4H-SiC同质外延的表征及深能级分析研究

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1、摘要摘要SiC器件和其它半导体器件一样，材料的质量对于SiC器件的制备和性能具有非常重要的意义。高质量的SiC单晶是制备高性能SiC器件的基础，有利于SiC器件研制和进一步推广应用。目前，4H．SiC同质外延单晶薄膜的研究已经取得了可喜的成绩。但是国内才刚起步，且由于同质外延的表征测试存在一定困难：还没有一套系统完整的表征测试方法；对于非刻意掺杂4H．SiC同质外延中存在的影响器件性能的本征深能级，国际上也存在比较大的争议，不同样品的结果也差异很大；对于深能级的起源没有定论，也没有提出一套很好的解决办法。国内对于这一方面的研究还是空白。在此背

2、景下，本文对制备4H．SiC同质外延薄膜的机理、方法和特性进行了系统的理论分析和实验验证；提出一套系统完整的4H．SiC同质外延薄膜表征测试方法；对影响器件性能的非刻意掺杂11型4H．SiC外延中的本征深能级等相关问题进行了广泛深入的研究。主要的研究成果如下：1．在理论分析的基础上，对4H．SiC同质外延生长的关键工艺进行了实验研究，得出影响这些材料参数的主要因素。确定了关键参数变化趋势，制定了完整的工艺流程。2．建立了系统的4H—SiC同质外延薄膜表征测试方法。通过不同掺杂浓度样品Raman光谱中LOCP的不同，提出了一种简易测试外延厚度的

3、方法。利用FTIR反射谱对4H．SiC同质外延晶体薄膜的质量进行评价，完善了用干涉条纹的频率和强弱的方法来计算外延薄膜的厚度。通过vanderPaul法霍尔测试技术，对低N掺杂的11型4H．SiC同质外延的迁移率和霍尔系数进行测试表征。用汞(Hg)探针C．V测试获取4H．SiC同质外延纵向杂质浓度分布的信息，并通过多点测试，得到外延片的掺杂浓度均匀性。对样品进行了电阻均匀性测试，测试结果显示电阻率分布较为均匀，最小和最大电阻率分别为0．37680·C111和0．3972O·C111，误差仅为1．04％。HRXRD测试显示4H。SiC同质外延薄

4、膜半高宽(FWHM)为36s，距主峰左侧约41”处出现另外一个衍射峰。经计算分析，该衍射峰偏移主要是由外延和衬底的晶向偏移引起的。借助SEM、AFM和X射线光电子能谱仪对4H．SiC样品表面形貌以及元素进行了定性和定量的测试分析。借助SIMS对舢掺杂和高N掺杂的4H．SiC样品中的主要掺杂杂质浓度及薄膜厚度进行了测试，验证了光学测试的结果。3．研究了非刻意掺杂4H．SiC同质外延禁带中形成的缺陷深能级。对样品进行10K到室温的变温光致发光测量，发现4H．SiC存在由本征深受主能级引起的“绿一24H．SiC同质外延的表征及深能级分析研究带"发光

5、现象。借助PLmapping对样品的峰值波长(PeakLambda)和发光强度(PeakInt)进行了测量，结果表明在4H．SiC外延大部分区域存在本征深能级缺陷，且分布均匀。通过理论分析表明存在两个深能级，分别位于导带下El=O．942eV，E2=1．190eV处。深能级缺陷形成的原因主要是由于样品中存在着大量的碳空位Vc。“绿带”发光谱与碳空位Vc及其扩展缺陷都相关，是由二者络合形成的。4．为了减少外延层中的C空位，进行了C离子注入4H．SiC外延的理论研究和工艺设计。通过研究离子注入理论和工艺特性，采用蒙特卡罗(MonteCarlo)方

6、法，借助Trim模拟软件对C离子注入4H．SiC的分布进行了统计计算，计算模拟了不同注入能量下C注入4H．SiC的平均投影射程、标准偏差以及浓度分布。在此基础上，提出采用三次C离子注入消除非刻意掺杂4H．SiC中深能级缺陷的方法和工艺流程，包括离子注入工艺参数(能量、剂量)的确定、注入掩膜层Si02厚度的选取原则，退火温度和时间以及退火保护。成功地进行了注入实验。5．研究了C离子注入和高碳硅比生长4H．SiC对深能级的影响。发现1600℃的退火温度对注入引起的晶格损伤起到了很好的修复作用，并可以有效地激活碳离子，使其占据C空位。高温退火使C空

7、位被占据有效地减少了C空位衍生缺陷。通过碳离子注入成功消除了非刻意掺杂11型4H．SiC外延薄膜中的深能级缺陷。研究了生长4H．SiC外延薄膜合适的碳硅比区间。综合考虑增大C／Si对4H．SiC外延质量的影响和实验成本两个方面，选取C／Si为1．5和3两种样品，找出增大C／Si对于非刻意掺杂4H．SiC深能级缺陷变化的趋势和效果。结果表明，增大生长碳硅比，能在一定程度上抑制碳空位的产生，减少本征深能级缺陷，但受外延晶体质量等条件限制，有一定的局限性。关键词：化学气相淀积(cVD)，4H．SiC同质外延，材料表征技术，本征深能级，离子注入，退火

8、Abstract三Asothersemiconductordevice，thequalityofsiliconcarbide(SiC)materialplaysav