SiC外延工藝的摻雜以及監(jiān)測(cè)
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來源：寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟
控制外延層的摻雜類型和濃度對(duì) SiC 功率器件的性能至關(guān)重要，它直接決定了后續(xù)器件的比導(dǎo)通電阻，阻斷電壓等重要的電學(xué)參數(shù)。
而鋁(Al)原子是和硅(Si)原子競(jìng)爭(zhēng)格點(diǎn)位置，如果想減少鋁(Al)原子的摻雜濃度，可以提高外延氣源中的硅(Si)原子濃度；與之相反，降低外延氣源中的硅(Si)原子濃度可以提高鋁(Al)原子的摻雜濃度。外延生長(zhǎng)中，Si源的常用氣源是SiCl4或者SiH4；C源的常用氣源是CCl4或者C3H8，我們可以控制二者的流量比例來控制C/Si組分比例，進(jìn)而有效地控制不同元素的摻雜濃度。
外延層的摻雜濃度除了與氣源中的C /Si組分比例有關(guān)以外，還和CVD工藝中的氣源流量、氣體壓強(qiáng)和生長(zhǎng)溫度有關(guān)。我們以最常見的氮(N)摻雜為例來進(jìn)一步說明。通過在CVD生長(zhǎng)過程中引入氮?dú)?N2)能快速地實(shí)現(xiàn)氮(N)摻雜。圖1所示為外延溫度1550℃下，4H-SiC外延中的氮(N)摻雜濃度和氮?dú)?N2)流量的關(guān)系圖[2]。我們可以看到在固定的C/Si組分比例下，無論是Si面還是C面的摻雜濃度在四個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)都和氮?dú)?N2)流量成正比例關(guān)系。摻雜濃度涵蓋了器件中最常用e14—e18的摻雜范圍。
圖1. 4H-SiC氮(N)摻雜濃度與氮?dú)?N2)流量關(guān)系U. Forsberg等人[3]也研究了CVD腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)和摻雜濃度的關(guān)系。外延溫度在1600℃，C/Si比例為3.5，氮?dú)饬髁繛?2ml/min條件下， N元素濃度和壓強(qiáng)的關(guān)系見圖2。無論4H-SiC的C面或Si面外延，摻雜濃度隨著壓強(qiáng)的升高而變大。
圖2. N元素?fù)诫s濃度和氣體壓強(qiáng)的關(guān)系摻雜濃度和生長(zhǎng)溫度的關(guān)系更為復(fù)雜，這里還是以4H-SiC外延中氮(N)摻雜為例。在其他工藝參數(shù)保持不變的情況下，溫度的升高會(huì)增加Si面的摻雜濃度，但是同時(shí)會(huì)降低C面的摻雜濃度。伴隨著溫度的升高，因?yàn)橐r底的N摻雜高于外延層，有可能襯底的N元素會(huì)擴(kuò)散到外延層，改變了外延層和襯底的電學(xué)特性；同時(shí)溫度的升高也會(huì)提升外延速率，引起厚度橫向分布不均。所以溫度的設(shè)定要根據(jù)多種因素來考慮。
P型外延的摻雜使用的氣源為三甲基鋁(TMA: Al(CH3)3)。和N型摻雜類似，它的摻雜濃度也受到C/Si組分比，氣源流量，氣體壓強(qiáng)和工藝溫度的影響，這里不做具體說明。實(shí)際生產(chǎn)中，4H-SiC外延中常用的摻雜元素有：N型摻雜，氮(N)和磷(P); P型摻雜，鋁(Al)，硼(B)和鎵(Ga)。在4H-SiC中，Si/C原子有兩種晶格格點(diǎn)，分別為六方格點(diǎn)和立方格點(diǎn)。由于格點(diǎn)效應(yīng)，對(duì)于同種元素，替換不同格點(diǎn)處的原子的電離能也是不同的。這些元素具體的電離能和溶解度極限見表1。鎵(Ga)元素的電離能的理論計(jì)算值為329mev[4]。
| 氮(N) | 磷(P) | 鋁(Al) | 硼(B) | |
| 六方/立方電離能(mev) | 61/126 | 60/120 | 198/201 | 280/280 |
| 溶解度極限(cm-3) | 2*1020 | 1*1021 | 1*1021 | 2*1019 |
