SiC半导体功率器件工艺以及表征

      按照掺杂后电阻率来分类，碳化硅衬底主要有导通型衬底和半绝缘衬底两种。导通型碳化硅衬底具有低电阻率，特别适合垂直型功率器件的制造用来降低串联电阻，而减少功率损耗。而半绝缘衬底具有较高电阻率，多用于横向高频器件制造中，用来减小寄生阻抗，因此在5G通讯和新一代智能互联、器件上具备广阔的应用空间。以下我们针对这两种衬底材料分别介绍。

• 导通型SiC衬底

导通型衬底又可以分为N型和P型。和Si材料类似，N型掺杂可以使用Ⅴ族元素来实现，使用Ⅲ族元素来实现P型掺杂。表1列出了氮、磷、铝、硼四种元素在4H-SiC晶体中的电离能和溶解度极限。从溶解度极限来看，四种材料都可以实现大于e19的重掺杂。而从电离能来看，硼元素的电离能最高达到了280meV，而我们知道掺杂元素的电离化率是和电离能成反比关系，所以相同掺杂条件下硼元素的电离化率最低。除此以外，在高温条件下，硼元素会发生异常高的扩散而改变掺杂结构分布，所以实际生产中很少使用硼元素作为P型掺杂元素，而常用铝元素作为首选。N型掺杂中，氮和磷元素都可以用做掺杂元素，实际生产中大多用氮元素作为首选。

表1. 氮、磷、铝、硼四种元素在4H-SiC晶体中的电离能和溶解度极限[1]

在使用PVT法制备N型SiC晶锭过程中，一般都会引入高纯度的氩气来提升拉晶速率。为了实现氮元素掺杂，可以把氩气和氮气混合气体引入到拉晶坩埚气氛中。实验发现掺杂的氮元素浓度是和混合气体中N2分压的平方根成正比，和生长速率等因素弱相关，这样就可以通过控制N2气分压来控制掺杂浓度[1]。

图1展示了4H-SiC晶锭电阻率与氮掺杂浓度的关系，理论上氮的掺杂浓度可以达到2*1020cm-3。实际中当氮的掺杂浓度达到1020cm-3，测试的电阻率为0.005Ω·cm。然而随着掺氮量的增加，导致进入到SiC晶格中的氮元素增多，引起了SiC晶格畸变，会导致晶体的结晶质量变差[2]。因此商用N型4H-SiC晶圆的典型电阻率范围为0.01~0.03Ω·cm[1]。随着PVT工艺的快速发展，对晶锭电阻率测试成为了工厂新的需求，在切片前对晶锭电阻率无损伤、快速检测可以极大改善工艺调试效率。目前市场上多用涡流法来进行测试。图2是SEMILAB电阻率涡流法测试仪RT1000实际测试界面[3]，得益于低电阻率探头的使用，该设备可以覆盖常用晶锭电阻率整个范围。此外，它也可以同时对C面和Si面电阻率测试，而不需要切换校准程序。所以该设备成为了SiC晶锭工厂无损伤、快速检测晶锭电阻率变化的方案之一。

图1. 4H-SiC的电阻率与N掺杂浓度关系图[1]

图2. SEMILAB RT1000电阻率涡流法测试仪实际测试界面

P型掺杂工艺实现上要难于N型掺杂。一般在PVT坩埚内加入铝化合物(Al4C3)来升华产生铝蒸汽，通过控制铝蒸汽的分压来控制铝的掺杂浓度。但是在生长过程中铝源耗尽现象很难控制，同时重掺杂铝源也会改变坩埚内的生长环境，会优先生长出6H-SiC，即使籽晶用的是4H-SiC，多型体控制也非常困难。所以常见P型4H-SiC晶圆的掺杂浓度和电阻率分别为0.5~2x1018cm-3和1~5Ω·cm，更低的电阻率晶圆需要特殊工艺来得到。

近来报道有日本团队使用铝和氮共掺杂技术，可以实现铝的重掺杂[4]。他们分别使用Al4C3和氮气作为P型和N型的掺杂源，使用了2寸的4H-SiC作为籽晶，在2050-2200℃温度下，通过调节铝蒸汽和氮气的分压比，可以实现铝的重掺杂而且也能抑制6H-SiC多型体的产生。他们分别使用SIMS测试了铝和氮的含量；涡流法测试了电阻率；拉曼光谱法测试了多型体。表2是测试结果汇总，我们可以看出为了得到铝重掺杂的4H-SiC晶体，需要控制Al/N掺杂比例略大于1，该方法得到的最小P型掺杂电阻率为0.086Ω·cm。图3是该团队尝试不同Al/N掺杂比下，制备得到的晶体多型体测试图，可以看出来4H-SiC更容易在Al/N掺杂比为1的环境下生长，偏离了该比例很容易生产出6H-SiC晶体。

