低表面缺陷密度的4H-SiC 外延生长

孙永强

瀚天天成电子科技（厦门）有限责任公司 福建厦门 361101

近年来，基于4H-SiC 半导体材料的高压高功率器件得到了广泛的研究和发展。而低表面缺陷的4H-SiC 外延膜层是制备高可靠性功率器件的必要条件。常见的4H-SiC 外延表面缺陷有接近20种[1]，其中对器件影响最大的致命性缺陷包括以下几种：掉落物、三角形缺陷、慧尾缺陷、胡萝卜缺陷和直线型缺陷。为了降低甚至消除这些缺陷，很多高校和科研院所都进行了大量研究，如降低C/Si 比或者提高生长温度来提高原子在台面上扩散速度，确实能够抑制外延形貌缺陷的生成。但是这两种方法也会牺牲外延层的其他参数，如过低的C/Si 比会使得背景浓度偏高和浓度不均匀性变差，过高的生长温度会导致外延层台阶聚集的出现，导致外延表面粗糙度增加。本文尝试通过优化外延生长前的原位刻蚀工艺，来降低外延层表面缺陷。通过对比不同刻蚀气氛对4H-SiC 外延表面的影响，寻找到合适的原位刻蚀气氛并进行优化，得到了低缺陷密度的4H-SiC 外延层。

1 实验

本文使用的外延生长设备为旋转式单片热壁反应炉，单炉产能为1 片6 寸或4 寸4H-SiC 晶片。本实验中使用的衬底材料为沿<11-20＞方向偏4°的150mm 硅面N 型导电4H-SiC 衬底。实验采用三种不同的刻蚀气氛进行验证：样品A 采用纯H2 刻蚀；样品B 的刻蚀气体为H2+TCS，其中TCS 流量为20sccm；样品B 的刻蚀气体为H2+C2H4，C2H4 流量为10sccm。三片样品刻蚀完成后，均采用相同外延工艺进行外延层生长，外延层厚度约12μm。实验中采用CandelaCS920 对外延片表面缺陷进行测量并分类统计，采用原子力显微镜AFM 对外延层表面台阶聚集以及表面粗糙度情况进行检测。

2 结果与讨论

图1 所示为样品A 的表面形貌缺陷分布图（Candela CS920），由于衬底右上角有大量的微管缺陷，从图中可以看出外延片右上角有大量的三角形聚集，除该区域外，晶片其他区域的缺陷很少，该晶片表面质量较好。三片外延样品表面形貌缺陷数量统计见表1，从结果来看，三种刻蚀工艺中，掉落物方面差距不大，说明三种刻蚀气氛均不会引起炉内环境波动；三角形和慧尾缺陷，当刻蚀气氛中通入TCS 时，数量明显比其他两种刻蚀工艺要少，当刻蚀气氛中通入C2H4，这两种缺陷有明显增加的趋势，这一结论和其他研究机构相类似，在4°偏角4H-SiC 衬底上外延时，通入硅源进行生长前刻蚀有利于衬底缺陷的愈合或转换[2]；对于胡萝卜和直线型缺陷，与三角形缺陷类似，刻蚀气氛为纯H2 或者通入C2H4 时，会更容易出现。以上三种刻蚀工艺，纯氢气刻蚀和载气中通入TCS进行刻蚀能够得到最好的外延表面状态，缺陷数量较少。

表1 不同刻蚀气氛下，150mm4H-SiC 外延表面致命性缺陷数量统计对比

为了进一步确认以上三种不同刻蚀气氛对外延层的表面粗糙度的影响，我们对以上三片4H-SiC 外延片进行了AFM 检测，测量模式为轻敲模式，测量点均位于晶片中间位置，扫描范围为100μm×100μm。所得结果如图2 所示。图2（a）为样品A 的扫描图，表面平整光滑，没有看到明显的异常凹凸形貌，表面粗糙度（RMS）为0．18nm。

