雜質(zhì)對碳化硅外延層生長的影響

  1. 碳化硅異質(zhì)外延
  在碳化硅生長層中引入特定雜質(zhì)時,有可能得到與襯底晶型不同的外延薄膜,例如,同時引入稀土元素鈧(Sc)和鋱(Tb)以及鋁(Al)和硼(B)時,會在6H-SiC襯底上得到4H-SiC外延簿膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),引入IV族雜質(zhì):錫(Sn)、鉛(Pb)、鍺(Ge)時,生長層從6H-到4H-的轉(zhuǎn)變最為充分,而V族雜質(zhì)(氮和磷)則更有利于3C-晶型的生長。
 
  同時還發(fā)現(xiàn),生長區(qū)Si和C濃度比的變化對異質(zhì)外延有顯著的影響,比如,Si濃度增加時會導致3C-SiC晶型形成幾率增加而六角型結(jié)構(gòu)的形成幾率降低,同時,過量碳的引入有可能在6H-襯底上生長出4H-SiC外延層。還注意到在(0001)c軸向生長過程中更容易發(fā)生襯底晶型的轉(zhuǎn)變,在這種情況下,溫度和生長速率對異質(zhì)外延的影響不大。
 
  采用15R-和6H-SiC襯底上生長的4H-SiC厚外延層作為籽晶進行了單晶錠的生長,生長采用(0001)C面,并在氣相中加入Sc,這樣可以同時獲得n型和p型外延層。值得注意的是,鈧的濃度較高(≥10¹⁷cm^-3)時,會在外延薄膜中產(chǎn)生機械應力。總的來說,以這種方式獲得的外延層具有相當高的結(jié)構(gòu)完整性,因此可以用來制造具有pn結(jié)柵的場效應晶體管(JFET)。
 
  采用富硅且沒有輔助摻雜的升華外延工藝也可以在6H-SiC襯底生長出3C-SiC外延層,在這種情況下,3C-薄膜會以孿晶的形式生長,每一部分單晶的面積至少4~6mm。
 
  由于同型異構(gòu)體的屬性仍不太清楚,因此對異質(zhì)外延的特性也很難理解,異質(zhì)外延的幾率不僅受到了生長區(qū)雜質(zhì)組分的影響,還會受到其他各種因素的影響,比如熱動力學(壓力、溫度)和晶體結(jié)構(gòu)(襯底晶向及其結(jié)構(gòu)不完整的程度)。另外,如果在標準的升華外延工藝(通常被用來生長6H-層)中采用lely法生長的具有高位錯密度(~10⁵cm^-2)的6H-SiC襯底,那么生長出來的則會是3C-外延層。
 
  異質(zhì)外延工藝與各種碳化硅晶型的化學計量比有關(guān)。前面已經(jīng)發(fā)現(xiàn),不同碳化硅晶型的SiC原子比是不同的,它會隨晶格中六角型格點位置百分比的增加而降低。研究表明,3C-、6H-和15R-晶型的Si/C原子比分別為1.046、1.022和1.001。一份關(guān)于不同SiC晶型中擴散和固溶度的測量數(shù)據(jù)表明,各晶型中碳空位的濃度V_c也有所不同。
 
  當晶格應力隨碳空位濃度的增加而增加時,立方格點位置上原子之間的化學鍵變得對能量更加敏感,這會導致晶體結(jié)構(gòu)的重組和晶型的轉(zhuǎn)變。
 
  2. SiC競位外延
  Larkin等人發(fā)現(xiàn),碳化硅外延層中電活性雜質(zhì)的濃度取決于CVD生長過程中氣相C和Si的濃度比,并把這種效應稱為競位外延(SCE)。采用SCE已經(jīng)獲得了非補償施主濃度(N_d-N_a)約10¹⁴cm^-3的n-SiC外延層，這可以解釋為晶體生長表面高濃度的C原子抑制了摻入的氮原子占據(jù)晶格中的碳格點,只有在襯底Si-面上生長晶體時才會觀察到這種情況,而在C-面生長時C/Si原子比的改變對雜質(zhì)濃度幾乎沒有影響。這種模式已經(jīng)在不同C/Si原子比生長的SiC外延層中N原子濃度的二次離子質(zhì)譜(SIMS)測量中得到了證實。然而,SIMS數(shù)據(jù)中N原子濃度改變2.5~3.5倍時,對應的N_d-N_a則減少了4或5倍。我們認為,這說明還存在其他影響N_d-N_a數(shù)量級的因素?；蛟S氣相中C/Si原子比對外延層中的背景受主缺陷能級的濃度有一定的影響,即可以假定背景受主能級的密度隨C/Si原子比的減小而增加。
 
  在升華法生長6H-SiC的過程中也觀察到了這種效應,即輕摻雜n型層會被背景深受主能級(i-和-中心)過補償。在升華法生長外延層的研究中還發(fā)現(xiàn),增加生長區(qū)域的Si分壓(Ps)(即增加C/Si原子比),會導致生長層的過補償,進一步增加Ps時甚至可以得到摻雜更重的p型層。
 
  我們實驗室在進行CVD(CH₄+SiH₄+H₂)生長6H-SiC外延層的研究中也發(fā)現(xiàn),隨著氣相C/Si原子比的增加,首先會出現(xiàn)一個導電類型相反的初始層,然后是重摻雜的p層(圖1)。對這些p型層的深能級瞬態(tài)譜(DLTS)研究表明,對N_a-N_d貢獻最大的是(E_c-0.2±0.02eV)的深受主能級,其參數(shù)與通常升華法生長的外延層中的背景能級(L-中心)的參數(shù)類似。這些能級的濃度隨N_a-N_d的增加而增加(比如,隨生長過程中C/Si原子比的增加)。

 
  因此,我們認為,碳化硅外延層生長過程中C/Si濃度比的變化不僅影響碳化硅晶格中氮原子的捕獲,還會影響生長過程中所形成的背景深受主能級的濃度。



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