碳化矽(SiC)在大功率
、高溫、高頻等極端條件應用領域具有很好的前景。但盡管商用4H-SiC單(dan)晶(jing)圓(yuan)片(pian)的(de)結(jie)晶(jing)完(wan)整(zheng)性(xing)最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)顯(xian)著(zhe)改(gai)進(jin)，這(zhe)些(xie)晶(jing)圓(yuan)的(de)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)依(yi)然(ran)居(ju)高(gao)不(bu)下(xia)。經(jing)研(yan)究(jiu)證(zheng)實(shi)，晶(jing)圓(yuan)襯(chen)底(di)的(de)表(biao)麵(mian)處(chu)理(li)時(shi)間(jian)越(yue)長(chang)，則(ze)表(biao)麵(mian)缺(que)陷(xian)率(lv)也(ye)會(hui)跟(gen)著(zhe)增(zeng)加(jia)。

　　

碳化矽(SiC)兼有寬能帶隙、高電擊穿場強、高熱導率、高載流子飽和速率等特性

，在大功率、高溫、高頻等極端條件應用領域具有很好的前景。盡管商用4H–SiC單晶圓片的結晶完整性最近幾年顯著改進
，但這些晶圓的缺陷密度依然居高不下。

　　

經研究證實，晶圓襯底的表麵處理時間越長，則表麵缺陷率也會跟著增加。表麵缺陷嚴重影響SiCyuanjianpinzhiyuxiyuanjianxiangbi，tanhuaguidenengdaixigengkuan，benzhengzailiuzinongdugengdi，qiezaigenggaodewendutiaojianxiarengnengbaochibandaotitexing，yinci，caiyongtanhuaguicailiaozhichengdeyuanjian，nengzaibixiyuanjiangenggaodegongzuowenduyunzuo。tanhuaguidegaodianjichuanchangqianghegaoredaolv，jiehegaogongzuowendu
，rangtanhuaguiyuanjianqudejigaodegonglvmiduhenengxiao。

　　

如今，碳化矽晶圓品質和元件製造製程顯著改進，各大半導體廠商紛紛展示了高壓碳化矽解決方案，其性能遠超過矽蕭特基勢壘二極體(SBD)和場效應電晶體(FET)，其中包括阻斷電壓接近19kV的PiN整流管
；擊穿電壓高於1.5kV的蕭特基二極體
；擊穿電壓高達1.0kV的 MOSFET。

　　

對dui於yu普pu通tong半ban導dao體ti技ji術shu特te別bie是shi碳tan化hua矽gui元yuan件jian，襯chen底di材cai料liao的de品pin質zhi極ji其qi重zhong要yao。若ruo在zai晶jing圓yuan非fei均jun勻yun表biao麵mian上shang有you機ji械xie性xing紊wen亂luan區qu和he氧yang化hua區qu，使shi用yong這zhe些xie晶jing圓yuan製zhi造zao出chu的de半ban導dao體ti元yuan件jian，其qi產chan品pin性xing能neng將jiang會hui受shou到dao影ying響xiang，例li如ru重zhong組zu率lv提ti高gao，或huo者zhe在zai正zheng常chang工gong作zuo過guo程cheng中zhong出chu現xian無wu法fa預yu見jian的de性xing能neng降jiang低di現xian象xiang。商shang用yong碳tan化hua矽gui晶jing圓yuan需xu要yao機ji械xie拋pao光guang處chu理li，晶jing圓yuan表biao麵mian容rong易yi被bei刮gua傷shang，經jing常chang看kan到dao晶jing圓yuan上shang有you大da量liang的de刮gua痕hen。

　　

guoqudeyanjiubaogaozhengming，ruguozaiwaiyancengshengchangqianzhengquechulichendibiaomian

，jingyuanchendibiaomianshangdequexianjianghuidafujianshao，zheshishengchanggaopinzhiwaiyancengdeguanjiansuozai。womenzhidao，qingqishikefangfakeyiquchushubainaimidetixiaoyingcailiao，congergaishanjingyuanbiaomiandequexianwenti。

