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我們知道，SiC 體材料的質(zhì)量以及其表面特性不能夠滿足直接制造器件的要求，制造 SiC 的大功率、高壓、高頻的器件需要較厚的外延層以及較低的摻雜濃度。所以今天我們就來聊聊 SiC 外延的那些事兒~
01
SiC 外延生長(zhǎng)
首先，材料的生長(zhǎng)大的方向來說分為液相生長(zhǎng)和氣相生長(zhǎng)，液相生長(zhǎng)即單晶從液固平衡系統(tǒng)中生長(zhǎng)；而氣相生長(zhǎng)則是氣相中的原子或分子在結(jié)晶界面上不斷沉積來實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)的方法。兩者比較來說，液相生長(zhǎng)可以提供低成本和大尺寸的單晶材料，可以提供大規(guī)模的生長(zhǎng)，而有些半導(dǎo)體材料需要采用很高的壓力來放置其在低熔點(diǎn)溫度下分解，這里便包括 SiC,以及 GaN 和 ZnO；采用氣相生長(zhǎng)的方法可以得到質(zhì)量高的 SiC 體單晶材料、外延層以及器件異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
SiC 的外延生長(zhǎng)的方法包括一下幾種：
其中，化學(xué)氣相淀積 CVD 法是目前化合物半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)，同時(shí)其在特殊高溫下的技術(shù)用于生長(zhǎng)較厚的 SiC 外延層。
02
SiC 的同質(zhì)外延
之前我們說過，SiC 具有多型結(jié)構(gòu)，如立方結(jié)構(gòu)、六角結(jié)構(gòu)、菱形結(jié)構(gòu)等，目前 SiC 大概有 170 多種多型結(jié)構(gòu)體，不同的多形體表現(xiàn)出來的特性也不相同，比如帶隙能量可在 2.42~3.33eV 之間。SiC 的同質(zhì)外延生長(zhǎng)指的是與 SiC 襯底具有相同聚合態(tài)的外延層的生長(zhǎng)。
對(duì)于 SiC 的高壓大功率器件的制造，一般摻雜濃度需要控制在 5x10^14~1x10^15/cm3，同時(shí)根據(jù)擊穿電壓的不同要求保證外延層的厚度(一般需要至少 50um)。SiC 同質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法包括蒸發(fā)生長(zhǎng)法、分子束外延、液相外延和 CVD 生長(zhǎng)技術(shù)。下面我們逐個(gè)介紹這幾種方法：
01
蒸發(fā)生長(zhǎng)法
SiC 的蒸發(fā)生長(zhǎng)技術(shù)就是上述升華法或者物理氣相傳輸法，相對(duì)來說較為簡(jiǎn)單，外延層的生長(zhǎng)時(shí)間非常短，生長(zhǎng)溫度比體晶體的生長(zhǎng)溫度要低。
首先提出的蒸發(fā)生長(zhǎng)法又叫 LETI 法或者改進(jìn)的 Lely 法，因?yàn)檫@種方法可以用來進(jìn)行籽晶的生長(zhǎng)也可以用來進(jìn)行外延生長(zhǎng)。反應(yīng)系統(tǒng)框圖如下(畫得有點(diǎn)丑，哈哈)：
如上圖，在柱形石墨坩堝里放置 SiC 粉末，小晶體和 SiC 多晶平板，對(duì)于外延生長(zhǎng)，原材料和襯底之間的距離要小于襯底生長(zhǎng)所需的距離。為了調(diào)整本征缺陷和摻雜濃度，外加原材料可以直接放置在坩堝中或者通過氣體的方式摻雜；另外，為了保證很好的均勻性，生長(zhǎng)過程中通常對(duì)坩堝進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。過程中要維持 SiC 原材料加熱的溫度高于襯底的溫度，SiC 原材料蒸發(fā)后蒸氣將會(huì)在襯底生長(zhǎng)面或者襯底托盤上冷卻。生長(zhǎng)環(huán)境一般是真空或者氬氣，也有些在氫氣環(huán)境中進(jìn)行，外延層的生長(zhǎng)速率一般為 0.1~5um/min。
上述蒸發(fā)生長(zhǎng)出的外延層比作為襯底的體材料質(zhì)量會(huì)高出很多，但是 SiC 的蒸發(fā)不均勻性使得很難利用其蒸發(fā)生長(zhǎng)出較高質(zhì)量的外延層和晶體。
