偏晶向(0001)Si-面衬底上4H-SiC的LPCVD外延生长

化学气相沉积(CVD)是微电子器件用SiC外延材料的主要生长技术.为了获得高质量的4H-SiC外延材料,在偏向<1120>方向8°的4H-SiC(0001)Si-面衬底上,利用台阶控制生长技术进行4H-SiC的同质外延生长.表面形貌是SiC外延材料质量好坏的一个重要参数,为此研究了表面形貌与工艺参数的关系,探讨了4H-SiC外延膜的表面缺陷形成原因.利用Raman散射技术研究了非均匀4H-SiC外延材料的多晶型现象.     

偏晶向(0001)Si-面衬底上4H-SiC的LPCVD外延生长

化学气相沉积（CVD）是微电子器件用SiC外延材料的主要生长技术. 为了获得高质量的4H-SiC外延材料，在偏向〈1120〉方向8. 的4H-SiC (0001) Si-面衬底上，利用台阶控制生长技术进行4H-SiC的同质外延生长. 表面形貌是SiC外延材料质量好坏的一个重要参数，为此研究了表面形貌与工艺参数的关系，探讨了4H-SiC外延膜的表面缺陷形成原因. 利用Raman散射技术研究了非均匀4H-SiC外延材料的多晶型现象.     

小切角衬底上4H-SiC同质外延薄膜的形貌

4H-SiC外延薄膜是加工高频、大功率电子电力器件的理想半导体材料,而使用不同斜切角的衬底进行外延生长的工艺不同.在1.2°小切角的4H-SiC离轴衬底上采用化学气相沉积(CVD)法生长同质外延薄膜.为了改善外延薄膜的表面形貌,对生长温度、原位表面处理和C/Si比这三个重要的生长参数进行了优化.利用光学显微镜和原子力显微镜(AFM)观察外延薄膜的表面形貌,发现较高的生长温度和较低的C/Si比可以有效降低缺陷密度和表面粗糙度.在生长前使用硅烷气体进行原位表面处理可以有效减小外延薄膜表面的台阶聚束效应.低温光致发光测试表明生长的外延薄膜质量良好.     

氯基条件下4H-SiC衬底的同质外延生长研究

利用课题组自主研发的热壁低压化学气相沉积(HWLPCVD)系统,在朝[11-20]方向偏转4°的(0001)Si面4H-SiC衬底上进行快速同质外延生长,研究了生长温度及氯硅比(Cl/Si比)对外延生长速率的影响机理.研究发现,外延生长速率随生长温度的提高呈线性增加,而Cl/Si比的改变对生长速率的影响不大.文章进一步探究了Cl/Si比对4H-SiC外延层表面缺陷的影响.较低的Cl/Si比(0.4～2)可以减少或消除三角缺陷,Cl/Si比较高(大于5)时,表面质量反而下降,因而,适当的Cl/Si比对于获得表面形貌良好的4H-SiC外延层至关重要.     

零偏4H-SiC衬底的同质外延方法

基于水平热壁化学气相沉积(CVD)技术,采用原位刻蚀方法,在3英寸(1英寸=2.54 cm)(0001)Si面零偏4H-SiC衬底上生长了高质量的同质外延层,并对其主要工艺参数和生长机制进行了探讨。利用微分干涉相差显微镜、喇曼散射及湿法腐蚀等表征手法对样品进行了测试分析。测量结果表明,4H-SiC占整个外延表面积的99%以上,此外,该工艺消除了4H-SiC同质外延层中的基面位错,提高了外延层的质量。同时对零偏4H-SiC衬底的同质外延的工艺过程和理论进行了研究和讨论,实验发现,生长前的原位刻蚀、初始生长参数、碳硅原子比以及生长温度对于维持外延层晶型、避免3C-SiC多型的产生具有重要影响。     

6H-SiC衬底上异质外延3C-SiC薄膜的结构研究

以SiH4和C3H8为反应源,在1250℃下,采用低压热壁化学气相淀积法在6H-SiC衬底上异质外延生长了3C-siC薄膜.扫描电镜和原子力显微镜测试结果显示,样品表面光滑、无明显岛状结构物质.剖面透射电镜照片显示SiC外延层致密均匀、界面平整,厚度约为50nm.高分辨透射电镜结果显示,衬底与外延层分别为排列整齐的6H-SiC结构和3C-SiC结构,两者过渡平坦、界面处无其他晶型.选区电子衍射花样标定结果再次说明外延薄膜为闪锌矿结构的3C-SiC,计算的晶格常数为0.4362nm.     

