高速旋轉垂直熱壁CVD外延生長n型4H-SiC膜的研究

摘?要

采用高速旋轉垂直熱壁化學氣相沉積（CVD）設備在偏向〈1010〉晶向 4°的 n 型 4H-SiC 襯底上進行了同質外延生長，在設定的工藝條件下，外延膜生長速率達到 40.44 μm/h，厚度不均勻性和摻雜濃度不均勻性分別 達到 1.37%和 2.79%。AFM測試顯示表面均方根粗糙度為 0.11nm；Leica顯微鏡觀察表明外延膜表面光滑，生長缺陷密度很低，沒有宏觀臺階結構；Raman 譜線清晰銳利，表現出典型的 4H-SiC 特征。綜合分析表明，本實驗使用?國產的高速旋轉垂直熱壁?CVD設備，在較高的外延生長速率下，獲得了具有優良厚度均勻性和摻雜濃度均勻性的 高質量 4H-SiC 外延膜，對目前碳化硅外延產業的發展和半導體設備的國產替代具有良好的指導作用。

0 引 言

碳化硅(silicon carbide, SiC)作為第三代寬禁帶半導體材料的典型代表，具有高臨界擊穿場強、高熱導 率、高電子飽和漂移速度、大禁帶寬度、抗輻射能力強等特點，極大地擴展了功率器件的能量處理能力， 能夠滿足下一代電力電子裝備對功率器件更大功率、更小體積和高溫高輻射等惡劣條件下工作的要求， 有縮小尺寸、減少功率損耗和降低冷卻要求等優點，已經在新能源汽車、軌道交通、智能電網等領域帶 來了革命性的變化。SiC器件不能在晶圓上直接制備，而是需要在SiC晶圓上沉積生長外延膜，利用外 延膜生產器件，因此SiC外延在產業鏈中處于承上啟下的重要位置。

SiC薄膜生長方法有多種，其中化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）法具有可以精確控制外延膜厚度和摻雜濃度、缺陷較少、生長速度適中、過程可自動控制等優點，是生長用于制造器件的SiC 外延膜的最常用的方法。1987 年臺階控制生長模式的提出幫助行業獲得單一晶型的SiC外延膜，2012 年快速SiC外延工藝被發現，工藝中加入HCl氣體或采用含Cl化合物如SiHCl3?(TCS)、SiCl4?等實現了高 達 112 μm/h的高質量快速外延，生長速率提升 10 倍以上的同時提升成膜質量。這兩個重大突破很大程度 上推動了SiC外延生長和器件制造從實驗室研究進入產業化應用階段。SiC外延設備則發展出了不同的技術路線，比如冷壁和熱壁、水平進氣和垂直進氣等，各有優缺點?；谔岣邷貓龊土鲌鼍鶆蛐詮亩玫礁镁鶆蛐缘哪康?，研究人員逐步開發了高速晶圓旋轉技術應用于SiC薄膜外延設備，該技術有助于提高厚度均勻性和摻雜濃度均勻性，同時降低表面缺陷密度。Thomas等對比了冷壁和熱壁CVD外延SiC 的厚度均勻性（5%~2%）和濃度均勻性（15%~6%），熱壁CVD具有壓倒性的優勢，因此在實際生產中熱?壁CVD已經應用于SiC外延產業。水平進氣和垂直進氣則依靠各自的一些特點，如水平進氣設備本身便宜、?工藝容易上手，垂直進氣設備輸出穩定、PM性能優良，目前在SiC外延產業中占據各自的位置，但是從 自動化、兼容性和量產的角度看，垂直進氣代表著碳化硅外延行業的未來。?

國內從?2005 年開始陸續對SiC外延生長進行了一些研究，主要集中在外延生長的實驗研究、機理探討和外延結果的表征上，國內在SiC產業化方面處于初級階段，在努力兼顧生長速率、外延膜質量和均勻性 的同時提高生產效率。高欣等在水平冷壁石英反應器中以超過 3 μm/h的速率生長質量良好的外延膜并進行了表征。閆果果等利用自制的垂直熱壁CVD系統和硅烷制程，研究了生長溫度對外延形貌的影響機理，和不同偏角的（0°、4°、8°）4H-SiC襯底上生長溫度對外延生長速率的影響機制，生長速率最 高可以達到 26μm/h。毛開禮等研究不同刻蝕工藝、刻蝕溫度對 4H-SiC外延層質量的影響，發現 1620 ℃ 下HCl氣體刻蝕襯底 5 min后在 1600 ℃下進行外延生長，可以獲得較好的外延生長表面，有效降低三角形 缺陷并避免形成臺階聚并。