對(duì)于N型摻雜，氮(N)元素和P(磷)元素有著接近的電離能和溶解極限，都可以用作摻雜雜質(zhì)。但是Rongjun Wang等人研究發(fā)現(xiàn)[5]，磷 (P)元素的“競(jìng)位外延”效應(yīng)不明顯，它的摻雜濃度改變對(duì)C/Si組分的變化不敏感。比起氮(N)元素，P(磷)元素更難實(shí)現(xiàn)較高的摻雜濃度，所以目前大規(guī)模生產(chǎn)中主要使用氮(N)作為N型摻雜元素。
對(duì)于P型摻雜，理論上鋁(Al)，硼(B)和鎵(Ga)元素都可以作為摻雜雜質(zhì)。但是考慮到鎵(Ga)元素的329 mev電離能，一般不考慮該元素。鋁(Al)的電離能比硼(B)要小，同時(shí)考慮到B元素會(huì)在后續(xù)的高溫工藝中異常擴(kuò)散散問題，所以鋁(Al)是P型摻雜最理想的摻雜元素。
圖3. 4H-SiC中N元素的電離率隨溫度的關(guān)系
圖4. 4H-SiC中Al元素的電離率隨溫度的關(guān)系
圖3和4分別給出了4H-SiC中N元素和Al元素的電離率隨溫度的變化關(guān)系。因?yàn)锳l元素較高的電離能，它的電離率低于N元素，但是它們的電離率都隨著溫度的升高而變大。室溫下當(dāng)摻雜濃度小于e16時(shí)候，N元素幾乎完全電離，這時(shí)候我們可以認(rèn)為它的施主濃度等于載流子濃度。
綜上所述，外延層的摻雜濃度受C/Si組分比，氣源流量，氣體壓強(qiáng)和工藝溫度的多重影響，所以對(duì)外延工藝后的摻雜濃度的監(jiān)控十分必要。二次離子質(zhì)譜分析(SIMS)和擴(kuò)散電阻探針技術(shù)(SRP)，都可以用來測(cè)量外延摻雜濃度/載流子濃度隨深度的變化。
SIMS能測(cè)試的最小元素濃度為1014/cm3,設(shè)備的橫向空間分辨率為1微米量級(jí)，縱向的深度分辨率為10nm量級(jí)，適合測(cè)量外延層中摻雜濃度隨深度的變化。但是SIMS做為一種破壞性地測(cè)試方法，在濺射后會(huì)在樣品表面留下隕石坑的破壞，而無法重復(fù)或者進(jìn)行其他測(cè)試。此外SIMS測(cè)試的是元素濃度分布，與該元素是否被電離無關(guān)。SiC中雜質(zhì)元素的電離能普遍比較高，比如鋁(Al)在室溫下部分電離，所以SIMS濃度分布無法完全表征外延層的電學(xué)特性。下面介紹的SRP技術(shù)測(cè)試的就是電離后的雜質(zhì)對(duì)電阻的影響，更能直接反應(yīng)出外延摻雜的電學(xué)特性。
SRP的測(cè)試原理如圖5所示。待測(cè)試樣品通過小角度地機(jī)械研磨形成了一個(gè)斜面，兩個(gè)對(duì)齊的探針跨在x方向上做步進(jìn)移動(dòng)，并同時(shí)做電阻測(cè)試。假定X方向步進(jìn)為 Δx ，則縱向的步進(jìn) Δz = sinα·Δx ，其中 α 為研磨角。通過不同的研磨角和步進(jìn)相互匹配，則z軸的縱向深度精度可以得到納米級(jí)別。因?yàn)閮商结樖亲鲋苯咏佑|的電阻測(cè)試，所以它的電阻測(cè)試范圍很廣，在100 Ω 到1011 Ω范圍[6]。
圖5. SRP測(cè)試原理SRP技術(shù)的缺點(diǎn)是樣品制備的復(fù)雜性。首先要保證研磨表面有足夠的粗糙度，對(duì)注入的載流子有較高的復(fù)合速率，降低測(cè)試中注入載流子對(duì)電阻的影響；同時(shí)研磨的角度涉及縱向深度的表征，所以在研磨斜面后要進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試研磨角度。SEMILAB公司為了解決該問題推出了SRP-2100i設(shè)備，它內(nèi)置了樣品的研磨角裝置和自動(dòng)對(duì)齊樣品放置的視覺系統(tǒng)，提供了前所未有的自動(dòng)化水平，使數(shù)據(jù)更易于獲取減少了對(duì)操作者的依賴。此外SRP-2100i還引入了PCIV技術(shù)來克服4H-SiC的高肖特基勢(shì)壘的問題。圖6為SRP-2100i測(cè)試4H-SiC外延層的曲線，可以看出該外延層是由兩部分組成：頂部大約為1.5um的高摻雜外延層，下部為10.498um的低摻雜外延層。如果使用了已知電阻率的4H-SiC校準(zhǔn)樣品，經(jīng)過校準(zhǔn)后SRP-2100i也能自動(dòng)計(jì)算出該樣品的電阻率隨深度變化的曲線。
