4H-SiC同質(zhì)外延的表征及深能級分析研究

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1、摘要摘要SiC器件和其它半導體器件一樣，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

2、景下，本文對制備4H．SiC同質(zhì)外延薄膜的機理、方法和特性進行了系統(tǒng)的理論分析和實驗驗證；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11型4H．SiC外延中的本征深能級等相關(guān)問題進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)鍵工藝進行了實驗研究，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

3、方法。利用FTIR反射譜對4H．SiC同質(zhì)外延晶體薄膜的質(zhì)量進行評價，完善了用干涉條紋的頻率和強弱的方法來計算外延薄膜的厚度。通過vanderPaul法霍爾測試技術(shù)，對低N摻雜的11型4H．SiC同質(zhì)外延的遷移率和霍爾系數(shù)進行測試表征。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，并通過多點測試，得到外延片的摻雜濃度均勻性。對樣品進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0．37680·C111和0．3972O·C111，誤差僅為1．04％。HRXRD測試顯示4H。SiC同質(zhì)外延薄

4、膜半高寬(FWHM)為36s，距主峰左側(cè)約41”處出現(xiàn)另外一個衍射峰。經(jīng)計算分析，該衍射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行了定性和定量的測試分析。借助SIMS對舢摻雜和高N摻雜的4H．SiC樣品中的主要摻雜雜質(zhì)濃度及薄膜厚度進行了測試，驗證了光學測試的結(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“綠一24H．SiC同質(zhì)外延的表征及深能級分析研究帶"發(fā)光

5、現(xiàn)象。借助PLmapping對樣品的峰值波長(PeakLambda)和發(fā)光強度(PeakInt)進行了測量，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，分別位于導帶下El=O．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，進行了C離子注入4H．SiC外延的理論研究和工藝設(shè)計。通過研究離子注入理論和工藝特性，采用蒙特卡羅(MonteCarlo)方

6、法，借助Trim模擬軟件對C離子注入4H．SiC的分布進行了統(tǒng)計計算，計算模擬了不同注入能量下C注入4H．SiC的平均投影射程、標準偏差以及濃度分布。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Si02厚度的選取原則，退火溫度和時間以及退火保護。成功地進行了注入實驗。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

7、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11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)量的影響和實驗成本兩個方面，選取C／Si為1．5和3兩種樣品，找出增大C／Si對于非刻意摻雜4H．SiC深能級缺陷變化的趨勢和效果。結(jié)果表明，增大生長碳硅比，能在一定程度上抑制碳空位的產(chǎn)生，減少本征深能級缺陷，但受外延晶體質(zhì)量等條件限制，有一定的局限性。關(guān)鍵詞：化學氣相淀積(cVD)，4H．SiC同質(zhì)外延，材料表征技術(shù)，本征深能級，離子注入，退火

8、Abstract三Asothersemiconductordevice，thequalityofsiliconcarbide(SiC)materialplaysav