近幾年隨著新能源汽車和光伏等應用的爆發式增長，對SiC的需求猛增，SiC外延的設備和工藝技術 在加速發展，但在保持薄膜晶體質量和均勻性的前提下，提高薄膜生長率和厚度仍然是當前SiC外延生長 所面臨的巨大挑戰。本文研究了使用國產CVD設備在 4H-SiC襯底上進行同質外延的情況。

1 實 驗

1.1 原料和制備方法

本研究的同質外延生長實驗是在芯三代公司開發的SiC外延CVD設備SiCcess中完成的，其反應腔屬于垂直進氣熱壁式，同時配備高速晶圓旋轉技術。圖?1 顯示了其反應腔結構，由噴淋頭、熱壁、托盤旋轉裝置、側面電阻加熱器和底部電阻加熱器等組成。工藝氣體通過頂部噴淋頭垂直注入腔室，通過比襯底直 徑稍大的導氣筒，到達襯底表面發生外延生長反應，襯底通過底部加熱器進行加熱并通過旋轉裝置進行高速旋轉。所用SiC襯底是從北京天科合達半導體股份有限公司購買的雙面拋光偏向〈1010〉方向 4°的 4H-SiC襯底，為氮(N)摻雜n型，摻雜濃度為 1×1018?cm-3。SiC薄膜生長在直徑 150 mm的Si面 4H-SiC晶圓 上，反應氣體為三氯氫硅（TCS）和C2H4，流量分別為?850 和 140 mL/min，用H2和HCl氣體進行外延前的 刻蝕和表面準備。H2?載氣通過Ag-Pd純化器凈化，流量為 120 slm（slm為標況下L/min），反應室壓力為 250 mbar（1 mbar=0.1 kPa）。外延生長的溫度為 1650 ℃。表 1 總結了本研究的工藝生長條件。

1.2 性能測試與表征

利用Thermofisher Nicolet IS50 傅里葉紅外檢測儀FTIR檢測外延膜的厚度，4D CVMAP 92A汞探針C-V 測試儀測試摻雜濃度，邊緣消除為 5.0 mm。利用原子力顯微鏡(AFM)檢測外延膜的表面粗糙度，?Leica ?DM8000M RL顯微鏡觀測表面缺陷情況，德國Witec激光共聚焦系統Raman散射光譜鑒別SiC薄膜晶型情況， 激發光為 532 nm激光。

2 結果與討論

2.1 生長速率和薄膜厚度及其均勻性

外延生長?900 s，平均厚度為 10.11 μm，經計算生長速率為 40.44μm/h，達到了較高水平。通過分析本實驗的工藝條件、工藝制程和設備結構，可能的原因有以下?3 個：

1）生長壓力為?250 mbar，低壓將降低生長氣體的分壓，有利于提高生長速率。

2）選擇了三氯硅烷TCS而不是硅烷為硅源。La Via等對含氯化物在外延反應中的機理進行了研究，在 1500~1650℃時，H2-SiH4-C3H8?氣體中主要的Si類物質是原子狀的Si，其化學性質活躍，如果超過了臨界分壓就會發生聚合反應，形成Si團簇，這就是氣相中的均勻成核，這一臨界分壓決定著可以投入外延爐中的原料氣體的上限。選用TCS為硅源時，SiHxCly成為了主要的Si類物質，而SiHxCly在 1500~1650℃的正常生長溫度下很難發生聚合反應，其臨界成核濃度較高，可以通入更多的原料氣體，從而能夠實現高速生長。

3）本實驗外延設備中采用的垂直氣流進氣配合氣體導流筒的方式提升了氣體供應和使用效率，從而提升了反應速率。Ishida研究發現，如果氣體流向平行或傾斜于襯底，就會有大量氣體無法參與外延生長而流失；而如果氣體流向?90?垂直于襯底，氣體直接流向襯底表面進行生長，就較少浪費；氣流方向垂直于襯底的情況下，在襯底與進氣口之間配置與襯底直徑相同或相近的導氣筒時，可獲得最大生長速率。參考圖?1，本實驗采用的垂直氣流進氣方式和安裝的氣體 導流筒對反應速率的增加有實質幫助。

圖?2 為所獲得的 4H-SiC外延晶圓的 17 點按照距離圓心位置平均后的厚度測試結果。如圖所示，該 4H-SiC晶圓的最大外延層厚度為 10.22 μm，最小外延層厚度為 9.87 μm，平均厚度為 10.11 μm，不均勻 性（以標準偏差/平均值表示）為 1.37%，沿半徑方向的膜厚波動非常小，有非常高的均勻性。

