论文推介丨重掺杂P型SiC的熔融KOH刻蚀行为研究

SiC具有带隙宽、击穿电场强度高和热导率高等优异的物理性能，成为制备半导体功率器件和微波射频器件的理想材料。但是，SiC晶体中存在大量的位错，如穿透型螺位错(TSD)在外延时会产生Frank型堆垛层错或胡萝卜缺陷，大幅降低器件的电学性质。因此，SiC晶体中位错的辨识和分类是十分必要的，这有助于人们研究SiC晶体中位错的减少和消除方法。熔融KOH刻蚀是一种常用且能有效检测出SiC晶体缺陷的方法,由于操作过程简单和成本较低，受到人们的广泛关注。

近日，广东工业大学物理与光电工程学院程佳辉等在《人工晶体学报》2024年第5期发表了题为《重掺杂P型SiC的熔融KOH刻蚀行为研究》的研究论文。该论文利用KOH刻蚀的方法对液相法生长的高掺杂浓度(n=1.77×1020 cm-3)P型SiC晶体的腐蚀工艺进行了研究。实验探索了P型SiC晶体的腐蚀速率随腐蚀时间、腐蚀温度的变化规律，为获得P型SiC晶体表面良好的腐蚀形貌及P型SiC晶体缺陷研究提供有价值的参考；通过阿伦尼乌斯定律计算出液相法生长的P型SiC的反应活化能，对其刻蚀行为进行深入分析。对P型SiC晶体中TSD和穿透型刃位错(TED)的形貌和内部结构进行表征，采用腐蚀坑的宽度和倾角的离散分布规律对TSD和TED进行辨别。

论文题录●●

程佳辉, 杨磊, 王劲楠, 龚春生, 张泽盛, 简基康. 重掺杂P型SiC的熔融KOH刻蚀行为研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(5): 773-780.

CHENG Jiahui, YANG Lei, WANG Jinnan, GONG Chunsheng, ZHANG Zesheng, JIAN Jikang. Molten KOH Etching Behaviors of Heavily Doped P-Type SiC[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2024, 53(5): 773-780.

//文章导读

本实验所用的P型SiC晶体的生长方式采用的是液相法。在充满氩气环境下，使用Si-Cr基合金作为助熔剂，Al作为掺杂剂，混合装入到高纯度石墨坩埚内。加热方式采用中频感应加热，晶体生长温度为1800~2000 ℃。熔体顶部至底部高度为15~25 mm，温度梯度为5~15 ℃/cm。在SiC生长过程中，籽晶将以50~150 r/min的转速进行旋转，同时以30 μm/h的速度向上提拉。生长结束后，以100 ℃/h的速度冷却至室温。最后，将得到的SiC晶体经过切片、研磨和抛光等工艺加工成晶片。拉曼测试表明所得的晶片为P型6H-SiC，霍尔测试表明其掺杂浓度为1.77×1020 cm-3，属于重掺杂SiC。晶片的腐蚀实验装置如图1所示。

图1　腐蚀实验装置图

根据N型SiC晶片最优腐蚀工艺参数，对P型SiC晶片采取了相同工艺参数下的腐蚀实验。图2是P型SiC晶片在480 ℃下，经过不同时间腐蚀后的光学显微图像。当腐蚀时间为5 min时，晶片在KOH刻蚀下表面出现了明显大小不一的腐蚀坑点，其形状为六方形，其中尺寸较大的为TSD，尺寸较小的为TED。当增加腐蚀时间至10~15 min时，腐蚀坑点的尺寸逐渐变大，且在某些区域存在少量腐蚀坑重叠的现象。继续增加腐蚀时间到20 min时，晶片表面腐蚀坑点持续增大，大部分腐蚀坑点相互重叠在一起,使得刻蚀点类型难以辨别。

图2　在480 ℃腐蚀温度下，P型6H-SiC表面腐蚀坑形貌随时间变化的光学显微图像

为了系统地分析晶片腐蚀形貌与腐蚀时间之间的关系，图3绘制出了TSD和TED腐蚀坑的尺寸随时间的变化曲线。从图中可以观察到TSD腐蚀坑尺寸的增长速率明显要高于TED，并随着腐蚀时间的增加且未达到过度腐蚀的情况下，TSD和TED腐蚀坑宽度会越来越大。

图3　在480 ℃下腐蚀时间对腐蚀坑尺寸的影响

图4(a)~(f)为P型SiC晶片在不同腐蚀温度(440~540 ℃)下腐蚀5 min的表面腐蚀坑形貌变化。总体上看，SiC晶片表面腐蚀坑的尺寸会随着温度的增加而呈现出逐渐增大的趋势。腐蚀温度为500 ℃时SiC晶片表面的腐蚀坑尺寸进一步增大，不同类型位错的腐蚀坑尺寸出现了明显的差异，腐蚀坑形貌清晰且没有腐蚀坑重叠的现象发生。当进行更高温条件下的腐蚀时(520~540 ℃)，SiC晶片表面的腐蚀坑继续增大，一些相近区域的腐蚀坑由于过大的尺寸而重叠在一起，出现了过腐蚀现象。可以认为，重掺杂P型SiC在500 ℃下用KOH腐蚀5 min即可获得较清晰的腐蚀坑形貌和合适的腐蚀坑尺寸，有利于位错密度的分类和统计。

