控制外延層的摻雜類型和濃度對 SiC 功率器件的性能至關重要，它直接決定了后續器件的比導通電阻，阻斷電壓等重要的電學參數。

由Larkin等人發現的“競位外延”方法[1]，可以有效地大范圍改變N型和P型的摻雜濃度，被廣泛應用在了實際生產中。我們這里分別以氮(N)和鋁(Al)作為N型和P型的摻雜元素來簡單說明它的原理。在外延生長過程中氮(N)原子和碳(C)原子競爭格點位置，如果想減少氮(N)原子的摻雜濃度，可以提高外延氣源中的碳(C)原子濃度;與之相反，降低外延氣源中的碳(C)原子濃度可以提高氮(N)原子的摻雜濃度。

而鋁(Al)原子是和硅(Si)原子競爭格點位置，如果想減少鋁(Al)原子的摻雜濃度，可以提高外延氣源中的硅(Si)原子濃度;與之相反，降低外延氣源中的硅(Si)原子濃度可以提高鋁(Al)原子的摻雜濃度。外延生長中，Si源的常用氣源是SiCl4或者SiH4;C源的常用氣源是CCl4或者C3H8，我們可以控制二者的流量比例來控制C/Si組分比例，進而有效地控制不同元素的摻雜濃度。

外延層的摻雜濃度除了與氣源中的C /Si組分比例有關以外，還和CVD工藝中的氣源流量、氣體壓強和生長溫度有關。我們以最常見的氮(N)摻雜為例來進一步說明。通過在CVD生長過程中引入氮氣(N2)能快速地實現氮(N)摻雜。圖1所示為外延溫度1550℃下，4H-SiC外延中的氮(N)摻雜濃度和氮氣(N2)流量的關系圖[2]。我們可以看到在固定的C/Si組分比例下，無論是Si面還是C面的摻雜濃度在四個數量級內都和氮氣(N2)流量成正比例關系。摻雜濃度涵蓋了器件中最常用e14—e18的摻雜范圍。

圖1. 4H-SiC氮(N)摻雜濃度與氮氣(N2)流量關系

U. Forsberg等人[3]也研究了CVD腔內氣體壓強和摻雜濃度的關系。外延溫度在1600℃，C/Si比例為3.5，氮氣流量為12ml/min條件下， N元素濃度和壓強的關系見圖2。無論4H-SiC的C面或Si面外延，摻雜濃度隨著壓強的升高而變大。

圖2. N元素摻雜濃度和氣體壓強的關系

摻雜濃度和生長溫度的關系更為復雜，這里還是以4H-SiC外延中氮(N)摻雜為例。在其他工藝參數保持不變的情況下，溫度的升高會增加Si面的摻雜濃度，但是同時會降低C面的摻雜濃度。伴隨著溫度的升高，因為襯底的N摻雜高于外延層，有可能襯底的N元素會擴散到外延層，改變了外延層和襯底的電學特性;同時溫度的升高也會提升外延速率，引起厚度橫向分布不均。所以溫度的設定要根據多種因素來考慮。

P型外延的摻雜使用的氣源為三甲基鋁(TMA: Al(CH3)3)。和N型摻雜類似，它的摻雜濃度也受到C/Si組分比，氣源流量，氣體壓強和工藝溫度的影響，這里不做具體說明。實際生產中，4H-SiC外延中常用的摻雜元素有：N型摻雜，氮(N)和磷(P); P型摻雜，鋁(Al)，硼(B)和鎵(Ga)。在4H-SiC中，Si/C原子有兩種晶格格點，分別為六方格點和立方格點。由于格點效應，對于同種元素，替換不同格點處的原子的電離能也是不同的。這些元素具體的電離能和溶解度極限見表1。鎵(Ga)元素的電離能的理論計算值為329mev[4]。

表1. 4H-SiC中常見摻雜元素的電離能和溶解度極限

對于N型摻雜，氮(N)元素和P(磷)元素有著接近的電離能和溶解極限，都可以用作摻雜雜質。但是Rongjun Wang等人研究發現[5]，磷 (P)元素的“競位外延”效應不明顯，它的摻雜濃度改變對C/Si組分的變化不敏感。比起氮(N)元素，P(磷)元素更難實現較高的摻雜濃度，所以目前大規模生產中主要使用氮(N)作為N型摻雜元素。 對于P型摻雜，理論上鋁(Al)，硼(B)和鎵(Ga)元素都可以作為摻雜雜質。但是考慮到鎵(Ga)元素的329 mev電離能，一般不考慮該元素。鋁(Al)的電離能比硼(B)要小，同時考慮到B元素會在后續的高溫工藝中異常擴散散問題，所以鋁(Al)是P型摻雜最理想的摻雜元素。

