雜質(zhì)對(duì)碳化硅外延層生長(zhǎng)的影響

  1. 碳化硅異質(zhì)外延
  在碳化硅生長(zhǎng)層中引入特定雜質(zhì)時(shí),有可能得到與襯底晶型不同的外延薄膜,例如,同時(shí)引入稀土元素鈧(Sc)和鋱(Tb)以及鋁(Al)和硼(B)時(shí),會(huì)在6H-SiC襯底上得到4H-SiC外延簿膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),引入IV族雜質(zhì):錫(Sn)、鉛(Pb)、鍺(Ge)時(shí),生長(zhǎng)層從6H-到4H-的轉(zhuǎn)變最為充分,而V族雜質(zhì)(氮和磷)則更有利于3C-晶型的生長(zhǎng)。
 
  同時(shí)還發(fā)現(xiàn),生長(zhǎng)區(qū)Si和C濃度比的變化對(duì)異質(zhì)外延有顯著的影響,比如,Si濃度增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致3C-SiC晶型形成幾率增加而六角型結(jié)構(gòu)的形成幾率降低,同時(shí),過量碳的引入有可能在6H-襯底上生長(zhǎng)出4H-SiC外延層。還注意到在(0001)c軸向生長(zhǎng)過程中更容易發(fā)生襯底晶型的轉(zhuǎn)變,在這種情況下,溫度和生長(zhǎng)速率對(duì)異質(zhì)外延的影響不大。
 
  采用15R-和6H-SiC襯底上生長(zhǎng)的4H-SiC厚外延層作為籽晶進(jìn)行了單晶錠的生長(zhǎng),生長(zhǎng)采用(0001)C面,并在氣相中加入Sc,這樣可以同時(shí)獲得n型和p型外延層。值得注意的是,鈧的濃度較高(≥10¹⁷cm^-3)時(shí),會(huì)在外延薄膜中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力?？偟膩碚f,以這種方式獲得的外延層具有相當(dāng)高的結(jié)構(gòu)完整性,因此可以用來制造具有pn結(jié)柵的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)。
 
  采用富硅且沒有輔助摻雜的升華外延工藝也可以在6H-SiC襯底生長(zhǎng)出3C-SiC外延層,在這種情況下,3C-薄膜會(huì)以孿晶的形式生長(zhǎng),每一部分單晶的面積至少4~6mm。
 
  由于同型異構(gòu)體的屬性仍不太清楚,因此對(duì)異質(zhì)外延的特性也很難理解,異質(zhì)外延的幾率不僅受到了生長(zhǎng)區(qū)雜質(zhì)組分的影響,還會(huì)受到其他各種因素的影響,比如熱動(dòng)力學(xué)(壓力、溫度)和晶體結(jié)構(gòu)(襯底晶向及其結(jié)構(gòu)不完整的程度)。另外,如果在標(biāo)準(zhǔn)的升華外延工藝(通常被用來生長(zhǎng)6H-層)中采用lely法生長(zhǎng)的具有高位錯(cuò)密度(~10⁵cm^-2)的6H-SiC襯底,那么生長(zhǎng)出來的則會(huì)是3C-外延層。
 
  異質(zhì)外延工藝與各種碳化硅晶型的化學(xué)計(jì)量比有關(guān)。前面已經(jīng)發(fā)現(xiàn),不同碳化硅晶型的SiC原子比是不同的,它會(huì)隨晶格中六角型格點(diǎn)位置百分比的增加而降低。研究表明,3C-、6H-和15R-晶型的Si/C原子比分別為1.046、1.022和1.001。一份關(guān)于不同SiC晶型中擴(kuò)散和固溶度的測(cè)量數(shù)據(jù)表明,各晶型中碳空位的濃度V_c也有所不同。
 
  當(dāng)晶格應(yīng)力隨碳空位濃度的增加而增加時(shí),立方格點(diǎn)位置上原子之間的化學(xué)鍵變得對(duì)能量更加敏感,這會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的重組和晶型的轉(zhuǎn)變。
 
  2. SiC競(jìng)位外延
  Larkin等人發(fā)現(xiàn),碳化硅外延層中電活性雜質(zhì)的濃度取決于CVD生長(zhǎng)過程中氣相C和Si的濃度比,并把這種效應(yīng)稱為競(jìng)位外延(SCE)。采用SCE已經(jīng)獲得了非補(bǔ)償施主濃度(N_d-N_a)約10¹⁴cm^-3的n-SiC外延層，這可以解釋為晶體生長(zhǎng)表面高濃度的C原子抑制了摻入的氮原子占據(jù)晶格中的碳格點(diǎn),只有在襯底Si-面上生長(zhǎng)晶體時(shí)才會(huì)觀察到這種情況,而在C-面生長(zhǎng)時(shí)C/Si原子比的改變對(duì)雜質(zhì)濃度幾乎沒有影響。這種模式已經(jīng)在不同C/Si原子比生長(zhǎng)的SiC外延層中N原子濃度的二次離子質(zhì)譜(SIMS)測(cè)量中得到了證實(shí)。然而,SIMS數(shù)據(jù)中N原子濃度改變2.5~3.5倍時(shí),對(duì)應(yīng)的N_d-N_a則減少了4或5倍。我們認(rèn)為,這說明還存在其他影響N_d-N_a數(shù)量級(jí)的因素?；蛟S氣相中C/Si原子比對(duì)外延層中的背景受主缺陷能級(jí)的濃度有一定的影響,即可以假定背景受主能級(jí)的密度隨C/Si原子比的減小而增加。
 
  在升華法生長(zhǎng)6H-SiC的過程中也觀察到了這種效應(yīng),即輕摻雜n型層會(huì)被背景深受主能級(jí)(i-和-中心)過補(bǔ)償。在升華法生長(zhǎng)外延層的研究中還發(fā)現(xiàn),增加生長(zhǎng)區(qū)域的Si分壓(Ps)(即增加C/Si原子比),會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)層的過補(bǔ)償,進(jìn)一步增加Ps時(shí)甚至可以得到摻雜更重的p型層。
 
  我們實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行CVD(CH₄+SiH₄+H₂)生長(zhǎng)6H-SiC外延層的研究中也發(fā)現(xiàn),隨著氣相C/Si原子比的增加,首先會(huì)出現(xiàn)一個(gè)導(dǎo)電類型相反的初始層,然后是重?fù)诫s的p層(圖1)。對(duì)這些p型層的深能級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)研究表明,對(duì)N_a-N_d貢獻(xiàn)最大的是(E_c-0.2±0.02eV)的深受主能級(jí),其參數(shù)與通常升華法生長(zhǎng)的外延層中的背景能級(jí)(L-中心)的參數(shù)類似。這些能級(jí)的濃度隨N_a-N_d的增加而增加(比如,隨生長(zhǎng)過程中C/Si原子比的增加)。

 
  因此,我們認(rèn)為,碳化硅外延層生長(zhǎng)過程中C/Si濃度比的變化不僅影響碳化硅晶格中氮原子的捕獲,還會(huì)影響生長(zhǎng)過程中所形成的背景深受主能級(jí)的濃度。



上一篇：CAL技術(shù)在現(xiàn)代快恢復(fù)二極管中的應(yīng)用
下一篇：SiC歐姆接觸的熱穩(wěn)定性