氢气体积流量对n型4H-SiC同质外延生长的影响
随着电力电子技术的发展进步,以第一代硅和第二代砷化镓为主的半导体材料已经趋于极限,无法满足当今严苛多变的工作环境需求,因此迫切需要开发新型半导体材料。
碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的代表,具有禁带宽、临界击穿场强高、热导率高、技术成熟等优点,可以广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网等高温、高频、大功率领域,被认为是解决能源紧缺和环境污染最有前景的半导体材料之一。
近年来,虽然碳化硅技术有了重大突破且发展迅速,但高表面缺陷密度和制备成本仍限制着碳化硅单晶和外延片的广泛应用。首先碳化硅器件均需在高质量、参数可控的碳化硅外延片上进行制备。
在实际生产中SiC与H2是在高温下进行反应的,H2对生长速率和表面质量均产生影响。在外延过程中产生的划伤、掉落物、三角形、彗星及胡萝卜等是致命级缺陷,这些缺陷会将二极管击穿电压降低65%以上,导致其失效。
本文使用三氯氢硅+C3H8+H2的气体体系进行碳化硅同质外延生长,通过调节外延过程中氢气体积流量等关键参数,在较高生长速率下成功制备出高质量、高稳定性的碳化硅外延片,同时结合理论分析研究了氢气体积流量对外延生长的影响。
一、实验方法
在商业化偏4°导电型4H-SiC衬底上利用水平热壁式CVD外延炉以TCS+C3H8+H2气体体系进行外延层厚度为12.0μm、载流子浓度为7×1015cm-3的同质外延生长,其中TCS和C3H8分别为硅源和碳源,H2为载气,N2为掺杂源,生长压力为50~200mbar,生长温度为1550~1650℃。
在实验过程中通过调整氢气的体积流量控制外延生长。实验过程中使用傅里叶红外膜厚仪和汞探针测试设备对外延层的厚度和掺杂浓度进行测量表征;采用表面缺陷检测仪对表面缺陷进行分析测量;利用金相显微镜对外延层的表面缺陷特征进行观察和识别。
二、讨论
不同反应物体系的CVD同质生长技术的主要过程基本一致,可以分为:①混合气体分子进入滞流层;②混合气体分子在浓度梯度驱动下扩散穿过滞流层,并吸附在衬底表面;③混合气体分子在衬底表面的分解和迁移过程;④反应副产物的解附及通过滞流层的外扩散过程。
外延的生长速率与上述四个步骤均有关,且服从最低速率控制机制。对于常/减压外延来说,吸附/解吸过程所用时间远短于扩散过程与化学反应过程,因此生长速率主要取决于扩散过程与化学反应过程。
氢气体积流量对外延生长速率的影响,氢气体积流量由80L/min增大到120 L/min,生长速率可增加2μm/h,但随着氢气体积流量的继续增加,生长速率反而降低,同时缺陷增多。在高温CVD外延生长时,生长速率阶段性变化的主要原因如下。
生长速率由气相质量转移系数和表面化学反应速率共同决定,其中实验中化学反应速率是固定的,而气相质量转移系数则受滞流层影响。滞流层厚度为气体体积流量的函数,即气体的黏滞系数主要是由不同气体体积流量的相邻流体层间发生的动量交换产生的。
气体动量随温度的升高而增大,进而使滞留层流速加快。气体流速由体积流量决定,即气体体积流量增加,滞流层厚度减小。因此随着氢气体积流量的增加,滞流层厚度减小,气相扩散加快,从而生长速率增加。
但当氢气体积流量过大时,大量的析出氢难以及时离开在本实验中外延生长处于低压状态,硅的脱附得到增强。当氢气体积流量较小时,对表面亚损伤去除不彻底,会导致表面缺陷的增加,可能产生划伤、三角形、掉落物、彗星及胡萝卜等缺陷,这些缺陷会使二极管击穿电压降低65%以上,导致其失效。
当氢气体积流量过大时,使得足够的H与C反应,可逆反应向CH4方向加快进行,从而加快碳的去除速率,近表面的C/Si比降低,导致表面形成严重大台阶及硅滴等致命缺陷。氢气的体积流量作为外延生长过程中的关键参数,对外延表面粗糙度有极大的影响。
当氢气体积流量从基础值80L/min增加至120L/min时,外延片的粗糙度由0.116nm增大至0.135nm。随着氢气体积流量的增大,表面粗糙度增加,会影响外延片表面质量。外延层的质量主要包括电参数和缺陷密度两部分,其器件应用领域不同,电参数不同,外延层厚度和载流子浓度也随之变化,厚度从几微米至上百微米,载流子浓度从1017cm-3至1015cm-3不等。
其中外延载流子浓度会受衬底和腔体环境等因素的影响,导致载流子浓度和均匀性均难以精确调控,因此外延层的均匀性和片间稳定性控制是外延工艺的难点之一。