6H-SiC衬底上异质外延3C-SiC薄膜的结构研究

以SiH4和C3H8为反应源,在1250℃下,采用低压热壁化学气相淀积法在6H-SiC衬底上异质外延生长了3C-siC薄膜.扫描电镜和原子力显微镜测试结果显示,样品表面光滑、无明显岛状结构物质.剖面透射电镜照片显示SiC外延层致密均匀、界面平整,厚度约为50nm.高分辨透射电镜结果显示,衬底与外延层分别为排列整齐的6H-SiC结构和3C-SiC结构,两者过渡平坦、界面处无其他晶型.选区电子衍射花样标定结果再次说明外延薄膜为闪锌矿结构的3C-SiC,计算的晶格常数为0.4362nm.     

利用垂直热壁CVD法快速生长高质量的4H-SiC同质外延膜

利用新改进的垂直低压热壁CVD 设备,应用TCS 和C2H4 分别作为Si 源和C 源,在偏8°晶向的4H-SiC 衬底上生长出了高质量的外延膜。当生长温度在1500℃到1530℃之间时,生长速率达到了25-30μm/h。50μm 厚的外延膜（生长2 小时）的结晶质量和表面粗糙度和薄的外延膜（生长30 分钟）相比均没有发生恶化。外延膜的背景掺杂浓度下降到了2.13×1015cm-3。另外,本文还研究了C/Si 对生长速率和外延膜结晶质量的影响。     

氢气体积流量对n型4H-SiC同质外延生长的影响

在商业化偏4°导电型4H碳化硅(SiC)衬底上采用化学气相沉积(CVD)的方法进行n型4H-SiC同质外延层生长,研究反应过程中氢气(H₂)对外延生长的影响,并使用表面缺陷测试仪、汞探针和红外膜厚仪等设备对外延层进行分析和表征。结果表明,氢气体积流量由基础值80增加到120 L/min,生长速率呈先增加后降低的趋势,生长速率的增加值最大为2μm/h,但缺陷呈先减少后增加的趋势。在高温CVD外延过程中,生长速率阶段性变化的原因：一是生长速率由气相质量转移系数和表面化学反应速率共同决定;二是氢气体积流量过大时,大量的析出氢难以及时离开生长表面,不利于反应物的有效分解和再沉积过程。综上所述,采用100 L/min氢气体积流量的生长工艺可在较高生长速率下制备高质量、厚度均匀性0.91%和载流子浓度均匀性1.81%的SiC外延片。     

AIN/Si(111)复合衬底上4H-SiC薄膜的异质外延

利用化学气相淀积(CVD)的方法在AlN/Si(111)复合衬底上成功实现了4H-SiC薄膜的异质外延生长,用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、阴极荧光(CL)等方法对所得样品的结构特征、表面形貌和光学性质进行了表征测量.XRD测量结果显示得到的SiC薄膜的晶体取向单一;室温CL结果表明所得SiC薄膜为4H-SiC,且随着生长温度的升高,SiC薄膜的CL发光效率提高.生长温度、反应气源中C/si比等工艺参数对SiC薄膜的外延生长及其性质影响的研究表明在AIN/Si(111)复合衬底上外延4H-SiC的最佳衬底温度为1230～1270℃,比通常4H-SiC同质外延所需的温度低200～300℃;较为合适的C/Si比值为1.3.     

水平冷壁CVD生长4H-SiC同质外延膜

采用自行设计的水平冷壁低压化学气相沉积（LPCVD）方法在偏向〈11-20〉晶向8°的n型4H-SiC（0001）衬底上进行了同质外延生长．在5.3e3Pa的低压下，外延膜生长速率超过3μm/h．电容电压法测试表明在非有意掺杂外延膜中净施主浓度为8.4e16cm－3．Nomarski显微镜观察表明厚外延膜的表面光滑，生长缺陷密度很低．AFM测试显示表面均方根粗糙度为0.3nm，没有观察到宏观台阶结构．Raman谱线清晰锐利，表现出典型的4H-SiC特征．在低温PL谱中，近带边区域出现很强的自由激子峰，表明样品是高质量的．     

水平冷壁CVD生长4H-SiC同质外延膜

采用自行设计的水平冷壁低压化学气相沉积(LPCVD)方法在偏向〈1120〉晶向8°的n型4H-SiC(0001)衬底上进行了同质外延生长.在5.3×103Pa的低压下,外延膜生长速率超过3μm/h.电容-电压法测试表明在非有意掺杂外延膜中净施主浓度为8.4×10 15cm-3.Nomarski显微镜观察表明厚外延膜的表面光滑,生长缺陷密度很低.AFM测试显示表面均方根粗糙度为0.3nm,没有观察到宏观台阶结构.Raman谱线清晰锐利,表现出典型的4H-SiC特征.在低温PL谱中,近带边区域出现很强的自由激子峰,表明样品是高质量的.     

