第8讲：SiC外延生长技术

SiC外延生长技术是SiC功率器件制备的核心技术之一，外延质量直接影响SiC器件的性能。目前应用较多的SiC外延生长方法是化学气相沉积（CVD），本文简要介绍其生产过程及注意事项。

SiC有多种稳定的晶体多型（polytype）。因此，为了使获得的外延生长层能够继承SiC衬底的特定晶体多型，需要将衬底的原子三维排列信息传递给外延生长层，这需要一些巧妙的设计和方法。其中一种SiC外延生长法，在SiC衬底的低指数晶面上小偏角方向上，用适当的生长条件，进行化学气相沉积（CVD）。这种方法是由京都大学名誉教授松波弘之等人发现的，称为台阶控制外延生长法（Step-Controlled Epitaxy）。

图1展示了使用台阶控制外延生长法进行SiC外延生长的概念图。通过清洁具有偏角的SiC衬底表面，形成分子层级的台阶和台面结构。当原料气体流动时，原料被供应到该表面，原料在台面移动，并被分布在各处的台阶捕获。捕获的原料在该位置上形成与作为基底的SiC衬底晶体多型一致的排列，从而使外延层得以生长。

图1：带有（0001）偏角的衬底上SiC外延生长概念图

在台阶控制外延生长中，当生长条件不合适时，原料在台面上而不是在台阶上成核并生成晶体，因此会生长出不同的晶体多型。混入外延层中的异种多型对器件来说是致命的缺陷，因此在台阶控制外延生长中，需要设置合适的偏角，以获得适当的台阶宽度，并优化原料气体中Si原料和C原料的浓度、生长温度等条件，选择在台阶上优先形成晶体的条件。目前市场上销售的4H型SiC衬底的表面呈现4°偏角（0001）面，是基于台阶控制外延生长的要求以及增加从boule中获得的晶圆数量这两个要求而决定的。

通过化学气相沉积法进行SiC外延生长时，通常使用高纯度氢气作为载体，向保持在1500～1600℃高温的SiC衬底表面供应SiH4等Si原料以及C3H8等C原料。在这种高温下，如果设备内壁等周围温度较低，向衬底表面的原料供应效率会大幅降低，因此采用热壁型反应器。关于SiC的外延生长设备，有多种方式，包括立式、水平式、多晶片式和单晶片式等。图2、图3和图4展示了各种外延生长设备反应器部分的气流和衬底配置示例。

内容

图3：多晶片公转型（从侧面引入气体）


图4：单晶片高速旋转型

考虑到SiC外延衬底的量产，需考虑以下几个要点：外延层厚度的均匀性、掺杂浓度的均匀性、粉尘、产量、部件更换频率以及维护的便利性。关于掺杂浓度的均匀性，由于它直接影响器件的耐压分布，因此要求晶圆表面、批次内以及批次间的均匀性。目前，针对8英寸衬底的SiC外延生长设备的研发正在进行中，从降低成本的角度来看，期待能够实现更适合量产的设备。此外，附着在反应器内的部件和排气系统上的反应生成物是粉尘源，因此正在开发气体蚀刻技术，以方便清除这些粉尘。

通过SiC的外延生长，形成可用于制造功率器件的高纯度SiC单晶层。此外，外延生长还可以将衬底内存在的基面位错（BPD）转换为衬底/漂移层界面处的贯穿刃位错（TED）（参见图5）。正如第5讲中所述，当双极电流流过时，BPD会发生堆垛层错扩展，从而导致导通电阻增加等器件特性的劣化。然而，转换后的TED不会对器件的电气特性产生影响。因此，适当的外延生长可以大幅减少由于双极电流引起的劣化。

图5：SiC衬底中的BPD和转换后的TED横截面示意图（a）外延生长前；（b）外延生长后；

通常，在SiC的外延生长中，会在漂移层和衬底之间插入缓冲层。缓冲层通常进行高浓度的n型掺杂，这有助于促进少数载流子的复合。缓冲层还承担着上述基面位错（BPD）转换的作用，并且对成本的影响也很大，是器件制造中的一项重要技术。