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碳化硅(SiC)在大功率、高溫、高頻等極端條件應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的前景

。但盡管商用4H-SiC單晶圓片的結(jié)晶完整性***近幾年顯著改進(jìn)，這些晶圓

的缺陷密度依然居高不下。經(jīng)研究證實(shí)，晶圓襯底的表面處理時(shí)間越長(zhǎng)，

則表面缺陷率也會(huì)跟著增加。

碳化硅(SiC)兼有寬能帶隙、高***穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和

速率等特性，在大功率、高溫、高頻等極端條件應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的前景

。盡管商用4H–SiC單晶圓片的結(jié)晶完整性***近幾年顯著改進(jìn)，但這些晶圓

的缺陷密度依然居高不下。

經(jīng)研究證實(shí)，晶圓襯底的表面處理時(shí)間越長(zhǎng)，則表面缺陷率也會(huì)跟著

增加。表面缺陷嚴(yán)重影響SiC元件品質(zhì)與矽元件相比，碳化硅的能帶隙更寬

，本征載流子濃度更低，且在更高的溫度條件下仍能保持半導(dǎo)體特性，因

此，采用碳化硅材料制成的元件，能在比矽元件更高的工作溫度運(yùn)作。碳

化硅的高***穿場(chǎng)強(qiáng)和高熱導(dǎo)率，結(jié)合高工作溫度，讓碳化硅元件取得極

高的功率密度和能效。

如今，碳化硅晶圓品質(zhì)和元件制造制程顯著改進(jìn)，各大半導(dǎo)體廠商紛

紛展示了高壓碳化硅解決方案，其性能遠(yuǎn)超過(guò)矽蕭特基勢(shì)壘二極體(SBD)和

場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET)，其中包括阻斷電壓接近19kV的PiN整流管;擊穿電壓高

于1.5kV的蕭特基二極體;擊穿電壓高達(dá)1.0kV的 mosFET。

對(duì)于普通半導(dǎo)體技術(shù)特別是碳化硅元件，襯底材料的品質(zhì)極其重要。

若在晶圓非均勻表面上有機(jī)械性紊亂區(qū)和氧化區(qū)，使用這些晶圓制造出的

半導(dǎo)體元件，其產(chǎn)品性能將會(huì)受到影響，例如重組率提高，或者在正常工

作過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)法預(yù)見(jiàn)的性能降低現(xiàn)象。商用碳化硅晶圓需要機(jī)械拋光處

理，晶圓表面容易被刮傷，經(jīng)?？吹骄A上有大量的刮痕。

過(guò)去的研究報(bào)告證明，如果在外延層生長(zhǎng)前正確處理襯底表面，晶圓

襯底表面上的缺陷將會(huì)大幅減少，這是生長(zhǎng)高品質(zhì)外延層的關(guān)鍵所在。我

們知道，氫氣蝕刻方法可以去除數(shù)百奈米的體效應(yīng)材料，從而改善晶圓表

面的缺陷問(wèn)題。

S. Soubatch等科學(xué)家研究了在1,400～1,600℃溫度范圍內(nèi)氫氣氣相蝕

刻方法對(duì)零偏4H-SiC(0001)晶圓的形貌和結(jié)構(gòu)的影響。在1,600℃高溫時(shí)，

兩種不同的蝕刻缺陷比較常見(jiàn)，分別是在臺(tái)階流程式蝕刻期間形成的缺陷

，以及結(jié)構(gòu)性蝕刻缺陷。

前者包含大階梯和全晶包高度臺(tái)階，后者則以螺型位錯(cuò)為典型。***好

的表面形貌是有一系列等距臺(tái)階的區(qū)域，生長(zhǎng)在1,400℃。

C. Hallin等科學(xué)家研究了采用氫氣和氫丙烷蝕刻系統(tǒng)的4H-SiC和6H-

SiC襯底表面原位制備方法。研究發(fā)現(xiàn)，蝕刻后4H零偏表面更加不規(guī)則，有

大臺(tái)階區(qū)和蝕坑，可能原因是在缺陷區(qū)蝕刻速率較高;與表面平行的微管和

晶粒邊界變大，形成三角形蝕坑，表面滲有微管和其它位錯(cuò)。然而，我們

在4H氫氣蝕刻晶圓上看到更寬的帶狀缺陷，即層錯(cuò)。透過(guò)在氫氣蝕刻流程

增加丙烷，可以取得***佳的蝕刻條件，可去除刮痕而不留下任何矽滴痕跡

。

該實(shí)驗(yàn)研究了襯底表面的氫氣蝕刻時(shí)間對(duì)4H-SiC外延層缺陷的影響，

同時(shí)還用AFM分析法研究蝕刻時(shí)間對(duì)外延層表面的影響。

表面處理時(shí)間與缺陷率呈正函數(shù)關(guān)系

本文利用一臺(tái)東京威力科創(chuàng)(Tokyo Electron)出品的商用低壓力熱壁

化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)反應(yīng)器，將蝕刻時(shí)間擴(kuò)至正常生產(chǎn)所用時(shí)間的三倍

，觀察研究生長(zhǎng)前蝕刻時(shí)間對(duì)同質(zhì)外延層的影響。經(jīng)過(guò)檢查與分析發(fā)現(xiàn)，

蝕刻時(shí)間與缺陷率之間關(guān)系明顯。此外，***探針CV和FT-IR測(cè)量結(jié)果證明，

摻雜和晶圓厚度均勻性也與蝕刻時(shí)間有關(guān)系。

該實(shí)驗(yàn)使用反應(yīng)器完成同質(zhì)外延層生長(zhǎng)，透過(guò)SiH4/C3H8系統(tǒng)分別供給

矽和碳。載氣和外延層生長(zhǎng)還原劑使用高純度工業(yè)級(jí)氫氣氣體;添加10%的

氮?dú)鈿怏w充當(dāng)摻雜劑。本實(shí)驗(yàn)中使用的反應(yīng)器是東京威力科創(chuàng)出品的商用

低壓力熱壁化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器。在偏向方向4°的4H-SiC(0001)矽面n-型

(～1018at/cm-3)襯底上，生長(zhǎng)1E16 at/cm3 n-摻雜濃度的n-SiC外延層，

以避免外延層上形成粗糙的馬賽克圖形。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)中高壓二極體或MOSFET生長(zhǎng)9.0微米薄膜外延層;操縱變因

為蝕刻時(shí)間，分別使用二分之一參考蝕刻時(shí)間、參考蝕刻時(shí)間、兩倍參考

蝕刻時(shí)間和三倍參考蝕刻時(shí)間來(lái)研究其外延層的研究生長(zhǎng)過(guò)程;摻雜濃度為

1E16 atm/cm3。

KLA-Tencor Candela CS920是一個(gè)晶圓表面缺陷檢查系統(tǒng)，可以在一

個(gè)單一檢測(cè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)表面探測(cè)和光致發(fā)光(PL)技術(shù)，用于檢測(cè)微蝕坑、

蘿卜狀蝕坑、彗星狀蝕線、三角形蝕坑和層錯(cuò)等表面缺陷。透過(guò)參數(shù)不同

的通道之間的交叉相關(guān)(鐳射波長(zhǎng)、表面角度、散射光幅度)，實(shí)現(xiàn)巨集微

缺陷檢測(cè)和自動(dòng)分類(lèi)。