化学气相沉积4H-SiC同质外延膜的生长及其特征

采用常压化学气相沉积(APCVD)方法在偏向<11-20>晶向8°的p型4H-SiC(0001)Si-面衬底上进行同质外延生长.霍尔测试的结果表明,非有意掺杂的外延膜层导电性为n型.XRD测试显示各个样品只在位于2θ=35.5°附近出现一个谱峰,表明外延膜是SiC单晶.在低温PL谱中,对于在较低温度下外延生长的4H-SiC样品,在1.8～2.4eV范围内出现很宽的谱峰.而在该样品的Raman谱中,也观察到了典型的3C-SiC的特征峰,表明该样品含有立方相SiC的混晶,这与PL谱获得的结果相吻合.     

4H-SiC同质外延层的质量表征

在高纯半绝缘4H-SiC偏8°衬底上同质外延生长了高质量的外延层,利用X射线双晶衍射、原子力显微镜(AFM)、汞探针C-V以及霍尔效应等测试方法,对样品的结晶质量、表面粗糙度、掺杂浓度以及电子迁移率进行了分析测试,证实外延层的结晶质量相对于衬底有着很大的改善。在同质外延7.5μm的外延层后,其半高宽从衬底的30.55arcsec减小到27.85arcsec;外延层表面10μm×10μm的粗糙度(RMS)为0.271nm;室温下,样品的掺杂浓度为1×1015cm-3时,霍尔迁移率高达987cm2/(V.s);浓度为1.5×1016cm-3时,霍尔迁移率为821cm2/(V.s)。77K时,霍耳迁移率分别为1.82×104cm2/(V.s)和1.29×104cm2/(V.s)。掺杂浓度的汞探针C-V测试结果与霍尔效应的实验数据一致。     

化学气相沉积4H-SiC同质外延膜的生长及其特征

采用常压化学气相沉积(APCVD)方法在偏向<11-20>晶向8°的p型4H-SiC(0001)Si-面衬底上进行同质外延生长.霍尔测试的结果表明,非有意掺杂的外延膜层导电性为n型.XRD测试显示各个样品只在位于2θ=35.5°附近出现一个谱峰,表明外延膜是SiC单晶.在低温PL谱中,对于在较低温度下外延生长的4H-SiC样品,在1.8～2.4eV范围内出现很宽的谱峰.而在该样品的Raman谱中,也观察到了典型的3C-SiC的特征峰,表明该样品含有立方相SiC的混晶,这与PL谱获得的结果相吻合.     

化学气相沉积4H-SiC同质外延膜的生长及其特征

采用常压化学气相沉积（APCVD）方法在偏向〈1120〉晶向8. 的p型4H-SiC (0001) Si-面衬底上进行同质外延生长. 霍尔测试的结果表明，非有意掺杂的外延膜层导电性为n型. XRD测试显示各个样品只在位于2θ=355. 附近出现一个谱峰，表明外延膜是SiC单晶. 在低温PL谱中，对于在较低温度下外延生长的4H-SiC样品，在1.8～2.4eV范围内出现很宽的谱峰. 而在该样品的Raman谱中，也观察到了典型的3C-SiC的特征峰，表明该样品含有立方相SiC的混晶，这与PL谱获得的结果相吻合.     

Nickel Ohmic Contacts to N-Implanted (0001) 4H-SiC

Samples for transmission line model (TLM) and Hall measurements were fabricated on (0001) 4H-SiC implanted with nitrogen at 1 × 10¹⁸ cm⁻³, 4 × 10¹⁸ cm⁻³, 1 × 10¹⁹ cm⁻³, 4 × 10¹⁹ cm⁻³, and 1 × 10²⁰ cm⁻³. Following high-temperature activation, the activation percentage dropped from ~90% to ~20%, and the Hall mobility decreased from ~100 cm²/V · s to ~20 cm²/V · s as the implant concentration increased from 1 × 10¹⁸ cm⁻³ to 1 × 10²⁰ cm⁻³. The specific contact resistance as a function of Hall concentration is compared with published data for Ni contacts to epitaxial layers. The specific contact resistance as a function of activation temperature was also studied for two fixed implant concentrations of 5 × 10¹⁸ cm⁻³ and 1 × 10²⁰ cm⁻³.