圖6. SRP-2100i測(cè)試得到4H-SiC外延層電阻隨深度的變化曲線因?yàn)镾iC外延片成本很高，而且摻雜濃度受多個(gè)工藝參數(shù)的影響，所以實(shí)際生產(chǎn)中要求所有外延片進(jìn)行摻雜濃度測(cè)試。而SIMS和SRP都是破壞性測(cè)試，無法滿足這種測(cè)試需求，現(xiàn)在工廠端使用的是電壓-電容法(C-V)測(cè)試技術(shù)。C-V技術(shù)的基本物理原理是：外延層的空間電荷區(qū)的寬度取決于外部的反向電壓，而該寬度又和它的電容成反比，通過測(cè)試該電容值和反向電壓值，就可以計(jì)算出外延層內(nèi)的摻雜濃度。通過改變反向的電壓大小，就能計(jì)算出摻雜濃度隨深度的變化關(guān)系。
汞探針C-V(MCV)可以快速地和外延層形成肖特基接觸，而且也不會(huì)破壞外延層的表面，成為了檢測(cè)摻雜濃度的最快速有效的辦法。市場(chǎng)占有率最高的為SEMILAB公司MCV-530，圖7為該設(shè)備測(cè)試的外延片不同位置摻雜濃度隨深度分布，對(duì)于多點(diǎn)測(cè)試還可以生成Mapping圖來方便查看摻雜濃度在外延片上的橫向分布。
圖7. SEMILAB公司MCV-530測(cè)試的摻雜濃度分布圖MCV測(cè)量中的汞殘留，可以通過多種清洗工藝將表面恢復(fù)到低于5x1010/cm2的水平，不會(huì)影響后續(xù)的器件工藝。但是為了避免該清洗工藝，并考慮到汞使用的安全問題，SEMILAB公司又開發(fā)出了一種電荷式非接觸式CV測(cè)量設(shè)備CnCV-230。它的測(cè)試原理圖見圖8(a)，測(cè)試探頭主要有左側(cè)的電暈槍和右側(cè)的開爾文探頭組成。電暈槍精準(zhǔn)的放置已知?jiǎng)┝康碾姾傻絊iC外延層表面，形成空間耗盡層；表面電勢(shì)通過右側(cè)的非接觸開爾文探頭精確測(cè)量。非接觸的測(cè)試方法可以解決MCV汞殘留問題，CnCV和MCV的量測(cè)相關(guān)性見圖8(b)，在E15-E18摻雜范圍內(nèi)有非常好的一次線性關(guān)系。在不改變監(jiān)控基準(zhǔn)線情況下，兩種檢測(cè)技術(shù)可以在外延工廠內(nèi)相互替代。
圖8. (a)SEMILAB公司CnCV-230測(cè)試原理圖 (b) SEMILAB公司MCV和CnCV量測(cè)相關(guān)性參考文獻(xiàn)：[1] Larkin, D.J., etc. Site-competitionepitaxy for superior silicon carbide electronics. Appl. Phys. Lett., (1994)[2] Tsunenobu Kimoto, Bulk and epitaxialgrowth of silicon carbide. Progress in Crystal Growth and Characterization ofMaterials (2016)[3] U. Forsberg etc., Nitrogen doping ofepitaxial silicon carbide. Journal of Crystal Growth 236 (2002)[4] Zhiguo Wang etc., First principlesstudy of p-type doping in SiC nanowires: role of quantum effect. Journal ofNanoparticle Research (2011).[5] RongjunWang etc., Epitaxial growth of n-type SiC using phosphine and nitrogen as theprecursors. Journal of Applied Physics 92, 7587 (2002)[6]https://semilab.com/category/products/spreading-resistance-profiling?search_string=SRP
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