碳化硅(SiC)在大功率、高溫、高頻等極端條件應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的前景。但盡管商用4H-SiC單晶圓片的結(jié)晶完整性最近幾年顯著改進(jìn)，這些晶圓的缺陷密度依然居高不下。經(jīng)研究證實(shí)，晶圓襯底的表面處理時(shí)間越長，則表面缺陷率也會(huì)跟著增加。

　　

碳化硅(SiC)兼有寬能帶隙、高電擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和速率等特性，在大功率、高溫、高頻等極端條件應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的前景。盡管商用4H–SiC單晶圓片的結(jié)晶完整性最近幾年顯著改進(jìn)，但這些晶圓的缺陷密度依然居高不下。

　　

經(jīng)研究證實(shí)，晶圓襯底的表面處理時(shí)間越長，則表面缺陷率也會(huì)跟著增加。表面缺陷嚴(yán)重影響SiC元件品質(zhì)與矽元件相比，碳化硅的能帶隙更寬，本征載流子濃度更低，且在更高的溫度條件下仍能保持半導(dǎo)體特性，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溫度運(yùn)作。碳化硅的高電擊穿場強(qiáng)和高熱導(dǎo)率，結(jié)合高工作溫度，讓碳化硅元件取得極高的功率密度和能效。

　　

如今，碳化硅晶圓品質(zhì)和元件制造制程顯著改進(jìn)，各大半導(dǎo)體廠商紛紛展示了高壓碳化硅解決方案，其性能遠(yuǎn)超過矽蕭特基勢壘二極體(SBD)和場效應(yīng)電晶體(FET)，其中包括阻斷電壓接近19kV的PiN整流管；擊穿電壓高于1.5kV的蕭特基二極體；擊穿電壓高達(dá)1.0kV的 MOSFET。

　　

對(duì)于普通半導(dǎo)體技術(shù)特別是碳化硅元件，襯底材料的品質(zhì)極其重要。若在晶圓非均勻表面上有機(jī)械性紊亂區(qū)和氧化區(qū)，使用這些晶圓制造出的半導(dǎo)體元件，其產(chǎn)品性能將會(huì)受到影響，例如重組率提高，或者在正常工作過程中出現(xiàn)無法預(yù)見的性能降低現(xiàn)象。商用碳化硅晶圓需要機(jī)械拋光處理，晶圓表面容易被刮傷，經(jīng)?？吹骄A上有大量的刮痕。

　　

過去的研究報(bào)告證明，如果在外延層生長前正確處理襯底表面，晶圓襯底表面上的缺陷將會(huì)大幅減少，這是生長高品質(zhì)外延層的關(guān)鍵所在。我們知道，氫氣蝕刻方法可以去除數(shù)百奈米的體效應(yīng)材料，從而改善晶圓表面的缺陷問題。

 

S. Soubatch等科學(xué)家研究了在1,400～1,600℃溫度范圍內(nèi)氫氣氣相蝕刻方法對(duì)零偏4H-SiC(0001)晶圓的形貌和結(jié)構(gòu)的影響。在1,600℃高溫時(shí)，兩種不同的蝕刻缺陷比較常見，分別是在臺(tái)階流程式蝕刻期間形成的缺陷，以及結(jié)構(gòu)性蝕刻缺陷。

　　

前者包含大階梯和全晶包高度臺(tái)階，后者則以螺型位錯(cuò)為典型。最好的表面形貌是有一系列等距臺(tái)階的區(qū)域，生長在1,400℃。

　　

C. Hallin等科學(xué)家研究了采用氫氣和氫丙烷蝕刻系統(tǒng)的4H-SiC和6H-SiC襯底表面原位制備方法。研究發(fā)現(xiàn)，蝕刻后4H零偏表面更加不規(guī)則，有大臺(tái)階區(qū)和蝕坑，可能原因是在缺陷區(qū)蝕刻速率較高；與表面平行的微管和晶粒邊界變大，形成三角形蝕坑，表面滲有微管和其它位錯(cuò)。然而，我們在4H氫氣蝕刻晶圓上看到更寬的帶狀缺陷，即層錯(cuò)。透過在氫氣蝕刻流程增加丙烷，可以取得最佳的蝕刻條件，可去除刮痕而不留下任何矽滴痕跡。

　　

該實(shí)驗(yàn)研究了襯底表面的氫氣蝕刻時(shí)間對(duì)4H-SiC外延層缺陷的影響，同時(shí)還用AFM分析法研究蝕刻時(shí)間對(duì)外延層表面的影響。

　　

　　

本文利用一臺(tái)商用低壓力熱壁化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)反應(yīng)器，將蝕刻時(shí)間擴(kuò)至正常生產(chǎn)所用時(shí)間的三倍，觀察研究生長前蝕刻時(shí)間對(duì)同質(zhì)外延層的影響。經(jīng)過檢查與分析發(fā)現(xiàn)，蝕刻時(shí)間與缺陷率之間關(guān)系明顯。此外，汞探針CV和FT-IR測量結(jié)果證明，摻雜和晶圓厚度均勻性也與蝕刻時(shí)間有關(guān)系。

　　

該實(shí)驗(yàn)使用反應(yīng)器完成同質(zhì)外延層生長，透過SiH4/C3H8系統(tǒng)分別供給矽和碳。載氣和外延層生長還原劑使用高純度工業(yè)級(jí)氫氣氣體；添加10%的氮?dú)鈿怏w充當(dāng)摻雜劑。本實(shí)驗(yàn)中使用的反應(yīng)器是東京威力科創(chuàng)出品的商用低壓力熱壁化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器。在偏向方向4°的4H-SiC(0001)矽面n-型(～1018at/cm-3)襯底上，生長1E16 at/cm3 n-摻雜濃度的n-SiC外延層，以避免外延層上形成粗糙的馬賽克圖形。

