杂质对碳化硅外延层生长的影响

  1. 碳化硅异质外延
  在碳化硅生长层中引入特定杂质时,有可能得到与衬底晶型不同的外延薄膜,例如,同时引入稀土元素钪(Sc)和铽(Tb)以及铝(Al)和硼(B)时,会在6H-SiC衬底上得到4H-SiC外延簿膜。已经发现,引入IV族杂质:锡(Sn)、铅(Pb)、锗(Ge)时,生长层从6H-到4H-的转变最为充分,而V族杂质(氮和磷)则更有利于3C-晶型的生长。
 
  同时还发现,生长区Si和C浓度比的变化对异质外延有显著的影响,比如,Si浓度增加时会导致3C-SiC晶型形成几率增加而六角型结构的形成几率降低,同时,过量碳的引入有可能在6H-衬底上生长出4H-SiC外延层。还注意到在(0001)c轴向生长过程中更容易发生衬底晶型的转变,在这种情况下,温度和生长速率对异质外延的影响不大。
 
  采用15R-和6H-SiC衬底上生长的4H-SiC厚外延层作为籽晶进行了单晶锭的生长,生长采用(0001)C面,并在气相中加入Sc,这样可以同时获得n型和p型外延层。值得注意的是,钪的浓度较高(≥10¹⁷cm^-3)时,会在外延薄膜中产生机械应力。总的来说,以这种方式获得的外延层具有相当高的结构完整性,因此可以用来制造具有pn结栅的场效应晶体管(JFET)。
 
  采用富硅且没有辅助掺杂的升华外延工艺也可以在6H-SiC衬底生长出3C-SiC外延层,在这种情况下,3C-薄膜会以孪晶的形式生长,每一部分单晶的面积至少4~6mm。
 
  由于同型异构体的属性仍不太清楚,因此对异质外延的特性也很难理解,异质外延的几率不仅受到了生长区杂质组分的影响,还会受到其他各种因素的影响,比如热动力学(压力、温度)和晶体结构(衬底晶向及其结构不完整的程度)。另外,如果在标准的升华外延工艺(通常被用来生长6H-层)中采用lely法生长的具有高位错密度(~10⁵cm^-2)的6H-SiC衬底,那么生长出来的则会是3C-外延层。
 
  异质外延工艺与各种碳化硅晶型的化学计量比有关。前面已经发现,不同碳化硅晶型的SiC原子比是不同的,它会随晶格中六角型格点位置百分比的增加而降低。研究表明,3C-、6H-和15R-晶型的Si/C原子比分别为1.046、1.022和1.001。一份关于不同SiC晶型中扩散和固溶度的测量数据表明,各晶型中碳空位的浓度V_c也有所不同。
 
  当晶格应力随碳空位浓度的增加而增加时,立方格点位置上原子之间的化学键变得对能量更加敏感,这会导致晶体结构的重组和晶型的转变。
 
  2. SiC竞位外延
  Larkin等人发现,碳化硅外延层中电活性杂质的浓度取决于CVD生长过程中气相C和Si的浓度比,并把这种效应称为竞位外延(SCE)。采用SCE已经获得了非补偿施主浓度(N_d-N_a)约10¹⁴cm^-3的n-SiC外延层，这可以解释为晶体生长表面高浓度的C原子抑制了掺入的氮原子占据晶格中的碳格点,只有在衬底Si-面上生长晶体时才会观察到这种情况,而在C-面生长时C/Si原子比的改变对杂质浓度几乎没有影响。这种模式已经在不同C/Si原子比生长的SiC外延层中N原子浓度的二次离子质谱(SIMS)测量中得到了证实。然而,SIMS数据中N原子浓度改变2.5~3.5倍时,对应的N_d-N_a则减少了4或5倍。我们认为,这说明还存在其他影响N_d-N_a数量级的因素。或许气相中C/Si原子比对外延层中的背景受主缺陷能级的浓度有一定的影响,即可以假定背景受主能级的密度随C/Si原子比的减小而增加。
 
  在升华法生长6H-SiC的过程中也观察到了这种效应,即轻掺杂n型层会被背景深受主能级(i-和-中心)过补偿。在升华法生长外延层的研究中还发现,增加生长区域的Si分压(Ps)(即增加C/Si原子比),会导致生长层的过补偿,进一步增加Ps时甚至可以得到掺杂更重的p型层。
 
  我们实验室在进行CVD(CH₄+SiH₄+H₂)生长6H-SiC外延层的研究中也发现,随着气相C/Si原子比的增加,首先会出现一个导电类型相反的初始层,然后是重掺杂的p层(图1)。对这些p型层的深能级瞬态谱(DLTS)研究表明,对N_a-N_d贡献最大的是(E_c-0.2±0.02eV)的深受主能级,其参数与通常升华法生长的外延层中的背景能级(L-中心)的参数类似。这些能级的浓度随N_a-N_d的增加而增加(比如,随生长过程中C/Si原子比的增加)。

 
  因此,我们认为,碳化硅外延层生长过程中C/Si浓度比的变化不仅影响碳化硅晶格中氮原子的捕获,还会影响生长过程中所形成的背景深受主能级的浓度。



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