另一種蒸發(fā)外延方法是三明治蒸發(fā)法，原材料主要是多晶平板或者表面較平的鑄塊，平行并靠近單晶片放置，在準(zhǔn)平衡狀態(tài)下完成生長(zhǎng)。主要目的是為了改善晶體質(zhì)量和減小缺陷密度。
02
分子束外延
分子束外延這種方法是在超高真空以及熱動(dòng)力很不平衡的狀態(tài)下生長(zhǎng)的。原材料進(jìn)行蒸發(fā)作為分子束進(jìn)行傳輸，最終到達(dá)預(yù)熱、旋轉(zhuǎn)的襯底。這個(gè)過程的生長(zhǎng)速率和組分可以得到很好的控制。分子束外延(MBE)可以提供高純質(zhì)量、高精準(zhǔn)厚度、低溫的外延層，溫度低于其他 SiC 生長(zhǎng)的溫度。分子束外延的典型生長(zhǎng)速率是 0.1~2nm/min。
MBE 法的優(yōu)勢(shì)在于低生長(zhǎng)溫度和能夠生長(zhǎng)不同的 SiC 晶型，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有不同帶隙晶型層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)；而缺點(diǎn)是必須在生長(zhǎng)爐內(nèi)保證超高真空，導(dǎo)致其設(shè)備相對(duì)來說比較昂貴。
03
液相外延
液相外延 LPE 法是一種相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單并且成本較低的生長(zhǎng)方法，其生長(zhǎng)發(fā)生在三相平衡線上(提供外延生長(zhǎng)和液相平衡)。SiC 的液相外延最初是利用過飽和溶解硅和碳在熔融條件下進(jìn)行的，但是這種生長(zhǎng)速率較慢，最大不超過 7um 每小時(shí)。所以，為了加快生長(zhǎng)速率，使用一些稀有元素如 Sc 來增加碳的溶解度，使得生長(zhǎng)速度增加到 150um 每小時(shí)。
缺點(diǎn)，這種方法很難控制好外延層的表面形貌，從而限制了 LPE 的使用。
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CVD 生長(zhǎng)
化學(xué)氣相淀積 CVD 法是制造先進(jìn)外延結(jié)構(gòu)的方法。反應(yīng)器中的壓力可以通過氣體產(chǎn)生，低壓化學(xué)氣相淀積 LPCVD，壓力為 10~1000mbar，低壓可以減小氣相成核，SiC 一般使用較為廣泛。氣流由質(zhì)量流控制器精確控制，襯底置于旋轉(zhuǎn)加熱的石墨托盤上，來自氣相的分子束擴(kuò)散到襯底的表面，在襯底表面分解，并由襯底表面吸收和反應(yīng)后形成外延層。
CVD 法提供了能夠重復(fù)生長(zhǎng)幾個(gè)單原子層厚度，同時(shí)生長(zhǎng)厚外延層時(shí)能夠?qū)ιL(zhǎng)速率精確控制，這種方法的產(chǎn)量非常高。
外延生長(zhǎng)過程中，氣相 Si 和 C 的比例會(huì)影響生長(zhǎng)速率、外延層的質(zhì)量以及雜質(zhì)的摻入，CVD 的一個(gè)優(yōu)勢(shì)便是可以在生長(zhǎng)過程中很好地控制 Si/C 比。具有較高質(zhì)量的厚有源層對(duì)于高壓、高功率的器件來說是非常必要的，但是 CVD 法的生長(zhǎng)速率較慢，無法滿足商用所需的效率；蒸發(fā)生長(zhǎng)雖然速率能夠達(dá)到，但是對(duì)生長(zhǎng)晶體的氣相 Si/C 比無法很好的控制，也就相當(dāng)于本征點(diǎn)缺陷濃度無法很好的控制，使用高溫化學(xué)氣相法即 HTCVD 可以很好地控制 Si/C 比也能夠得到較好的生長(zhǎng)速率。
當(dāng)然，CVD 只是方法的統(tǒng)稱，具體的系統(tǒng)構(gòu)造和參數(shù)控制這些細(xì)節(jié)決定了 SiC 外延層各方面的區(qū)別。目前，對(duì)于 SiC 外延層仍然存在各種缺陷，從而對(duì)器件特性造成影響，所以針對(duì) SiC 的外延生長(zhǎng)工藝需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化，同時(shí)整個(gè) SiC 器件的生產(chǎn)工藝以及設(shè)備也是后期不斷關(guān)注的話題。下一篇我們來聊聊 SiC 外延層的缺陷。
