4H-SiC同质外延的表征及深能级分析研究

论文摘要

SiC器件和其它半导体器件一样,材料的质量对于SiC器件的制备和性能具有非常重要的意义。高质量的SiC单晶是制备高性能SiC器件的基础,有利于SiC器件研制和进一步推广应用。目前,4H-SiC同质外延单晶薄膜的研究已经取得了可喜的成绩。但是国内才刚起步,且由于同质外延的表征测试存在一定困难:还没有一套系统完整的表征测试方法;对于非刻意掺杂4H-SiC同质外延中存在的影响器件性能的本征深能级,国际上也存在比较大的争议,不同样品的结果也差异很大;对于深能级的起源没有定论,也没有提出一套很好的解决办法。国内对于这一方面的研究还是空白。在此背景下,本文对制备4H-SiC同质外延薄膜的机理、方法和特性进行了系统的理论分析和实验验证;提出一套系统完整的4H-SiC同质外延薄膜表征测试方法;对影响器件性能的非刻意掺杂n型4H-SiC外延中的本征深能级等相关问题进行了广泛深入的研究。主要的研究成果如下:1.在理论分析的基础上,对4H-SiC同质外延生长的关键工艺进行了实验研究,得出影响这些材料参数的主要因素。确定了关键参数变化趋势,制定了完整的工艺流程。2.建立了系统的4H-SiC同质外延薄膜表征测试方法。通过不同掺杂浓度样品Raman光谱中LOCP的不同,提出了一种简易测试外延厚度的方法。利用FTIR反射谱对4H-SiC同质外延晶体薄膜的质量进行评价,完善了用干涉条纹的频率和强弱的方法来计算外延薄膜的厚度。通过van der Paul法霍尔测试技术,对低N掺杂的n型4H-SiC同质外延的迁移率和霍尔系数进行测试表征。用汞（Hg）探针C-V测试获取4H-SiC同质外延纵向杂质浓度分布的信息,并通过多点测试,得到外延片的掺杂浓度均匀性。对样品进行了电阻均匀性测试,测试结果显示电阻率分布较为均匀,最小和最大电阻率分别为0.3768Ω·cm和0.3972Ω·cm,误差仅为1.04%。HRXRD测试显示4H-SiC同质外延薄膜半高宽（FWHM）为36 s,距主峰左侧约41″处出现另外一个衍射峰。经计算分析,该衍射峰偏移主要是由外延和衬底的晶向偏移引起的。借助SEM、AFM和X射线光电子能谱仪对4H-SiC样品表面形貌以及元素进行了定性和定量的测试分析。借助SIMS对Al掺杂和高N掺杂的4H-SiC样品中的主要掺杂杂质浓度及薄膜厚度进行了测试,验证了光学测试的结果。3.研究了非刻意掺杂4H-SiC同质外延禁带中形成的缺陷深能级。对样品进行10K到室温的变温光致发光测量,发现4H-SiC存在由本征深受主能级引起的“绿带”发光现象。借助PL mapping对样品的峰值波长（Peak Lambda）和发光强度（Peak Int）进行了测量,结果表明在4H-SiC外延大部分区域存在本征深能级缺陷,且分布均匀。通过理论分析表明存在两个深能级,分别位于导带下E1 = 0.942eV,E2 = 1.190eV处。深能级缺陷形成的原因主要是由于样品中存在着大量的碳空位VC。“绿带”发光谱与碳空位VC及其扩展缺陷都相关,是由二者络合形成的。4.为了减少外延层中的C空位,进行了C离子注入4H-SiC外延的理论研究和工艺设计。通过研究离子注入理论和工艺特性,采用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法,借助Trim模拟软件对C离子注入4H-SiC的分布进行了统计计算,计算模拟了不同注入能量下C注入4H-SiC的平均投影射程、标准偏差以及浓度分布。在此基础上,提出采用三次C离子注入消除非刻意掺杂4H-SiC中深能级缺陷的方法和工艺流程,包括离子注入工艺参数（能量、剂量）的确定、注入掩膜层SiO2厚度的选取原则,退火温度和时间以及退火保护。成功地进行了注入实验。5.研究了C离子注入和高碳硅比生长4H-SiC对深能级的影响。发现1600℃的退火温度对注入引起的晶格损伤起到了很好的修复作用,并可以有效地激活碳离子,使其占据C空位。高温退火使C空位被占据有效地减少了C空位衍生缺陷。通过碳离子注入成功消除了非刻意掺杂n型4H-SiC外延薄膜中的深能级缺陷。研究了生长4H-SiC外延薄膜合适的碳硅比区间。综合考虑增大C/Si对4H-SiC外延质量的影响和实验成本两个方面,选取C/Si为1.5和3两种样品,找出增大C/Si对于非刻意掺杂4H-SiC深能级缺陷变化的趋势和效果。结果表明,增大生长碳硅比,能在一定程度上抑制碳空位的产生,减少本征深能级缺陷,但受外延晶体质量等条件限制,有一定的局限性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 4H-SiC 材料的优势