　　

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)中高壓二極體或MOSFET生長9.0微米薄膜外延層；操縱變因?yàn)槲g刻時(shí)間，分別使用二分之一參考蝕刻時(shí)間、參考蝕刻時(shí)間、兩倍參考蝕刻時(shí)間和三倍參考蝕刻時(shí)間來研究其外延層的研究生長過程；摻雜濃度為1E16 atm/cm3。

　　

KLA-Tencor Candela CS920是一個(gè)晶圓表面缺陷檢查系統(tǒng)，可以在一個(gè)單一檢測平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)表面探測和光致發(fā)光(PL)技術(shù)，用于檢測微蝕坑、蘿卜狀蝕坑、彗星狀蝕線、三角形蝕坑和層錯(cuò)等表面缺陷。透過參數(shù)不同的通道之間的交叉相關(guān)（鐳射波長、表面角度、散射光幅度），實(shí)現(xiàn)巨集微缺陷檢測和自動(dòng)分類。

　　

汞探針電容電壓(Hg-CV)測量法用于評(píng)估摻雜濃度(從原級(jí)平臺(tái)到頂部直徑是17點(diǎn))。摻雜濃度固定為1。

 

其他儀器方面，本實(shí)驗(yàn)使用傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)測量樣品厚度。表面分析實(shí)驗(yàn)則使用Dimension 3100原子力顯微鏡(AFM)。顯微鏡為接觸測量模式，裝備一個(gè)單晶矽針尖。為取得更大的掃描區(qū)域，掃描尺寸是90×90μm2，掃描速率是1.0Hz。

　　

生長過程中的層錯(cuò)(SF)是比較常見的層內(nèi)缺陷，一般是在外延層生長初期開始成核(Nucleated)，可能導(dǎo)致雙極元件的正向壓降變大?；嫖诲e(cuò)(BPD)是蕭特基二極體層錯(cuò)的核心，在雙極元件工作過程中擴(kuò)大，導(dǎo)致雙極元件的正向特征變差。

　　

為了在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后降低襯底表面粗糙度，氫氣表面蝕刻是生長過程中的一個(gè)關(guān)鍵程序，但是會(huì)放大襯底位錯(cuò)現(xiàn)象。層錯(cuò)密度是氫氣表面蝕刻時(shí)間的函數(shù)，我們使用PL方法分析該參數(shù)的趨勢，如圖1所示，當(dāng)表面蝕刻時(shí)間是參考蝕刻時(shí)間的一半和三倍時(shí)，層錯(cuò)密度從0.6%上升到0.9%。

 

圖1.層錯(cuò)密度是蝕刻時(shí)間的函數(shù)，隨蝕刻時(shí)間增加而上升。

　　

我們觀察到，表面缺陷密度與蝕刻時(shí)間具有相同的函數(shù)關(guān)系。如圖2所示，表面缺陷密度隨著氫氣蝕刻時(shí)間變長而升高。襯底表面蝕刻時(shí)間延長導(dǎo)致襯底位錯(cuò)嚴(yán)重，結(jié)果在外延層出現(xiàn)更多的表面缺陷和層錯(cuò)。

 

圖2.表面缺陷密度與蝕刻時(shí)間呈函數(shù)關(guān)系。

 

　　

我們發(fā)現(xiàn)，氫氣蝕刻制程可以改進(jìn)表面形貌，但同時(shí)也在外延層上引起不同類型的微階褶(SB)和整體階褶現(xiàn)象。AFM表面粗糙度分析表明，階褶會(huì)影響對(duì)樣品表面均勻性。兩個(gè)樣品都顯示一個(gè)約6nm高、1μm寬的階褶。圖3顯示了x0.5(左圖)和x3(右圖)樣品在階褶密度上存在明顯差異。

 

圖3.不同蝕刻時(shí)間會(huì)在晶圓表面留下不同程度的階褶。圖左的蝕刻時(shí)間為二分之一參考時(shí)間，圖右為三倍參考時(shí)間。

　　

圖4a和圖4b分別描述了階褶數(shù)量和表面均勻度隨蝕刻時(shí)間增加而發(fā)生的變化。具體講，如圖4a所示，階褶是蝕刻時(shí)間的函數(shù)，隨蝕刻時(shí)間增加而提高。測量值是在不同測量區(qū)的不同測量值的平均數(shù)。從這些測量值看，我們在晶圓上發(fā)現(xiàn)SB晶圓均勻性(Sigma/Mean)存在差異。透過延長蝕刻時(shí)間評(píng)估均勻性惡化，我們發(fā)現(xiàn)在x3樣品內(nèi)有高階褶密度區(qū)，而x0.5樣品的均勻性更好(在每個(gè)被分析部分，大約有2個(gè)階褶)。

 

圖4.圖A為階褶數(shù)量與蝕刻時(shí)間的關(guān)系。圖B表面均勻度與蝕刻時(shí)間的關(guān)系。

　　

本文分析討論了生長前氫氣蝕刻時(shí)間和缺陷密度之間的關(guān)系。事實(shí)上，透過發(fā)光致光和光分析方法，我們發(fā)現(xiàn)層錯(cuò)形式的外延層缺陷和表面缺陷的數(shù)量隨蝕刻時(shí)間增加而增多。增加氫氣蝕刻時(shí)間后，襯底位錯(cuò)變大，外延層缺陷數(shù)量增多。AFM分析結(jié)果顯示，階褶密度和均勻性會(huì)隨著氫氣表面蝕刻時(shí)間增加而提高。