4H-SiC同質(zhì)外延的表征及深能級分析研究.pdf

1、SiC器件和其它半導(dǎo)體器件一樣，材料的質(zhì)量對于SiC器件的制備和性能具有非常重要的意義。高質(zhì)量的SiC單晶是制備高性能SiC器件的基礎(chǔ)，有利于SiC器件研制和進(jìn)一步推廣應(yīng)用。目前，4H-SiC同質(zhì)外延單晶薄膜的研究已經(jīng)取得了可喜的成績。但是國內(nèi)才剛起步，且由于同質(zhì)外延的表征測試存在一定困難：還沒有一套系統(tǒng)完整的表征測試方法；對于非刻意摻雜4H-SiC同質(zhì)外延中存在的影響器件性能的本征深能級，國際上也存在比較大的爭議，不同樣品的結(jié)果也差異

2、很大；對于深能級的起源沒有定論，也沒有提出一套很好的解決辦法。國內(nèi)對于這一方面的研究還是空白。 在此背景下，本文對制備4H-SiC同質(zhì)外延薄膜的機(jī)理、方法和特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；提出一套系統(tǒng)完整的4H-SiC同質(zhì)外延薄膜表征測試方法；對影響器件性能的非刻意摻雜n型4H-SiC外延中的本征深能級等相關(guān)問題進(jìn)行了廣泛深入的研究。主要的研究成果如下： 1.在理論分析的基礎(chǔ)上，對4H-SiC同質(zhì)外延生長的關(guān)鍵工藝進(jìn)

3、行了實(shí)驗(yàn)研究，得出影響這些材料參數(shù)的主要因素。確定了關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢，制定了完整的工藝流程。 2.建立了系統(tǒng)的4H-SiC同質(zhì)外延薄膜表征測試方法。通過不同摻雜濃度樣品Raman光譜中LOCP的不同，提出了一種簡易測試外延厚度的方法。利用FTIR反射譜對4H-SiC同質(zhì)外延晶體薄膜的質(zhì)量進(jìn)行評價，完善了用干涉條紋的頻率和強(qiáng)弱的方法來計(jì)算外延薄膜的厚度。通過van der Paul法霍爾測試技術(shù)，對低N摻雜的n型4H-SiC同質(zhì)外

4、延的遷移率和霍爾系數(shù)進(jìn)行測試表征。用汞(Hg)探針C-V測試獲取4H-SiC同質(zhì)外延縱向雜質(zhì)濃度分布的信息，并通過多點(diǎn)測試，得到外延片的摻雜濃度均勻性。對樣品進(jìn)行了電阻均勻性測試，測試結(jié)果顯示電阻率分布較為均勻，最小和最大電阻率分別為0.3768O·cm和0.3972O·cm，誤差僅為1.04％。 HRXRD測試顯示4H-SiC同質(zhì)外延薄膜半高寬(FWHM)為36 s，距主峰左側(cè)約41”處出現(xiàn)另外一個衍射峰。經(jīng)計(jì)算分析，該衍射

5、峰偏移主要是由外延和襯底的晶向偏移引起的。借助SEM、AFM和X射線光電子能譜儀對4H-SiC樣品表面形貌以及元素進(jìn)行了定性和定量的測試分析。借助SIMS對Al摻雜和高N摻雜的4H-SiC樣品中的主要摻雜雜質(zhì)濃度及薄膜厚度進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了光學(xué)測試的結(jié)果。 3.研究了非刻意摻雜4H-SiC同質(zhì)外延禁帶中形成的缺陷深能級。對樣品進(jìn)行10K到室溫的變溫光致發(fā)光測量，發(fā)現(xiàn)4H-SiC存在由本征深受主能級引起的“綠帶”發(fā)光現(xiàn)象。借助PL

6、 mapping對樣品的峰值波長(Peak Lambda)和發(fā)光強(qiáng)度(PeakInt)進(jìn)行了測量，結(jié)果表明在4H-SiC外延大部分區(qū)域存在本征深能級缺陷，且分布均勻。通過理論分析表明存在兩個深能級，分別位于導(dǎo)帶下E1=0.942eV，E2=1.190eV處。深能級缺陷形成的原因主要是由于樣品中存在著大量的碳空位Vc?！熬G帶”發(fā)光譜與碳空位Vc及其擴(kuò)展缺陷都相關(guān)，是由二者絡(luò)合形成的。 4.為了減少外延層中的C空位，進(jìn)行了C離子注入

7、4H-SiC外延的理論研究和工藝設(shè)計(jì)。通過研究離子注入理論和工藝特性，采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，借助Trim模擬軟件對C離子注入4H-SiC的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算模擬了不同注入能量下C注入4H-SiC的平均投影射程、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及濃度分布。在此基礎(chǔ)上，提出采用三次C離子注入消除非刻意摻雜4H-SiC中深能級缺陷的方法和工藝流程，包括離子注入工藝參數(shù)(能量、劑量)的確定、注入掩膜層SiO2厚度的選取原則，退火溫度和時間

8、以及退火保護(hù)。成功地進(jìn)行了注入實(shí)驗(yàn)。 5.研究了C離子注入和高碳硅比生長4H-SiC對深能級的影響。發(fā)現(xiàn)1600℃的退火溫度對注入引起的晶格損傷起到了很好的修復(fù)作用，并可以有效地激活碳離子，使其占據(jù)C空位。高溫退火使C空位被占據(jù)有效地減少了C空位衍生缺陷。通過碳離子注入成功消除了非刻意摻雜n型4H-SiC外延薄膜中的深能級缺陷。 研究了生長4H-SiC外延薄膜合適的碳硅比區(qū)間。綜合考慮增大C/Si對4H-SiC外延質(zhì)量的