超結(jié)SiC新技術(shù)出爐，規(guī)?；慨a(chǎn)又進(jìn)一步

1200-2000V的SiC 器件已經(jīng)逐漸廣泛被采用，但是要跟3.3 kV 以上的雙極型硅基IGBT技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，單極型SiC器件（MOSFET 和肖特基二極管）的導(dǎo)通電阻（Ron,sp）必須進(jìn)一步降低，而SiC 超結(jié) (SJ) 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵之一。

業(yè)界已經(jīng)使用多外延工藝和側(cè)壁注入實(shí)現(xiàn)了800-1700 V SiC SJ 器件。然而，業(yè)界暫無(wú)可行的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，這是由于 4H-SiC 中的低擴(kuò)散系數(shù)，通常需要超過(guò)五次外延重復(fù)操作，意味著不能使用硅基SJ制造中常見(jiàn)的退火工藝。

制造SiC SJ 的另一種方法是通過(guò)溝槽外延，即在 n-（或 p-）4H-SiC 外延層中蝕刻出溝槽，然后通過(guò)部分選擇性外延工藝，用 p-（或 n-）4H-SiC 重新填充。這種方法已在 4H SiC 中通過(guò) 1650℃的外延生長(zhǎng)得到證實(shí)；然而，這種方法也存在一些局限性。

例如：在 4H-SiC 外延層干法蝕刻過(guò)程中形成微溝槽；外延前無(wú)意中發(fā)生的高溫 H2 退火導(dǎo)致 4H-SiC 溝槽側(cè)壁變圓；在重新填充的溝槽內(nèi)形成空隙；小面生長(zhǎng)問(wèn)題等。

近日，華威大學(xué)工程學(xué)院的一項(xiàng)突破性的研究提供了一種新的溝槽外延方法，該研究團(tuán)隊(duì)在1550°C的較低生長(zhǎng)溫度下，使用過(guò)飽和氯化化學(xué)方法重新填充4H-SiC的外延溝槽。這種方法帶來(lái)了2大好處：

●?更好地保持了溝槽的完整性；

●?減少了因高溫H2退火導(dǎo)致的溝槽側(cè)壁變圓的問(wèn)題。

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準(zhǔn)備步驟

首先，研究團(tuán)隊(duì)在直徑為100毫米的高摻雜（n+）4H-SiC襯底上，使用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）技術(shù)在4H-SiC襯底上形成SiO2保護(hù)層，以保護(hù)4H-SiC不受溝槽制造過(guò)程中的污染。

第二步，利用光刻、鎳濺射和剝離等技術(shù)對(duì)硬掩模進(jìn)行圖案化，確定等效寬度為2μm和4μm的網(wǎng)格和溝槽；再使用ICP蝕刻技術(shù)，以SF6和氬氣蝕刻溝槽至5μm深。

經(jīng)過(guò)清洗等準(zhǔn)備工作后，開始進(jìn)入外延生長(zhǎng)環(huán)節(jié)——在LPE ACiS M8 RP-CVD反應(yīng)器中進(jìn)行圖案晶片的外延生長(zhǎng)，使用H2載氣進(jìn)行生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度設(shè)定為1550°C。

引入HCl及結(jié)論展示

最重要的一步，該研究團(tuán)隊(duì)在工藝中引入額外的鹽酸，流速分別為0、500和2000 sccm，結(jié)果如下圖所示：

圖1：2lm和4Im寬4H+Si℃ 溝槽填充物的掃描電鏡顯微照片，(a) 和 (b)無(wú) HCl?；(c) 和 (d)是500 sccm HCl；(e) 和 (f)是2000 sccm HCl。

通過(guò)對(duì)溝槽填充觀察，該研究團(tuán)隊(duì)可以得出以下結(jié)論：

●?在不含HCl的生長(zhǎng)過(guò)程中，溝槽內(nèi)和上方會(huì)過(guò)度生長(zhǎng)中形成空洞；

●?加入500 sccm的鹽酸后，填充過(guò)程更加均勻，4H-SiC明顯偏向于在襯底的確定晶面上生長(zhǎng)，4H-SiC的表面形態(tài)有所改善；

●?在2000 sccm HCl樣品中，2μm和4μm溝槽的重新填充不完全，表明隨著HCl流量的增加，溝槽中4H-SiC的生長(zhǎng)率降低。

從圖1圖像中提取的 4H-SiC 在表面和溝槽側(cè)壁上的生長(zhǎng)速度

結(jié)論表明，通過(guò)精確控制鹽酸的流量，可以顯著影響4H-SiC在溝槽內(nèi)的生長(zhǎng)。適量的鹽酸不僅能夠促進(jìn)溝槽內(nèi)材料的均勻生長(zhǎng)，還能改善表面的形態(tài)，為制造超結(jié)器件提供了關(guān)鍵的一步。

此外，該研究還評(píng)估了溝槽方向對(duì)生長(zhǎng)方向的影響——發(fā)現(xiàn)在-1.5° < hmis < +1.5°的范圍內(nèi)，生長(zhǎng)角hgrowth保持在接近0°的水平，這為制造這種溝槽結(jié)構(gòu)提供了寬廣的工藝窗口和容差。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，4H-SiC 同質(zhì)外延溝槽再填充為 SJ 器件結(jié)構(gòu)提供了一種可擴(kuò)展的途徑，無(wú)需依賴離子注入。

他們已經(jīng)使用氯化化學(xué)方法在1550℃下實(shí)現(xiàn)了5 微米、寬度為2/4 微米的溝槽填充，同時(shí)通過(guò)將生長(zhǎng)溫度降低抑制了意外的 H2 退火以及隨后的溝槽結(jié)構(gòu)圓化。而且該方法觀察到有效的再填充，4H-SiC 外延層保持單晶性，不會(huì)產(chǎn)生額外的缺陷。

該研究表明，選擇正確的 HCl 流速，以從 4H-SiC 晶體生長(zhǎng)改善和熔融外延層表面形貌減小中獲益，同時(shí)保持溝槽中足夠的生長(zhǎng)速率，這對(duì)于 SJ 結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。了解 4H-SiC 溝槽通過(guò)外延填充的機(jī)制對(duì)于開發(fā)可重復(fù)的 SJ 器件結(jié)構(gòu)制造工藝至關(guān)重要，這可以克服當(dāng)前基于 4H-SiC 的功率器件的限制。