影响SiC外延生长速率的相关因素探讨

影响SiC外延生长速率的相关因素探讨
丁杰钦;陈特超;林伯奇;龙长林;杨一鸣;龚杰洪
【摘要】研制了水平热壁式外延沉积系统,设计了双加热器温控系统和水平三层流喷淋系统,介绍了温场和流场获得方法.在偏4°的Si面4H-SiC单晶衬底上进行了工艺验证.研究了生长温度、C/Si以及SiH 4流量对SiC外延生长速率的影响,通过主要参数的综合调整,生长出了表面光滑的SiC外延膜.
【期刊名称】《电子工业专用设备》
【年(卷),期】2017(046)005
【总页数】4页(P14-17)
【关键词】三层流喷淋头;4H-SiC;C/Si比;生长速率
【作者】丁杰钦;陈特超;林伯奇;龙长林;杨一鸣;龚杰洪
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙410111
【正文语种】中文
【中图分类】TN304.054
碳化硅（SiC）为第三代宽禁带半导体，由于其独特的材料特性，以其制作的电力电子器件与硅基电力电子装置相比，具有更高耐压、更低导通压降、更高的工作频
率和更高的工作温度，可以更好地满足电气工程领域的技术发展需求[1-3]。

外延是SiC器件制造工艺中不可或缺的重要一环。

为了得到高质量的外延膜，从
设备角度来说，需要提供均匀和稳定的温场和流场。

同时为了解决在用大尺寸载片盘进行生长时，生长源沿载片盘径向耗尽问题，需要对载片盘系统进行特殊设计，以保证在外延膜的厚度和掺杂浓度均匀性。

从工艺方面来说，厚外延是SiC材料
领域的技术趋势之一，而厚膜的生长需要较高的生长速率来保证。

尽管SiC外延
工艺越来越成熟，但是在多片外延系统中，在保持外延膜晶体质量的前提下，尽量提高生长速率是面临的主要问题。

本文构建了水平热壁CVD系统。

结合温场和流场仿真，设计了双加热器温控系统和三层流喷淋系统。

同时配合用H2驱动的行星运转载片盘，对影响外延生长速率的相关因素进行了研究，在高生长速率下生长出了表面光滑的SiC外延膜。

本实验是在中国电子科技集团公司第四十八研究所M85150-1/UM型SiC外延生长炉上进行。

它采用内置双加热器结构，轴向气力驱动行星运动工件台，能实现每炉6片100 mm(4英寸)衬底的小批量生产。

温度场采用内置双加热线圈设计，其结构如图1所示。

加热器1主要用于载片盘
的加热，外延片的温度主要受此加热器的影响，加热器2用于加热顶盖石墨盘，
起辅助作用。

为了提高加热效率和升温速率，设备采用射频感应加热，线圈的匝数、形状和螺距都经过一系列的仿真设计。

气流场采用三层流方式，如图2所示。

上路进行H2吹扫，以隔离反应气体和顶盖石墨盘，减少生长源在顶盖的吸附沉积。

中路为H2携带反应气体进入反应室。

下路主要为掺杂源N2进入，以利于杂质原子的均衡分布，进而得到较好的掺杂浓度均匀性。

为了缓解生长源沿载片盘径向的耗尽现象，同时进一步提高温场均匀性，设计了行星运转载片盘，如图3所示。

载片盘采用挖槽工艺，在每个行星盘的下方进行挖
槽，凹槽的末端打孔并通过内槽连接至载片盘中心的石墨盖板处，以使H2从中流出以驱动行星盘旋转。

实验的生长温度为1 580～1 650℃，压力为(1.5～2.0)×104Pa，三路H2的总流量约为76～96 L/min。

采用经钯管纯化的高纯H2作为载气及稀释气体，SiH4和C3H8作为生长源。

使用偏〈11-20〉方向4°的Si面4H-SiC衬底进行生长，1 400℃时开始进行HCl刻蚀，在刻蚀的同时升温至目标温度，用小流量SiH4和
C3H8进行缓冲层生长，然后缓慢将生长源提升至目标流量进行外延生长。

