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碳化硅(SiC)在大功率、高温、高频等极端条件应用领域具有很好的前景
。但尽管商用4H-SiC单晶圆片的结晶完整性***近几年显着改进,这些晶圆
的缺陷密度依然居高不下。经研究证实,晶圆衬底的表面处理时间越长,
则表面缺陷率也会跟着增加。
碳化硅(SiC)兼有宽能带隙、高***穿场强、高热导率、高载流子饱和
速率等特性,在大功率、高温、高频等极端条件应用领域具有很好的前景
。尽管商用4H–SiC单晶圆片的结晶完整性***近几年显着改进,但这些晶圆
的缺陷密度依然居高不下。
经研究证实,晶圆衬底的表面处理时间越长,则表面缺陷率也会跟着
增加。表面缺陷严重影响SiC元件品质与矽元件相比,碳化硅的能带隙更宽
,本征载流子浓度更低,且在更高的温度条件下仍能保持半导体特性,因
此,采用碳化硅材料制成的元件,能在比矽元件更高的工作温度运作。碳
化硅的高***穿场强和高热导率,结合高工作温度,让碳化硅元件取得极
高的功率密度和能效。
如今,碳化硅晶圆品质和元件制造制程显着改进,各大半导体厂商纷
纷展示了高压碳化硅解决方案,其性能远超过矽萧特基势垒二极体(SBD)和
场效应电晶体(FET),其中包括阻断电压接近19kV的PiN整流管;击穿电压高
于1.5kV的萧特基二极体;击穿电压高达1.0kV的 mosFET。
对于普通半导体技术特别是碳化硅元件,衬底材料的品质极其重要。
若在晶圆非均匀表面上有机械性紊乱区和氧化区,使用这些晶圆制造出的
半导体元件,其产品性能将会受到影响,例如重组率提高,或者在正常工
作过程中出现无法预见的性能降低现象。商用碳化硅晶圆需要机械抛光处
理,晶圆表面容易被刮伤,经常看到晶圆上有大量的刮痕。
过去的研究报告证明,如果在外延层生长前正确处理衬底表面,晶圆
衬底表面上的缺陷将会大幅减少,这是生长高品质外延层的关键所在。我
们知道,氢气蚀刻方法可以去除数百奈米的体效应材料,从而改善晶圆表
面的缺陷问题。
S. Soubatch等科学家研究了在1,400~1,600℃温度范围内氢气气相蚀
刻方法对零偏4H-SiC(0001)晶圆的形貌和结构的影响。在1,600℃高温时,
两种不同的蚀刻缺陷比较常见,分别是在台阶流程式蚀刻期间形成的缺陷
,以及结构性蚀刻缺陷。
前者包含大阶梯和全晶包高度台阶,后者则以螺型位错为典型。***好
的表面形貌是有一系列等距台阶的区域,生长在1,400℃。
C. Hallin等科学家研究了采用氢气和氢丙烷蚀刻系统的4H-SiC和6H-
SiC衬底表面原位制备方法。研究发现,蚀刻后4H零偏表面更加不规则,有
大台阶区和蚀坑,可能原因是在缺陷区蚀刻速率较高;与表面平行的微管和
晶粒边界变大,形成三角形蚀坑,表面渗有微管和其它位错。然而,我们
在4H氢气蚀刻晶圆上看到更宽的带状缺陷,即层错。透过在氢气蚀刻流程
增加丙烷,可以取得***佳的蚀刻条件,可去除刮痕而不留下任何矽滴痕迹
。
该实验研究了衬底表面的氢气蚀刻时间对4H-SiC外延层缺陷的影响,
同时还用AFM分析法研究蚀刻时间对外延层表面的影响。
表面处理时间与缺陷率呈正函数关系
本文利用一台东京威力科创(Tokyo Electron)出品的商用低压力热壁
化学气相沉积(LP-CVD)反应器,将蚀刻时间扩至正常生产所用时间的三倍
,观察研究生长前蚀刻时间对同质外延层的影响。经过检查与分析发现,
蚀刻时间与缺陷率之间关系明显。此外,***探针CV和FT-IR测量结果证明,
掺杂和晶圆厚度均匀性也与蚀刻时间有关系。
该实验使用反应器完成同质外延层生长,透过SiH4/C3H8系统分别供给
矽和碳。载气和外延层生长还原剂使用高纯度工业级氢气气体;添加10%的
氮气气体充当掺杂剂。本实验中使用的反应器是东京威力科创出品的商用
低压力热壁化学气相沉积反应器。在偏向方向4°的4H-SiC(0001)矽面n-型
(~1018at/cm-3)衬底上,生长1E16 at/cm3 n-掺杂浓度的n-SiC外延层,
以避免外延层上形成粗糙的马赛克图形。
本实验针对中高压二极体或MOSFET生长9.0微米薄膜外延层;操纵变因
为蚀刻时间,分别使用二分之一参考蚀刻时间、参考蚀刻时间、两倍参考
蚀刻时间和三倍参考蚀刻时间来研究其外延层的研究生长过程;掺杂浓度为
1E16 atm/cm3。
KLA-Tencor Candela CS920是一个晶圆表面缺陷检查系统,可以在一
个单一检测平台上实现表面探测和光致发光(PL)技术,用于检测微蚀坑、
萝卜状蚀坑、彗星状蚀线、三角形蚀坑和层错等表面缺陷。透过参数不同
的通道之间的交叉相关(镭射波长、表面角度、散射光幅度),实现巨集微
缺陷检测和自动分类。