图4　在腐蚀时间为5 min时，P型6H-SiC表面腐蚀坑形貌随腐蚀温度变化的光学显微图像

为了进一步证实该腐蚀参数的可靠性，在腐蚀温度为500 ℃时，改变不同的腐蚀时间(2~15 min)，P型6H-SiC表面腐蚀坑形貌变化如图5所示。相比之下，腐蚀时间为2 min时，腐蚀坑太小，无法分辨出具体的位错类型。而当腐蚀时间为10和15 min时，腐蚀坑出现重叠现象，难以观察腐蚀坑形貌和统计数量。相反地，在500 ℃下腐蚀5 min时，腐蚀坑形貌清晰可见，且可以根据腐蚀坑的大小区分TSD和TED。综上所述，熔融KOH腐蚀液相法P型6H-SiC晶片的最佳腐蚀工艺参数为500 ℃下腐蚀5 min。

图5　在500 ℃腐蚀温度下，P型6H-SiC表面腐蚀坑形貌随时间变化的光学显微图像

根据不同温度下晶片腐蚀前、后的质量差异，得到晶片的腐蚀速率随温度的变化曲线，如图6(a)所示。随着温度的升高,晶片的腐蚀速率呈现出幂指数增加的趋势。在熔融KOH腐蚀SiC的过程中，活化能大小反映SiC晶片与KOH之间化学反应的快慢，即活化能越小，反应速率越快。图6(b)所示为阿伦尼乌斯公式拟合曲线，可得到重掺杂P型6H-SiC的活化能Ea=10.59 kcal/mol。如表1所示，相比其他文献研究而言，在本研究中使用液相法生长得到的重掺杂P型6H-SiC晶体的活化能明显较低，说明在重掺杂情况下，SiC表面的腐蚀速率要高于低掺杂浓度的SiC。

图6　P型6H-SiC晶片的刻蚀参数变化。(a)腐蚀速率随温度变化曲线；(b)阿伦尼乌斯公式拟合曲线

表1　不同类型和不同掺杂浓度SiC的活化能

为了更好地了解液相法生长的重掺杂P型SiC晶片中位错信息，本文利用SEM和AFM对P型SiC晶体表面腐蚀坑的结构形貌进行了更深入的研究，如图7所示。其中，图7(a)和(b)的SEM照片清晰地给出了SiC晶片表面腐蚀坑的二维分布情况，腐蚀坑均呈现出六方对称性且与腐蚀坑大小无关。图7(c)和(d)给出了腐蚀坑在AFM下的扫描图像。从平面图和3D图中可以看出腐蚀坑是一个表面为六方形、底部呈锥体的结构。进一步测量分析可得到与腐蚀坑形状有关的具体几何参数，如表2所示。

图7　SiC晶体表面腐蚀坑的形貌和结构表征

表2　480 ℃下，不同腐蚀时间下腐蚀坑的几何参数变化

图8显示了TSD和TED的腐蚀坑几何参数差异，如图8(a)所示，无论哪种类型位错，随着时间的变化，其腐蚀坑的倾角没有发生明显的改变，其中TSD的腐蚀坑倾角在29°~32°，而TED的腐蚀坑倾角在20°~23°。由此，可以通过对比不同类型位错的腐蚀坑倾角大小对P型SiC表面的腐蚀坑进行辨别。图8(b)给出了腐蚀坑斜面倾角随腐蚀坑宽度变化的关系，从图中可以清晰地看出具有相同类型的位错分布较为集中，而不同类型位错却呈现出明显的离散分布。

图8　TSD和TED的腐蚀坑差异。(a)腐蚀坑倾角随腐蚀时间变化曲线；(b)腐蚀坑的直径和倾角分布

结论

本文以KOH作为腐蚀剂，探究了重掺杂的P型6H-SiC晶体中位错的形貌和结构特点，优化了腐蚀工艺。由实验结果可知，晶片表面腐蚀坑会随着腐蚀时间、温度的增加而变大，而过高的腐蚀温度及过长的腐蚀时间均会引起晶片表面过度腐蚀。重掺杂P型6H-SiC晶体最佳腐蚀工艺为在500 ℃熔融KOH中刻蚀5 min。晶片腐蚀速率随温度升高呈现出幂指数增长的趋势，利用阿伦尼乌斯定律拟合得到重掺杂P型6H-SiC晶体的活化能为10.59 kcal/mol。通过比较不同类型SiC晶体的活化能，发现P型6H-SiC晶体的掺杂浓度越高，在熔融KOH中的腐蚀速率越快。AFM测试显示腐蚀坑的三维结构为规则的正六棱锥体，腐蚀坑的偏角受腐蚀时间的影响较小，其中TSD的腐蚀坑的倾角分布在29°~32°，而TED的腐蚀坑的倾角分布在20°~23°，这一结构特点可用于对P型SiC晶体中不同类型的腐蚀坑进行分类。

来源： 人工晶体学报

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。