超結SiC新技術出爐，規(guī)模化量產(chǎn)又進一步

1200-2000V的SiC 器件已經(jīng)逐漸廣泛被采用，但是要跟3.3 kV 以上的雙極型硅基IGBT技術競爭，單極型SiC器件（MOSFET 和肖特基二極管）的導通電阻（Ron,sp）必須進一步降低，而SiC 超結 (SJ) 技術是實現(xiàn)這一目標的關鍵之一。

業(yè)界已經(jīng)使用多外延工藝和側(cè)壁注入實現(xiàn)了800-1700 V SiC SJ 器件。然而，業(yè)界暫無可行的大規(guī)模生產(chǎn)技術，這是由于 4H-SiC 中的低擴散系數(shù)，通常需要超過五次外延重復操作，意味著不能使用硅基SJ制造中常見的退火工藝。

制造SiC SJ 的另一種方法是通過溝槽外延，即在 n-（或 p-）4H-SiC 外延層中蝕刻出溝槽，然后通過部分選擇性外延工藝，用 p-（或 n-）4H-SiC 重新填充。這種方法已在 4H SiC 中通過 1650℃的外延生長得到證實；然而，這種方法也存在一些局限性。

例如：在 4H-SiC 外延層干法蝕刻過程中形成微溝槽；外延前無意中發(fā)生的高溫 H2 退火導致 4H-SiC 溝槽側(cè)壁變圓；在重新填充的溝槽內(nèi)形成空隙；小面生長問題等。

近日，華威大學工程學院的一項突破性的研究提供了一種新的溝槽外延方法，該研究團隊在1550°C的較低生長溫度下，使用過飽和氯化化學方法重新填充4H-SiC的外延溝槽。這種方法帶來了2大好處：

●?更好地保持了溝槽的完整性；

●?減少了因高溫H2退火導致的溝槽側(cè)壁變圓的問題。

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準備步驟

首先，研究團隊在直徑為100毫米的高摻雜（n+）4H-SiC襯底上，使用低壓化學氣相沉積（LPCVD）技術在4H-SiC襯底上形成SiO2保護層，以保護4H-SiC不受溝槽制造過程中的污染。

第二步，利用光刻、鎳濺射和剝離等技術對硬掩模進行圖案化，確定等效寬度為2μm和4μm的網(wǎng)格和溝槽；再使用ICP蝕刻技術，以SF6和氬氣蝕刻溝槽至5μm深。

經(jīng)過清洗等準備工作后，開始進入外延生長環(huán)節(jié)——在LPE ACiS M8 RP-CVD反應器中進行圖案晶片的外延生長，使用H2載氣進行生長，生長溫度設定為1550°C。

引入HCl及結論展示

最重要的一步，該研究團隊在工藝中引入額外的鹽酸，流速分別為0、500和2000 sccm，結果如下圖所示：

圖1：2lm和4Im寬4H+Si℃ 溝槽填充物的掃描電鏡顯微照片，(a) 和 (b)無 HCl?；(c) 和 (d)是500 sccm HCl；(e) 和 (f)是2000 sccm HCl。

通過對溝槽填充觀察，該研究團隊可以得出以下結論：

●?在不含HCl的生長過程中，溝槽內(nèi)和上方會過度生長中形成空洞；

●?加入500 sccm的鹽酸后，填充過程更加均勻，4H-SiC明顯偏向于在襯底的確定晶面上生長，4H-SiC的表面形態(tài)有所改善；

●?在2000 sccm HCl樣品中，2μm和4μm溝槽的重新填充不完全，表明隨著HCl流量的增加，溝槽中4H-SiC的生長率降低。

從圖1圖像中提取的 4H-SiC 在表面和溝槽側(cè)壁上的生長速度

結論表明，通過精確控制鹽酸的流量，可以顯著影響4H-SiC在溝槽內(nèi)的生長。適量的鹽酸不僅能夠促進溝槽內(nèi)材料的均勻生長，還能改善表面的形態(tài)，為制造超結器件提供了關鍵的一步。

此外，該研究還評估了溝槽方向對生長方向的影響——發(fā)現(xiàn)在-1.5° < hmis < +1.5°的范圍內(nèi)，生長角hgrowth保持在接近0°的水平，這為制造這種溝槽結構提供了寬廣的工藝窗口和容差。

該團隊認為，4H-SiC 同質(zhì)外延溝槽再填充為 SJ 器件結構提供了一種可擴展的途徑，無需依賴離子注入。

他們已經(jīng)使用氯化化學方法在1550℃下實現(xiàn)了5 微米、寬度為2/4 微米的溝槽填充，同時通過將生長溫度降低抑制了意外的 H2 退火以及隨后的溝槽結構圓化。而且該方法觀察到有效的再填充，4H-SiC 外延層保持單晶性，不會產(chǎn)生額外的缺陷。

該研究表明，選擇正確的 HCl 流速，以從 4H-SiC 晶體生長改善和熔融外延層表面形貌減小中獲益，同時保持溝槽中足夠的生長速率，這對于 SJ 結構的形成至關重要。了解 4H-SiC 溝槽通過外延填充的機制對于開發(fā)可重復的 SJ 器件結構制造工藝至關重要，這可以克服當前基于 4H-SiC 的功率器件的限制。