本實驗能夠獲得好的厚度均勻性的原因，可以從溫場和流場兩個方面分析。

首先，Daigo等對高速旋轉垂直氣流CVD反應器在 6 英寸（1 英寸=2.54 cm）SiC襯底上同質外延的研究中發現，相對于單一加熱器，底部內圈和外圈兩個加熱器精準獨立控溫可以得到更均勻的晶圓表面溫度分布，厚度均勻性和摻雜均勻性可以分別從 5.3%和 8.8%提升到 3.4%和 5.6%，成膜性能大幅提升。而本實驗設備的反應腔底部安裝了內、中、外三個加熱器，實現分別獨立調整控制，可以更加精準地控制溫度，通過局部補償，特別是通過調整外加熱器補償邊緣位置溫度，確保反應表面溫度的均勻性，溫控精度可以達到±2 ℃，從而得到厚度沿直徑方向的高均勻性。

其次，在腔體內的氣流場方面，一方面覆蓋反應腔上表面的噴淋頭可以?確保進氣均勻，另一方面，適當壓力和轉速下的襯底旋轉可以使進氣以活塞流的形式流過腔體到達襯底反應表面，確保反應氣體均勻供應到襯底反應表面上。Mitrovic等對垂直熱壁旋轉反應器的流型研究發現，在不同的壓力和轉速下，反應室內分別呈現浮力流、活塞流和旋轉流?3 種流型，在?200~600mbar壓力 下、400~1000 r/min轉速下得到的活塞流是對外延生長最有利的理想流型，而本實驗的壓力和轉速就在此 理想范圍內。因此，本實驗條件下，從溫場和流場兩個方面促使反應氣體以活塞流形式持續均勻的供應 到均勻加熱的襯底反應表面，進行外延生長，從而確保得到高厚度均勻性的外延膜。這些因素下產生的 均勻的溫場和流場同樣作用于氮氣在反應表面進行均勻的n型摻雜，從而本實驗中外延膜摻雜濃度同樣具有高均勻性。?

本研究中膜厚沿徑向的變化由中心向邊緣先變厚再變薄，與水平式外延設備通常的厚度變化趨勢類似，水平式外延爐的解釋通常是因為沿徑向溫度降低厚度變高，然后在邊緣位置由于邊緣效應而變薄。?按照Daigo等的研究，垂直式外延設備膜厚沿徑向的變化，根據溫度、n(C)/n(Si)和載氣流量的變化而導 致的中間厚邊緣薄和中間薄邊緣厚等不同的變化模式，相應地也有多種方法可以用來調整厚度不均勻性， 這是垂直式外延設備的一個優勢。?

2.2 摻雜濃度及其均勻性

經測定，本實驗條件下所用設備的n型背景摻雜濃度為 1.4×1014?cm-3，用于器件生產的碳化硅外延片?的n型摻雜濃度在 1015?cm-3?量級，較低的背景摻雜濃度可以為生產不同摻雜濃度的外延片提供很好的自由 度，這也是外延設備符合產業化需要的一個重要性能。說明反應腔中吸附在腔體內壁和石墨件上的殘余氮氣經過烘烤可以很快解吸耗盡，能夠迅速降低摻雜濃度到可以穩定生產的水平。此外，使用涂覆了SiC 的純凈石墨件也減少了雜質的釋放和摻入。?

圖?3 為同一外延晶圓的 17 點按照距離圓心位置平均后的摻雜濃度測量結果。該外延晶圓的最大摻雜 濃度為 6.28×1015?cm-3，最小摻雜濃度為?6.12×1015?cm-3，平均摻雜濃度為?6.15×1015?cm-3。獨立精確控?制N2 流量和n(C)/n(Si)是可以根據產品規格需求來靈活精確控制摻雜濃度的重要因素。?

經計算，本實驗獲得外延膜的摻雜濃度不均勻性（以標準偏差/平均值表示）為 2.79%，濃度呈輕微的 U形分布，濃度值在晶圓邊緣稍高于中間區域，仍然達到優良水平。本文 2.1 小節中對實驗溫場和流場的 分析同樣適用于摻雜均勻性的分析，摻雜氣體N2 與反應氣體一起以活塞流形式均勻的供應到被均勻加熱 的襯底表面進行摻雜，從而能夠確保得到高濃度均勻性的外延膜。由于邊緣效應，摻雜濃度在邊緣處有 一些突變是一個常見的現象，在外延生產中如何調整工藝條件盡可能降低其程度從而提高均勻性是工藝 工程師日常要面對的問題。

2.3 綜合性能評估

在SiC外延生產中，最優先重視的品質判定參數是外延膜厚度均勻性和摻雜濃度均勻性，厚度和摻雜?濃度兩項指標直接關系到器件性能和成品率，均勻性良好的外延膜才能用于后續器件生產。實際生產中對外延膜厚度和摻雜濃度實施?100%全檢，減小其偏差和提高均勻性對SiC外延生產極端重要。?