样品B 的AFM 扫描结果如图2（b）所示，表面均匀分布着点坑状形貌，且沿着台阶流方向呈弧形扩散，整个晶片表面粗糙度为0．36nm。对该区域进行更细致的AFM 扫描，结果如图3 所示，线性测量出该点坑凹凸的高度差约4nm 左右，点坑的宽度大小约2μm 左右。该现象与4H-SiC 晶片上出现硅滴时的AFM 形貌类似，但在显微镜或者CS920 检测过程中，并未发现明显的黑色点状硅滴残留，分析认为该点坑状缺陷可能是硅滴挥发后的残留印迹导致。偏角4°的4H-SiC 衬底在纯氢气气氛下刻蚀时，Si 原子和C 原子从衬底表面脱附的速度相近，当通入TCS 进行刻蚀时，气氛中Si 分压增加，抑制了晶片表面Si 原子的脱附，容易在晶片表面团聚成硅滴，同时气氛中富裕的Si 源组份容易聚集生成团簇，在晶片表面分解形成细小硅滴，当通入碳源进行外延生长时，气氛中的分压恢复均衡，这些细小硅滴在高温条件（1600-1700℃）下很快挥发，所以并未出现外延层包裹硅滴的情况，但是硅滴挥发残留的印迹会阻碍台阶流的扩展，生长源绕过该区域后，台阶流会恢复正常，从而形成点坑状的表面形貌，且沿着台阶流方向呈弧面扩散。该类点坑状缺陷我们在行星式外延多片生长系统中也有发现，如果通入SiH4 或生长时硅烷流量过大，都会出现该现象[3]。

图2 不同刻蚀气氛下，12μm 厚150mm4H-SiC 外延层表面AFM 扫 描 图：（a）、H2，RMS=0．19nm；（b）、H2+TCS， 有点坑状缺陷出现，RMS=0．36nm；（c）、H2+C2H4，出现巨型台阶，粗糙度差，RMS=1．41nm。

样品C 的AFM 扫描结果如图2（c）所示，外延表面布满台阶聚集，这些巨型台阶垂直于台阶流方向，由很多细小的台阶聚集而成，具有明显的周期性，表面粗糙度为1．41nm。对于巨型台阶的形成机理，已有很多文献进行过报道，主要有两种解释：一种是热动力学模型：4H-SiC 外延生长时，由于气氛或者温度等参数的改变，使得晶片表面能量出现波动，为了使得表面能降低，晶片表面会出现周期性的台阶聚集[4-5]；另一种是台阶动力学模型：由于4H-SiC 外延普遍使用偏角衬底进行生长，在气氛中源气的干扰和晶片表面原子悬挂键的相互作用下，不同原子台阶的运动速度不同，上一层台阶的生长速度可能会大于下一层台阶，导致台阶重叠形成周期性排列的台阶聚集[6]。显然我们的实验结果更符合热动力学模型，生长前晶片表面在碳气氛下刻蚀，会引起晶片表面处于富碳状态，使得晶片表面能显著升高，外延生长时，会更容易生成巨型台阶。

通过对比以上三种不同的刻蚀工艺，我们认为在该设备上使用4°偏角的150mm4H-SiC 衬底进行外延生长时，最理想的刻蚀气氛为纯氢气。我们还对刻蚀温度和刻蚀时间进行了优化，使用优化后的刻蚀工艺进行了外延生长，并与未优化刻蚀工艺生长出的外延片进行了对比，表面缺陷数量明显减少，缺陷密度由优化前的1．10cm-2 降低至优化后的0．31cm-2。其中三角形缺陷和胡萝卜位错与工艺关联性较大，可以看到优化工艺后的生长的外延片，这两种缺陷数量都很少，说明优化刻蚀工艺，对外延片表面缺陷控制是有效果的。图4（a）和（b）分别为刻蚀工艺优化前后的外延片对器件良率的影响图，管芯大小3mm×3mm，优化前的良率仅为89．7%，优化后的良率可以达到96．7%。

3 结语

本文采用单片热壁生长炉在偏4° 4H-SiC150mm 衬底上进行外延生长，使用表面缺陷分析设备和原子力显微镜对外延原位刻蚀工艺进行了研究。结果表明，通入乙烯或TCS 进行原位刻蚀会导致外延片表面出现台阶聚集或点坑状缺陷，不适合于4H-SiC 外延生长。采用纯氢气进行原位刻蚀，可以得到表面缺陷较少，无台阶聚集的高质量4H-SiC 外延层。通过进一步优化纯氢气刻蚀工艺下的刻蚀温度和刻蚀时间，得到了高品质的150mm4H-SiC 外延层，表面缺陷密度为0．31/cm2，折算晶片良率为3mm×3mm96．7%。