C/Si 变化在0.9～1.0，低流量SiH4不用HCl，相对高流量SiH4采用一定量HCl辅助生长，生长时间设定为1 h。

利用DVM5000 HD显微镜对外延层表面形貌进行观察，用SU8010扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶转换红外光谱仪（FTIR）进行厚度测试。

外延生长过程中涉及的各种化学反应都受到温度的直接影响。

生长温度过高或过低都不利于SiC薄膜的生长，生长温度过高时原子的动能较大，在合适位置被吸附之后还能够继续移动，从而使吸附原子不能停留在自由能较低位置处，形成不规则排列；生长温度过低时，沉积在衬底表面上的原子冷却过快，无法在衬底上继续迁移，从而形成无定形结构。

根据阿伦尼乌斯公式：
化学反应速率常数随温度升高而指数增加，故SiC外延薄膜的生长速率会随温度的升高而增加。

从本文实验结果来看，随着生长温度增加，SiC外延生长速率有一定的增长，与理论结果较为相符。

但是随着温度的增加，外延膜表面起伏较大，甚至出现了明显的集束效果，如图4所示。

因此生长温度过高也会取得负面效果。

另外有文献表明，温度过高会导致背景杂质浓度过高，本文后续将做进一步试验。

生长速率随C/Si比的变化如图5所示，生长时SiH4=128 ml/min，生长温度为1 600℃，Cl/Si=3.0。

从图中可看出，SiC外延生长速率随C/Si比的增加有缓慢增长。

在SiH4-C3H8-H2体系中，含C的气相产物以C2H2和CH4为主。

由于
CH4在SiC表面的低附着系数，真正对SiC外延生长起作用的是C2H2。

C2H2
的摩尔分数随着生长源流量的加大而增加，这个效果将导致SiC(0001)表面的C覆盖率上升，从而使得生长速率加快。

有文献表明[4,5]，随着生长源流量的加大，当SiH4浓度达到一定程度后将会发生气相成核，形成Si团簇，Si团簇很容易被载气H2带走，对SiC外延生长速率基
本上不起作用，这将导致Si的使用效率降低，从而使得生长速率趋缓。

从图中看出，当SiH4流量提升至128 ml/min并未明显影响生长速率，可见在此SiH4流
量下外延生长速率并未饱和。

低流量SiH4不用HCl，相对高流量SiH4采用一定量HCl辅助生长，图6是生长速率随SiH4流量的关系图，工艺过程中生长温度=1 600℃，Cl/Si=3.0。

从图中
可以看出，在其它条件不改变的情况下，只改变气体源流量，即增大SiH4与
C3H8流量（C/Si比保持不变），生长速率随之增加，生长速率和生长源流量成
正比关系。

当SiH4流量达到128 ml/min时，生长速率可以提高至约21 μm/h，如图7所示。

研制了水平热壁式化学气相沉积系统并对其进行了工艺验证，并研究了主要工艺参数与生长速率的关系。

在偏4°的硅面4H-SiC单晶衬底上进行了外延试验。

随温
度升高生长速率呈现增加趋势，但到一定温度后速率不变，温度再升高则表面变得粗糙且产生集束。

在一定范围内，生长速率随C/Si比的增大而缓慢增加。

SiH4流量对生长速率的影响最大，其与SiH4流量近似成正比例关系。

通过主要参数的调整，在本装置上生长出了表面光滑的SiC外延膜。

【相关文献】
[1] Hassan Ju，Henry A，Bergman Jp，et al.Epitaxial growth of thin 4H-SiC layers with uniform doping depthprofile[J].Thin Solid Film，2006，515(2)：460-463.
[2] Le-Huu M，Schmitt H，Noll S，et al.Investigation of the reliability of 4H-SiC MOS devices for high temperature applications[J].Mi-croelectronics Reliability，2011，51(8)：1346-1400.
[3] LaVia F.Silicon Carbide Epitaxy[M].Kerala：Research signpost，2012.120-125.
[4] LaVia F，Galvagno G，FirrincieliA，et al.Epitaxial layers grow with HCl addition：a comparison with the standard process[J].Materials Science Forum，2006，(527-529)：163-166.
[5] LaVia F，LeoneS，MauceriM，et al.Very high growth rate epitaxyprocesses with chlorine addition[J].Materials Science Forum，2007，(556-557)：157-160.。