 

S. Soubatch等科學家研究了在1,400～1,600℃溫度範圍內氫氣氣相蝕刻方法對零偏4H-SiC(0001)晶圓的形貌和結構的影響。在1,600℃高溫時
，兩種不同的蝕刻缺陷比較常見，分別是在台階流程式蝕刻期間形成的缺陷
，以及結構性蝕刻缺陷。

　　

前者包含大階梯和全晶包高度台階，後者則以螺型位錯為典型。最好的表麵形貌是有一係列等距台階的區域，生長在1,400℃。

　　

C. Hallin等科學家研究了采用氫氣和氫丙烷蝕刻係統的4H-SiC和6H-SiC襯底表麵原位製備方法。研究發現
，蝕刻後4H零偏表麵更加不規則，有大台階區和蝕坑，可能原因是在缺陷區蝕刻速率較高；與表麵平行的微管和晶粒邊界變大，形成三角形蝕坑，表麵滲有微管和其它位錯。然而
，我們在4H氫(qing)氣(qi)蝕(shi)刻(ke)晶(jing)圓(yuan)上(shang)看(kan)到(dao)更(geng)寬(kuan)的(de)帶(dai)狀(zhuang)缺(que)陷(xian)，即(ji)層(ceng)錯(cuo)。透(tou)過(guo)在(zai)氫(qing)氣(qi)蝕(shi)刻(ke)流(liu)程(cheng)增(zeng)加(jia)丙(bing)烷(wan)，可(ke)以(yi)取(qu)得(de)最(zui)佳(jia)的(de)蝕(shi)刻(ke)條(tiao)件(jian)
，可(ke)去(qu)除(chu)刮(gua)痕(hen)而(er)不(bu)留(liu)下(xia)任(ren)何(he)矽(xi)滴(di)痕(hen)跡(ji)。

　　

該實驗研究了襯底表麵的氫氣蝕刻時間對4H-SiC外延層缺陷的影響，同時還用AFM分析法研究蝕刻時間對外延層表麵的影響。

　　

　　

本文利用一台商用低壓力熱壁化學氣相沉積(LP-CVD)反fan應ying器qi，將jiang蝕shi刻ke時shi間jian擴kuo至zhi正zheng常chang生sheng產chan所suo用yong時shi間jian的de三san倍bei，觀guan察cha研yan究jiu生sheng長chang前qian蝕shi刻ke時shi間jian對dui同tong質zhi外wai延yan層ceng的de影ying響xiang。經jing過guo檢jian查zha與yu分fen析xi發fa現xian

，蝕shi刻ke時shi間jian與yu缺que陷xian率lv之zhi間jian關guan係xi明ming顯xian。此ci外wai，汞gong探針CV和FT-IR測量結果證明，摻雜和晶圓厚度均勻性也與蝕刻時間有關係。

　　

該實驗使用反應器完成同質外延層生長，透過SiH4/C3H8係統分別供給矽和碳。載氣和外延層生長還原劑使用高純度工業級氫氣氣體；添加10%的氮氣氣體充當摻雜劑。本實驗中使用的反應器是東京威力科創出品的商用低壓力熱壁化學氣相沉積反應器。在偏向方向4°的4H-SiC(0001)矽麵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。

　　

本實驗針對中高壓二極體或MOSFET生長9.0微米薄膜外延層；操縱變因為蝕刻時間，分別使用二分之一參考蝕刻時間
、參考蝕刻時間、兩倍參考蝕刻時間和三倍參考蝕刻時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是一個晶圓表麵缺陷檢查係統，可以在一個單一檢測平台上實現表麵探測和光致發光(PL)技術，用於檢測微蝕坑、蘿卜狀蝕坑、彗星狀蝕線、三角形蝕坑和層錯等表麵缺陷。透過參數不同的通道之間的交叉相關（鐳射波長、表麵角度
、散射光幅度），實現巨集微缺陷檢測和自動分類。

　　