• 1.2 4H-SiC 材料和器件的发展
• 1.2.1 碳化硅材料与器件的发展
• 1.2.2 国内外发展状况
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章CVD 法4H-SiC 同质外延生长机理及关键技术
• 2.1 CVD 系统的组成和基本原理
• 2.1.1 CVD 技术简介
• 2.1.2 CVD 系统的基本组成
• 2.2 CVD 法4H-SiC 同质外延薄膜的生长机理
• 2.2.1 SiC 的多型结构
• 2.2.2 4H-SiC 同质外延薄膜CVD 生长的动力学分析
• 2.2.3 4H-SiC 同质外延薄膜CVD 生长的热力学分析
• 2.3 外延生长实验设计和工艺流程
• 2.3.1 工艺设计
• 2.3.2 主要工艺流程
• 2.3.3 重点工艺说明
• 2.4 4H-SiC 同质外延生长的关键工艺
• 2.4.1 生长率
• 2.4.2 掺杂浓度
• 2.4.3 表面形貌
• 2.5 本章小结
• 第三章4H-SiC 同质外延薄膜的表征
• 3.1 4H-SiC 同质外延的表征测试方法
• 3.1.1 光学表征
• 3.1.2 电学表征
• 3.1.3 X 射线衍射和光电子谱、离子束和显微技术表征
• 3.2 4H-SiC 同质外延的光学特性表征
• 3.2.1 Raman 散射
• 3.2.2 红外傅里叶变换光谱（FTIR）
• 3.3 4H-SiC 同质外延的电学特性表征
• 3.3.1 汞探针C-V 测试
• 3.3.2 霍尔测试
• 3.3.3 电阻均匀性
• 3.4 X 射线衍射和光电子谱、离子束和显微技术表征
• 3.4.1 高分辨X 射线衍射（HRXRD）
• 3.4.2 光电子谱（XPS）
• 3.4.3 二次离子质谱
• 3.4.4 显微技术（SEM 和AFM）
• 3.5 本章小结
• 第四章4H-SiC 同质外延中的深能级研究
• 4.1 存在的问题和争议
• 4.2 光和磁性测试
• 4.2.1 4H-SiC 同质外延薄膜的光致发光（PL）
• 4.2.2 4H-SiC 同质外延薄膜的电子自旋共振（ESR）
• 4.3 非刻意掺杂4H-SiC 外延材料中的深能级
• 4.4 离子注入技术及Trim 模拟
• 4.4.1 离子注入特性
• 4.4.2 离子注入的射程和浓度分布
• 4.4.3 碳离子注入SiC 的射程分布模拟
• 4.4.4 碳离子注入SiC 的分布模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 碳离子注入和高碳硅比生长工艺对本征深能级的影响
• 5.1 C 离子注入的实验设计
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 注入能量和注入剂量设计
• 5.1.3 注入温度和高温退火工艺
• 5.2 C 离子注入对深能级缺陷的影响
• 5.2.1 离子注入及高温退火导致的SiC 表面损伤
• 5.2.2 C 离子注入及高温退火对本征深能级的影响
• 5.3 高碳硅比生长工艺对深能级缺陷的影响
• 5.3.1 实验材料
• 5.3.2 实验设计和C/Si 的选取原则
• 5.3.3 C 离子注入及高温退火对本征深能级缺陷的影响
• 5.4 碳注入退火和高碳硅比生长工艺对深能级缺陷影响比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士期间的研究成果和参加的科研项目