緣區域更接近限位圓環所致。晶片生長過程中，為了避免晶片飛出承載盤，通常需要在承載基座邊緣放置限位圓環，該配件略微高出晶片表面，生長源氣在向晶片表面擴散時，受到限位圓環的遮擋，同時有少量源氣會在限位圓環上耗盡，從而導致晶片邊界區域的有效源氣量減少，最終使得晶片邊界厚度偏薄。為了進一步優化厚度分布，得到更好的厚度均勻性，我們在保持總載氣流量不變的情況下，嘗試調整三路載氣的流量比例，由1：3：1調整至1.01：2.98：1.01，提高邊路的載氣量，同時降低中路的載氣量。4H-SiC外延生長過程中，源氣作為前驅氣體會在前段管道中充分混合均勻，然后經過進氣端進入反應室，該方法可以有效增加邊路的源氣量，從而提高邊路的生長速度，同時降低了中路的生長速度。圖1（c）所示為載氣比例調整后的外延層厚度值分布，結果表明外延層厚度分布均勻，所有測量點的厚度值介于10.99～11.12μm之間，差距明顯減少，所得外延片厚度均勻性為0.30%（sigma/mean），明顯優于優化前的外延結果。

2.2? 濃度均勻性

4H-SiC外延生長使用的N型摻雜源通常為N2，常溫下氮氣分子中的N≡N鍵非常穩定，鍵能為226Kcal/mol，升溫至1600℃時，N2分子分解為氮原子的比例不足千萬分之一，外延生長過程中應該不會有很多氮原子摻入晶格，對于4H-SiC 的N型摻雜貢獻極小[4]。實際上在4H-SiC外延生長時，由于生長源氣中的碳源氣體會分解生成很多CH3，氣氛中足量的H和CH3可以破壞掉N≡N鍵組合成HCN團簇，根據文獻報道，該團簇可以很容易融入進4H-SiC晶格，從而形成N型摻雜。4H-SiC外延層中N原子的離化率可以接近100%，所以可以通過測量外延層中不同位置N型載流子的濃度值，來確定HCN團簇在該位置的消耗量，從而得到活性分子HCN在腔體內不同位置的消耗情況[5-6]，間接獲得摻雜源N2在晶片不同位置的消耗情況。與確認生長源耗盡方式類似，為了確認摻雜源在晶片上的消耗情況，我們將基座設置為不旋轉狀態進行外延生長，所得外延片同樣沿“十”字交叉的兩個方向進行濃度檢測。測量結果如圖2（a）所示。從圖中可以看出平行于氣流方向，濃度曲線呈指數式分布，濃度值由3.6e15cm-3逐漸升高至1.8e16cm-3。垂直于氣流方向，濃度曲線呈二次函數分布，中間區域濃度值略高于兩側邊界位置，這可能是因為晶片兩側更靠近限位圓環，圓環上耗盡的源氣生成的主要產物為3C-SiC，該過程中摻雜活性分子HCN的消耗量較大，從而導致到達晶片邊界區域的HCN基團相對偏少。

為了得到對稱的濃度分布曲線，了解旋轉狀態下的濃度均勻性，嘗試在保持其他工藝參數不變的條件下，引入氫氣吹掃承載基座底部使得晶片發生旋轉。所得外延片的濃度分布曲線如圖2（b）所示，可以看到濃度分布沿中心對稱，整個晶片中心區域濃度值高，邊界區域濃度值低，如上所述，這可能與晶片邊界區域的摻雜活性分子HCN相對偏少有關，整片濃度均值為7.9e15cm-3，濃度均勻性為8.55%（sigma/mean）。

通過引入基座旋轉，在150mm 4H-SiC外延生長時得到了較好的濃度均勻性，但是該均勻性依然較差，無法滿足大尺寸芯片的制備需要。為了進一步優化濃度均勻性，計劃調整不同進氣管路中的氮氣摻入量。對于4H-SiC外延N型摻雜生長，據文獻報道，4H-SiC外延生長，在一定摻雜濃度范圍內，摻雜源的摻入量與所得外延層的摻雜濃度值呈線性關系。為了驗證外延系統是否適用此線性關系，我們在固定其他外延工藝參數不變的情況下，設置6組不同的氮氣摻入量進行外延生長，使用MCV對每片晶片進行濃度檢測并計算出該片的濃度均值，得到6片外延片的濃度均值與氮氣摻入量關系如圖3（a）所示。從圖中可以看出，在該生長系統中，當濃度均值介于1e15～8e16之間時，4H-SiC外延層的濃度值與氮氣摻入量呈線性關系，與文獻報道結論相同，我們將擬合出的直線線性延長，延長線在Y軸上的截距為0.367，說明該工藝狀態下的4H-SiC外延背景濃度約為3.67e14cm-3，這對于濃度控制和高壓器件應用非常有利。基于該系統中摻雜源流量與摻雜濃度值呈線性分布，我們通過線性計算，將進氣端邊路的N2流量提高至7.3 sccm，使用6英寸 4H-SiC襯底繼續進行外延生長。所得外延片的濃度分布曲線如圖3（b）所示，曲線呈中心對稱分布，不同點位的濃度值差距較小，濃度均勻性由原來的8.55%（sigma/mean）提高至4.52%，濃度均勻性得到了顯著提升。采用該方式調整濃度分布曲線，操作簡便，無需改造設備引入生長源，或者改變源氣C/Si，在不影響外延結晶質量和生長速度的同時，就可得到較為理想的濃度分布。

3? 結語

本文采用單片熱壁外延生長爐在150mm 4H-SiC襯底上進行外延生長，所得外延片沿水平和垂直于氣流方向逐點進行厚度和濃度值檢測。通過引入承載基座旋轉，優化載氣比例和調整氮氣摻入量，得到了較好的厚度和濃度分布，所得外延片厚度均勻性為0.30%（sigma/mean），濃度均勻性為4.52%（sigma/mean），為大尺寸4-SiC批量性生產制造提供了基礎。

參考文獻

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