厚4H-SiC外延层快速同质外延生长和缺陷降低技术的改进

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厚4H-SiC外延层快速同质外延生长和缺陷降低技术的改进

本篇文章中，通过生长条件的优化，以85μm/ h的高生长速率中获得了在超高压功率器件所需的147μm厚的4H-SiC外延层。本文中提高希望能提高外延层质量并降低厚外延层的表面缺陷密度。 由于添加了蚀刻工艺，表面缺陷密度明显从3.46cm-2降低到0.85cm-2。同时文章基于测量结果讨论了蚀刻工艺对表面缺陷的影响。结果表明，快速外延生长系统可以生长出高质量的超厚4H-SiC外延层，满足超高压器件的要求。

图1：（a）4H-SiC外延层的横截面SEM图像，其厚度为147μm，生长速率为85μm/ h; （b）在100μm厚的100mm直径外延片中的坎德拉缺陷图（密度：0.32cm-2）。

由于n型掺杂和碳空位之间的竞争机制，4H-SiC外延层的平均背景掺杂浓度随着C / Si比的增加而降低。 Larkin提出的场地竞争理论描述了掺杂原子掺入与气相中C / Si比的相关性。随着C / Si比从1.12增加到1.25，掺杂浓度从3.03E14cm-3降低到4.06E13cm-3。利用优化的生长条件，可以以85μm/ h的生长速率获得147μm的外延晶片，如图1（a）所示。同时，图1（b）表明100mm 4H-SiC外延晶片（厚度100μm）的表面缺陷密度为0.32 / cm2，表面粗糙度为0.25nm。这些结果表明，快速外延生长系统可以生长出高质量的超厚4H-SiC外延层，满足电子器件的要求。

图2：坎德拉缺陷图（a）无蚀刻（b）H2蚀刻8分钟后温度为1660℃（c）1665℃（d）1670℃在100μm厚100mm直径的外延片中。

表1: 图2中显示的更详细的数据

从表中可以看出，当其他条件固定时，在1660℃的蚀刻温度下表现出最佳形态。通过添加H2蚀刻工艺，表面形貌缺陷明显减少，表明高温蚀刻可有效减少基板的损伤和划痕，从而减少表面形貌缺陷。然而，随着蚀刻温度从1660℃增加到1665℃和1670℃，缺陷密度从0.96cm-2增加到1.85cm-2和2.75cm-2。此外，还可以看出凹坑和颗粒随着温度的升高而显着增加，表明它是由过度蚀刻引起的。

图3：基板表面损伤和划痕引入的形态缺陷的形成机制示意图。

 一方面，4H-SiC衬底总是包含由界面抛光引起的大量表面损伤。 这些损伤扰乱了阶梯流动模式，然后，在沿着阶梯流4H-SiC方向的外延生长期间产生了形貌缺陷，如图4所示。另一方面，过量的H2蚀刻加剧了晶格损伤导致外延层上缺陷密度的增加。因此可以推测，随着蚀刻温度的升高，基板上的CMP缺陷密度增加，这导致具有非常高的结构缺陷密度和非常差的形态的层。