4H-SiC外延材料低位錯(cuò)密度關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、以碳化硅(SiC)材料為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn),特別適合制作高溫、高壓、大功率、耐輻照等半導(dǎo)體器件。其中4H-SiC材料以其優(yōu)異的特性引起人們的廣泛重視。然而在晶體生長(zhǎng)和器件制備過(guò)程中常會(huì)引入大量的缺陷,主要包括螺型位錯(cuò)(TSD)、刃型位錯(cuò)(TED)、基面位錯(cuò)(BPD)和堆垛層錯(cuò)(SF)等,這些缺陷對(duì)器件性能有著不同程度的影響。其中BPD對(duì)器件特性影響最為顯著,因此也

2、成為近期研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　 國(guó)外已相繼開(kāi)展了降低BPD密度方法的研究,并取得了一定的成績(jī),但關(guān)于降低BPD密度機(jī)理的研究還存在爭(zhēng)議。國(guó)內(nèi)盡管在4H-SiC材料外延生長(zhǎng)方面已取得一定的成績(jī),但由于起步晚,很多工作還沒(méi)有開(kāi)展。其中關(guān)于4H-SiC材料缺陷表征問(wèn)題的研究還很少,尤其對(duì)控制外延層中BPD密度方法的研究還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道?；谝陨蠁?wèn)題,本文圍繞降低外延層BPD密度外延生長(zhǎng)開(kāi)展相關(guān)研究工作,主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:

3、
　　 (1)利用掃描電子顯微鏡(SEM)和陰極熒光(CL)相結(jié)合的方式對(duì)常規(guī)CVD方法制備的偏8°同質(zhì)4H-SiC外層中的缺陷進(jìn)行無(wú)損測(cè)試后發(fā)現(xiàn):晶體表面分布著少量的三角形缺陷和蘿卜型缺陷；晶體內(nèi)部分布著大量的TED和少量的TSD。沿基面規(guī)律性分布著大量的BPD和SF。分析認(rèn)為造成BPD和SF這一分布特點(diǎn)的主要原因是階梯流生長(zhǎng)機(jī)制所致。同時(shí)還利用CL對(duì)缺陷的發(fā)光特性進(jìn)行了研究,并從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了4H-SiC外延材料中綠帶發(fā)光中

4、包含BPD的推論。
　　 (2)研究了位錯(cuò)的延伸和轉(zhuǎn)化機(jī)理。研究結(jié)果為:TSD不能轉(zhuǎn)化為T(mén)ED而B(niǎo)PD可以轉(zhuǎn)化為T(mén)ED。這是由于在轉(zhuǎn)化過(guò)程中前者只滿(mǎn)足能量最低卻不能滿(mǎn)足伯格斯矢量守恒的條件,而后者可以同時(shí)保持能量最低和伯格斯矢量守恒的雙重條件。在兩種BPD中,BMD比BTSD更容易轉(zhuǎn)化成TED。該結(jié)論不但完善了目前國(guó)際上對(duì)位錯(cuò)延伸和轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究結(jié)果,而且為位錯(cuò)密度控制方法提供了理論指導(dǎo)。
　　 (3)利用選擇性刻蝕實(shí)現(xiàn)

5、了降低外延層中BPD密度的目的。在經(jīng)過(guò)選擇性刻蝕后的N型4H-SiC襯底上采用常規(guī)CVD法生長(zhǎng)同質(zhì)非故意摻雜外延材料。測(cè)試結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)選擇性刻蝕后生長(zhǎng)的外延材料的BPD密度比常規(guī)方法外延生長(zhǎng)BPD密度降低了31％(由1.7×10％m2降到5.3×103/cm2)。
　　 (4)研究了利用選擇性刻蝕外延生長(zhǎng)的材料中BPD延伸和轉(zhuǎn)化結(jié)果以及外延層中BPD形成機(jī)理。結(jié)果表明:在襯底中沿<1120>方向的BPD在外延生長(zhǎng)中全部轉(zhuǎn)化為T(mén)

6、ED；沿<1100>的BPD在外延層中部分轉(zhuǎn)化成TED。造成沒(méi)有轉(zhuǎn)化的原因分析認(rèn)為局部的應(yīng)力集中增加了該區(qū)域的彈性能,導(dǎo)致不易轉(zhuǎn)化為能量較低的FED。對(duì)比襯底和外延層同一位置后發(fā)現(xiàn),襯底表面拋光引入的小缺陷可導(dǎo)致新BPD的產(chǎn)生。由此提出了通過(guò)提高襯底表面質(zhì)量可有效降低新BPD的成核密度。
　　 (5)對(duì)外延層中原位SF的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。研究結(jié)果為:原位SF的成核位不是TSD,而是襯底表面的雜質(zhì)或微粒。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn):采用選擇性刻