表2. 不同铝/氮分压生长环境下，测试电阻率和多型体

图3. 不同Al/N掺杂比下，制备得到的晶体多型体

电阻率是掺杂工艺最关注的参数，电阻率的均匀性也是衡量拉晶工艺的重要指标。在实际生产过程中，电阻率的分布经常表现为径向上电阻率中间低、边缘高；而晶锭沿轴向上电阻率生长前期低、后期高的特征。我们以常见的N型4英寸SiC晶圆为例（图4.）,经常可以观察到中间区域颜色有别于其他区域。这是因为碳化硅在掺杂后发生了导带载流子吸收现象，N型SiC导带吸收波长为460nm, 光的吸收率是和掺杂浓度正相关的。中间区域的掺杂浓度高于其他区域，表现在了衬底颜色不一致。

图4. 4英寸的SiC衬底

在晶锭切片和抛光工艺后，加工成的晶圆电阻率测试也是必不可少的。目前市场上最常用的测试设备是Lehighton公司的LEI1500[5]。该设备使用涡流法在去边仅为7mm的晶圆范围内可对预设点位进行无接触测试，图5为测试结束后生成的晶圆电阻率map图以及数据统计值。

图5. LEI1500 测试map图以及数据统计

• 半绝缘衬底半绝缘SiC衬底具有较高电阻率，可以在高频器件制造中减小寄生阻抗，因此在5G通讯和新一代智能互联器件上具备广阔的应用空间。同时考虑到它与GaN材料的低晶格失配率和超高的热导率，该衬底也是 GaN 异质外延的优选材料。PVT法生长SiC单晶过程中，由于SiC原料粉末和石墨坩埚含有大量杂质，限制了半绝缘衬底的生长。典型的金属杂质有Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni等，浓度在1013-1015cm-3量级。此外，N和B等杂质也会包含在晶锭中，浓度范围也在1013-1015cm-3量级，所以即使非故意掺杂，生长的晶锭或者是N型或者是P型。理论上，如果可以控制这些杂质的浓度到1010cm-3量级以下，就可以得到半绝缘型衬底[1]。但是实际生产中，SiC原料粉末、生长设备以及操作环境无法达到这一要求，所以目前制作半绝缘型衬底是通过深能级补偿办法来实现的。根据具体工艺不同，可以分为如下两类：1）外界引入化学杂质，产生深能级的陷阱中心，来降低载流子浓度，该方法被称为掺杂半绝缘。2）利用本征点缺陷作为深能级中心来补偿浅能级杂质，该方法被称为高纯半绝缘。下面我们分别单独介绍这两种方法。掺杂半绝缘方法常用的化学杂质为金属钒。因为它是两性杂质，所以既可以用来P型掺杂也可以用来N型掺杂。对于钒引入的深能级，在N型掺杂中，它的位置位于导带下0.9eV处；在P型掺杂中，它的深能级位置位于价带上1.4eV处。因为4H-SiC能带宽度为3.2eV，所以对于两种掺杂钒都可以形成深能级，从而把费米能级限制在深能级左右，这样就降低能带中的自由载流子浓度。通过该方法，可以得到电阻率大于1012Ω·cm半绝缘衬底。高纯半绝缘方法，是利用本征点缺陷作为深能级中心来补偿浅能级杂质来实现的。本征点缺陷主要包括如下：硅空位缺陷；碳空位缺陷；硅空位-碳空位的双空位缺陷。本征点的缺陷可以通过PVT生长工艺进行控制，也可以通过高能粒子辐射工艺来改变本征点缺陷。该方法也可以得到电阻率为1012Ω·cm量级的半绝缘衬底。半绝缘SiC衬底的电阻率可以高达1012Ω·cm量级，电阻率检测也是一个巨大挑战，涡流法已经不再适合，现在多用电容充放电法来进行测试。图6所示是4”半绝缘4H-SiC晶片。因为不存在浅能级引起的载流子特征吸收，所以相较于N型重掺杂晶圆的琥珀色，它一般为无色。

图6. 4”半绝缘4H-SiC晶片

参考文献：

[1]Tsunenobu Kimoto, James A. Cooper, Fundamentals of SiliconCarbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications.

[2]侯晓蕊，王英民等著，PVT法生长n型4H-SiC电阻率的研究，电子工艺技术

[3]https://semilab.com/category/products/bulk-resistivity-measurement?search_string=RT-1000

[4]Kazuma Eto. etc. Growth of low resistivity P-type 4H-SiCcrystals by sublimation with using aluminum and nitrogen co-doping, Mater. Sci.Forum

[5]https://semilab.com/category/products/non-contact-sheet-resistance-eddy-current?search_string=LEI

来源：瑟米莱伯