孫國勝總結分析了自?2001 年以來的不同外延生長系統所獲得的 4H-SiC 外延晶圓的性能指標，通 過對比不均勻性數據發現，和收集到的最優數據相比，本實驗取得的厚度不均勻性?1.37%僅次于?2 英寸的 0.4%和 4 英寸的 0.26%，摻雜濃度不均勻性 2.79%顯著優于所有的實驗結果（絕大多數都在 4%到 10%之 間），考慮到本實驗對象是 6 英寸的晶圓，相對于 2 英寸和 4 英寸的晶圓，實現高厚度和摻雜濃度均勻性更困難，因此相比之下本實驗結果具有更大的優勢。同時在實驗中發現，實驗設備采用 3 個獨立控溫的 底部加熱器和可以靈活調整進氣的噴淋頭，使得工藝調整更容易，更符合 SiC 產業化量產需求。?

綜合性能分析表明，本實驗使用高速旋轉垂直熱壁CVD設備和TCS-C2H4 工藝制程，在較高的外延生 長速率的同時，可以獲得具有優良厚度均勻性和摻雜濃度均勻性的 4H-SiC外延膜，對目前碳化硅外延產 業的發展具有一定的參考意義，也證明了國產半導體設備可以有不輸于進口設備的性能，完全可以逐步 實現進口替代。

2.4 表面粗糙度

圖?4 分別為生長的外延晶圓中心處的表面 AFM 形貌，掃描范圍為 20 μm×20 μm，相應的均方根粗 糙度為 0.11 nm。從圖中可以看出，外延膜表面光滑，沒有觀察到宏觀臺階(Macro-step)結構，說明外延過?程是穩定的臺階流生長，沒有發生臺階聚集。這表明，采用優化的外延生長工藝，使用高速旋轉垂直熱壁?CVD 設備可在低偏角襯底上獲得良好表面形貌的外延膜。

2.5 缺陷密度

圖?5 為該外延晶圓的缺陷掃描結果圖，其總缺陷密度為?5.58 cm-2，所統計的外延層表面缺陷包括微管?缺陷、pits、三角形缺陷、掉落物缺陷和胡蘿卜缺陷等常見的形貌缺陷。本研究主要考慮掉落物缺陷?（downfall），其缺陷密度為0.11 cm-2。除了設計上降低反應腔中進氣口處溫度，減少不希望的沉積物產生?之外，研究發現高速旋轉結合優化生長條件可以大幅降低掉落物缺陷率。反應腔壁上的副產物?3C-SiC晶 體容易產生掉落物缺陷和三角形缺陷，而晶圓高速旋轉將直接把掉落物甩出反應區，可以大幅降低掉落 物缺陷率。Daigo等對比轉速 50 r/min和 300 r/min掉落物缺陷率，高速旋轉可以顯著減少缺陷和拉長維 護間隔時間，300 r/min下累計生長 3000 μm情況下，其掉落物缺陷率仍然低于 0.2 cm-2。本實驗中>300 ?r/min的高速旋轉是掉落物缺陷密度低的重要原因。

圖?6 給出了外延膜和襯底的Raman散射譜，兩個主要的拉曼峰為?777 cm-1（TO phonon, Si-C橫向振動 峰）和 981 cm-1（LO phonon, Si-C縱向振動峰），譜線清晰銳利，為典型的?4H-SiC特征峰，與 4H-SiC晶體 吻合，峰位的微小偏差與摻雜物有關。證明本實驗可以得到高質量的 4H-SiC晶體。

3 結 論

利用高速晶圓旋轉垂直熱壁CVD技術，在 4H-SiC襯底片上成功地生長了高質量的同質外延膜。在設 定的工藝條件下，生長速率達到了 40.44μm/h。外延膜厚度約為 10.11μm，厚度不均勻性為 1.37%，摻雜 濃度為 6.15×1015cm-3，濃度不均勻性為?2.79%，AFM測試顯示樣品表面均方根粗糙度為 0.11nm，掉落 物缺陷密度為 0.11 cm-2，Raman 散射譜表明晶體為高質量的 SiC 膜。本研究證明了利用國產設備能夠在高生長速率下獲得高厚度均勻性、高濃度均勻性和低缺陷率的 4H-SiC 外延膜，對 SiC 外延研究和產業化有 一定的參考意義。未來的研究中，需要進一步進行批次試驗研究設備的重復性，繼續探索SiC 外延反應機理，對溫場和流場進行模擬和優化，同時進行 8 英寸SiC外延的前瞻性研究，推進 SiC外延的產業化發展 和國產化進步。

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編輯：黃飛

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