原创降低外延片堆垛层错缺陷的外延方法及其应用

 2025-3-11 11:10  20 0 分类: 测试测量

在现代半导体工艺中，外延片的质量直接影响到器件的性能和可靠性。堆垛层错是外延片常见的缺陷之一，它会导致器件的电学性能下降和可靠性问题。为了克服现有技术中的这一缺点，发明了一种新的降低外延片堆垛层错缺陷的外延方法，并在6英寸4H-SiC外延片的外延生长中得到了应用。

一、方法概述

这种新的外延方法主要包括以下步骤：

衬底准备：将衬底放置于反应室内的生长位置。

氢气刻蚀：向反应室内通入氢气，直至主气流达到90～140slm，压力控制在60～110mbar，升温至1630～1670℃，在氢气氛围下对衬底进行刻蚀，持续10～20分钟。这一步骤的目的是减少衬底上的基平面位错（BPD）。

第一外延缓冲层生长：向反应室内通入乙烯和三氯氢硅气体，调整反应室内C/Si比值在0.9～1.2的偏硅范围，在衬底的刻蚀面上低速生长第一外延缓冲层。乙烯的体积流量为10～20sccm，三氯氢硅的体积流量为20～40sccm，生长速率为2.0～4.0μm/h，厚度为0.1～0.3μm。

第二外延缓冲层生长：继续通入乙烯及三氯氢硅气体，调整反应室内C/Si比值在0.6～0.9的富硅范围，在第一外延缓冲层上低速生长第二外延缓冲层。乙烯的体积流量为20～60sccm，三氯氢硅的体积流量为30～160sccm，生长速率为7～15μm/h，厚度为0.2～1.0μm。

第二外延缓冲层刻蚀：停止通入乙烯和三氯氢硅，将反应室内温度降至1600～1630℃，在氢气氛围下刻蚀第二外延缓冲层4～10分钟。

第三外延缓冲层生长（可选）：改变乙烯和三氯氢硅的流量，使反应室内C/Si比值在0.9～1.1的偏富硅范围，在第二外延缓冲层的刻蚀面上低速生长第三外延缓冲层。乙烯的体积流量为30～90sccm，三氯氢硅的体积流量为60～170sccm，生长速率为7～15μm/h，厚度为0.2～1.0μm。

外延层生长：逐渐增加乙烯和三氯氢硅的流量，使反应室内C/Si比值在1.0～1.2的偏碳范围，高速生长外延层，形成外延片。乙烯的体积流量为120～140sccm，三氯氢硅的体积流量为270～310sccm，生长速率为50～60μm/h，厚度为6～15μm。

外延片处理：将反应室温度降至700～900℃，取出外延片并进行检测、清洗和封装。

二、技术特点与应用

减少堆垛层错密度：通过高温原位氢气刻蚀和低速生长不同C/Si比的外延缓冲层，有效抑制衬底、外延缓冲层和外延层界面处堆垛层错的产生，将外延片中堆垛层错密度控制在0.1～0.30cm^-2以内。

高质量外延片：外延缓冲层和外延层生长过程中采用高纯N2作为掺杂源，使外延层达到制作功率器件所需的掺杂浓度，从而制备出高质量的N型碳化硅外延片。

反应室适应性：该方法适用于水平热壁反应器，外延片的堆垛层错平均密度为0.1～0.5cm^-2，优于现有技术的3～6cm^-2。

应用前景：该方法已成功应用于6英寸4H-SiC外延片的外延生长中，通过优化生长条件和工艺步骤，显著提高了外延片的质量和可靠性，适用于高性能半导体器件的制造。

三、结论

这种降低外延片堆垛层错缺陷的外延方法通过精确控制生长条件和工艺步骤，有效减少了外延片中的堆垛层错密度，提高了外延片的质量和可靠性。该方法具有广泛的应用前景，可用于高性能半导体器件的制造，为半导体产业的发展提供了有力支持。

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