汞探針電容電壓(Hg-CV)測量法用於評估摻雜濃度(從原級平台到頂部直徑是17點)。摻雜濃度固定為1。

 

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

　　

生長過程中的層錯(SF)是比較常見的層內缺陷，一般是在外延層生長初期開始成核(Nucleated)，可能導致雙極元件的正向壓降變大。基麵位錯(BPD)是蕭特基二極體層錯的核心，在雙極元件工作過程中擴大，導致雙極元件的正向特征變差。

　　

為了在化學機械拋光(CMP)後hou降jiang低di襯chen底di表biao麵mian粗cu糙cao度du
，氫qing氣qi表biao麵mian蝕shi刻ke是shi生sheng長chang過guo程cheng中zhong的de一yi個ge關guan鍵jian程cheng序xu
，但dan是shi會hui放fang大da襯chen底di位wei錯cuo現xian象xiang。層ceng錯cuo密mi度du是shi氫qing氣qi表biao麵mian蝕shi刻ke時shi間jian的de函han數shu

，我wo們men使shi用yongPL方法分析該參數的趨勢
，如圖1所示

，當表麵蝕刻時間是參考蝕刻時間的一半和三倍時，層錯密度從0.6%上升到0.9%。

 

圖1.層錯密度是蝕刻時間的函數，隨蝕刻時間增加而上升。

　　

我們觀察到
，表麵缺陷密度與蝕刻時間具有相同的函數關係。如圖2suoshi，biaomianquexianmidusuizheqingqishikeshijianbianchangershenggao。chendibiaomianshikeshijianyanchangdaozhichendiweicuoyanzhong
，jieguozaiwaiyancengchuxiangengduodebiaomianquexianhecengcuo。

 

圖2.表麵缺陷密度與蝕刻時間呈函數關係。

 

　　

我們發現，氫氣蝕刻製程可以改進表麵形貌
，但同時也在外延層上引起不同類型的微階褶(SB)和整體階褶現象。AFM表麵粗糙度分析表明，階褶會影響對樣品表麵均勻性。兩個樣品都顯示一個約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.不同蝕刻時間會在晶圓表麵留下不同程度的階褶。圖左的蝕刻時間為二分之一參考時間
，圖右為三倍參考時間。

　　

圖4a和圖4b分別描述了階褶數量和表麵均勻度隨蝕刻時間增加而發生的變化。具體講，如圖4a所(suo)示(shi)，階(jie)褶(zhe)是(shi)蝕(shi)刻(ke)時(shi)間(jian)的(de)函(han)數(shu)，隨(sui)蝕(shi)刻(ke)時(shi)間(jian)增(zeng)加(jia)而(er)提(ti)高(gao)。測(ce)量(liang)值(zhi)是(shi)在(zai)不(bu)同(tong)測(ce)量(liang)區(qu)的(de)不(bu)同(tong)測(ce)量(liang)值(zhi)的(de)平(ping)均(jun)數(shu)。從(cong)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)值(zhi)看(kan)，我(wo)們(men)在(zai)晶(jing)圓(yuan)上(shang)發(fa)現(xian)SB晶圓均勻性(Sigma/Mean)存在差異。透過延長蝕刻時間評估均勻性惡化，我們發現在x3樣品內有高階褶密度區
，而x0.5樣品的均勻性更好(在每個被分析部分，大約有2個階褶)。

 

圖4.圖A為階褶數量與蝕刻時間的關係。圖B表麵均勻度與蝕刻時間的關係。

　　

benwenfenxitaolunleshengchangqianqingqishikeshijianhequexianmiduzhijiandeguanxi。shishishang
，touguofaguangzhiguangheguangfenxifangfa
，womenfaxiancengcuoxingshidewaiyancengquexianhebiaomianquexiandeshuliangsuishikeshijianzengjiaerzengduo。zengjiaqingqishikeshijianhou，chendiweicuobianda，waiyancengquexianshuliangzengduo。AFM分析結果顯示，階褶密度和均勻性會隨著氫氣表麵蝕刻時間增加而提高。