圖3. 4H-SiC中N元素的電離率隨溫度的關系

圖4. 4H-SiC中Al元素的電離率隨溫度的關系

圖3和4分別給出了4H-SiC中N元素和Al元素的電離率隨溫度的變化關系。因為Al元素較高的電離能，它的電離率低于N元素，但是它們的電離率都隨著溫度的升高而變大。室溫下當摻雜濃度小于e16時候，N元素幾乎完全電離，這時候我們可以認為它的施主濃度等于載流子濃度。 綜上所述，外延層的摻雜濃度受C/Si組分比，氣源流量，氣體壓強和工藝溫度的多重影響，所以對外延工藝后的摻雜濃度的監控十分必要。二次離子質譜分析(SIMS)和擴散電阻探針技術(SRP)，都可以用來測量外延摻雜濃度/載流子濃度隨深度的變化。

SIMS能測試的最小元素濃度為1014/cm3,設備的橫向空間分辨率為1微米量級，縱向的深度分辨率為10nm量級，適合測量外延層中摻雜濃度隨深度的變化。但是SIMS做為一種破壞性地測試方法，在濺射后會在樣品表面留下隕石坑的破壞，而無法重復或者進行其他測試。此外SIMS測試的是元素濃度分布，與該元素是否被電離無關。SiC中雜質元素的電離能普遍比較高，比如鋁(Al)在室溫下部分電離，所以SIMS濃度分布無法完全表征外延層的電學特性。下面介紹的SRP技術測試的就是電離后的雜質對電阻的影響，更能直接反應出外延摻雜的電學特性。

SRP的測試原理如圖5所示。待測試樣品通過小角度地機械研磨形成了一個斜面，兩個對齊的探針跨在x方向上做步進移動，并同時做電阻測試。假定X方向步進為 Δx ，則縱向的步進 Δz = sinα·Δx ，其中 α 為研磨角。通過不同的研磨角和步進相互匹配，則z軸的縱向深度精度可以得到納米級別。因為兩探針是做直接接觸的電阻測試，所以它的電阻測試范圍很廣，在100 Ω 到1011 Ω范圍[6]。

圖5. SRP測試原理

SRP技術的缺點是樣品制備的復雜性。首先要保證研磨表面有足夠的粗糙度，對注入的載流子有較高的復合速率，降低測試中注入載流子對電阻的影響;同時研磨的角度涉及縱向深度的表征，所以在研磨斜面后要進行準確的測試研磨角度。SEMILAB公司為了解決該問題推出了SRP-2100i設備，它內置了樣品的研磨角裝置和自動對齊樣品放置的視覺系統，提供了前所未有的自動化水平，使數據更易于獲取減少了對操作者的依賴。此外SRP-2100i還引入了PCIV技術來克服4H-SiC的高肖特基勢壘的問題。圖6為SRP-2100i測試4H-SiC外延層的曲線，可以看出該外延層是由兩部分組成：頂部大約為1.5um的高摻雜外延層，下部為10.498um的低摻雜外延層。如果使用了已知電阻率的4H-SiC校準樣品，經過校準后SRP-2100i也能自動計算出該樣品的電阻率隨深度變化的曲線。

圖6. SRP-2100i測試得到4H-SiC外延層電阻隨深度的變化曲線

因為SiC外延片成本很高，而且摻雜濃度受多個工藝參數的影響，所以實際生產中要求所有外延片進行摻雜濃度測試。而SIMS和SRP都是破壞性測試，無法滿足這種測試需求，現在工廠端使用的是電壓-電容法(C-V)測試技術。C-V技術的基本物理原理是：外延層的空間電荷區的寬度取決于外部的反向電壓，而該寬度又和它的電容成反比，通過測試該電容值和反向電壓值，就可以計算出外延層內的摻雜濃度。通過改變反向的電壓大小，就能計算出摻雜濃度隨深度的變化關系。 汞探針C-V(MCV)可以快速地和外延層形成肖特基接觸，而且也不會破壞外延層的表面，成為了檢測摻雜濃度的最快速有效的辦法。市場占有率最高的為SEMILAB公司MCV-530，圖7為該設備測試的外延片不同位置摻雜濃度隨深度分布，對于多點測試還可以生成Mapping圖來方便查看摻雜濃度在外延片上的橫向分布。

圖7. SEMILAB公司MCV-530測試的摻雜濃度分布圖

MCV測量中的汞殘留，可以通過多種清洗工藝將表面恢復到低于5x1010/cm2的水平，不會影響后續的器件工藝。但是為了避免該清洗工藝，并考慮到汞使用的安全問題，SEMILAB公司又開發出了一種電荷式非接觸式CV測量設備CnCV-230。它的測試原理圖見圖8(a)，測試探頭主要有左側的電暈槍和右側的開爾文探頭組成。電暈槍精準的放置已知劑量的電荷到SiC外延層表面，形成空間耗盡層;表面電勢通過右側的非接觸開爾文探頭精確測量。非接觸的測試方法可以解決MCV汞殘留問題，CnCV和MCV的量測相關性見圖8(b)，在E15-E18摻雜范圍內有非常好的一次線性關系。在不改變監控基準線情況下，兩種檢測技術可以在外延工廠內相互替代。

圖8. (a)SEMILAB公司CnCV-230測試原理圖 (b) SEMILAB公司MCV和CnCV量測相關性

原文標題：SiC外延工藝的摻雜以及監測

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審核編輯：湯梓紅