提高SiC外延生长速率和品质的方法

文章来源：晶格半导体‍‍‍

原文作者：晶格半导体‍‍‍

SiC外延设备的复杂性主要体现在反应室设计、加热系统和旋转系统等关键部件的精确控制上。在SiC外延生长过程中，晶型夹杂和缺陷问题频发，严重影响外延膜的质量。如何在提高外延生长速率和品质的同时，有效避免这些问题的产生，可以从以下几个方面入手。‍  

反应室设计优化‍‍‍‍‍‍‍‍‍

1、气体分布优化

设计更合理的气体入口结构，采用气体分布器或特殊的进气管道布局，使反应气体（如硅源、碳源等）能均匀地进入反应室，避免局部气体浓度过高或过低。例如，采用多孔板气体分布器，让气体通过小孔均匀扩散到反应区域，这样能保证外延生长过程中各处反应条件一致，减少因气体分布不均导致的晶型夹杂和缺陷。

优化反应室的形状和内部流场，通过计算机模拟流体动力学（CFD）技术，分析气体在反应室内的流动特性，调整反应室结构，使气体流动更加平稳，减少气体的涡流和滞流区域，从而提高外延生长的均匀性，降低缺陷产生几率。

2、反应室材料选择与处理

选择合适的反应室材料，确保其在高温、腐蚀性气体环境下具有良好的化学稳定性。例如，选用经过特殊涂层处理的石英或碳化硅材质反应室，这些材料不仅能耐受高温和反应气体的侵蚀，还能减少杂质的释放，避免因反应室材料引入杂质而导致外延膜缺陷。

对反应室进行严格的清洗和预处理，在每次使用前，采用高温烘烤、化学清洗等方法去除反应室内残留的杂质和污染物，保证反应环境的纯净，为高质量的外延生长创造条件。

加热系统改进‍‍‍‍

1、温度均匀性控制

采用多区加热技术，在反应室周围设置多个独立控制的加热区，通过精确调节每个加热区的功率，使反应室内不同位置的温度分布更加均匀。例如，在水平式反应室中，可在反应室的前端、中端和后端分别设置加热区，根据温度监测数据实时调整各加热区的功率，确保整个反应区域的温度偏差控制在极小范围内，避免因温度梯度导致的晶型转变异常和缺陷形成。

优化加热元件的布局和结构，采用更合理的加热丝缠绕方式或使用新型的加热材料，如石墨加热体等，提高加热效率和温度均匀性。同时，在加热元件与反应室之间设置隔热层，减少热量散失和热传导不均的影响，进一步提升温度控制的精度。

2、温度精确控制与稳定性

配备高精度的温度传感器，实时监测反应室内的温度变化，并将温度信号反馈给控制系统。采用先进的温度控制算法，如比例 - 积分 - 微分（PID）控制算法及其改进算法，根据温度偏差精确调节加热功率，使反应温度能够快速、稳定地达到设定值，并保持在极小的波动范围内。例如，将温度波动控制在 ±1℃以内，为外延生长提供稳定的热环境，减少因温度波动导致的晶型夹杂和缺陷。

旋转系统优化‍‍‍‍

1、旋转稳定性提升

选用高精度的旋转电机和轴承，确保旋转系统在高速旋转时具有良好的稳定性和低振动特性。例如，采用空气轴承或磁悬浮轴承，这些轴承能够有效减少机械摩擦和振动，保证晶圆在旋转过程中的平稳性，避免因旋转抖动导致外延膜生长不均匀，进而产生缺陷。

对旋转系统进行动平衡测试和校正，在安装前对旋转部件进行精确的动平衡检测，通过添加或去除配重块等方式，使旋转部件的重心与旋转轴重合，减少因不平衡旋转产生的离心力，保证晶圆在旋转过程中各点受到的力均匀，提高外延生长的一致性。

2、旋转速度精确控制

采用先进的速度控制系统，能够精确调节旋转系统的转速，并根据外延生长的不同阶段和工艺要求，实时调整转速。例如，在生长初期采用较低的转速，使反应气体能够充分吸附在晶圆表面，形成均匀的初始层；随着生长过程的进行，逐渐提高转速，增强气体的扩散和混合效果，提高外延生长速率和质量。通过精确控制旋转速度，优化外延生长过程中的传质和反应动力学，减少晶型夹杂和缺陷的产生。

工艺参数优化‍‍‍‍

1、生长温度和时间优化

通过实验和理论模拟相结合的方法，确定最佳的外延生长温度窗口。不同的晶型对生长温度有严格要求，例如，4H - SiC 的外延生长通常在 1500 - 1600℃之间，在此温度范围内精确调整温度，找到既能保证较高生长速率又能减少晶型夹杂和缺陷的最佳温度点。同时，合理控制生长时间，避免过长或过短的生长时间导致的外延膜质量问题。例如，过长的生长时间可能会使杂质积累增多，产生更多缺陷；过短的生长时间则可能导致外延膜厚度不均匀或生长不完全。

2、气体流量和比例调整

精确控制反应气体的流量，根据外延生长的速率和质量要求，实时调整硅源、碳源等气体的流量。例如，在生长初期，适当增加硅源气体的流量，促进硅原子在晶圆表面的吸附和沉积，形成良好的初始层；在生长后期，根据外延膜的生长情况，合理调整碳源气体的流量，以保证碳硅比符合目标晶型的要求，避免因碳硅比失调导致晶型夹杂。同时，精确控制载气（如氢气）的流量，通过载气的流动带动反应气体的扩散和混合，优化反应环境，提高外延生长的质量。

3、压力控制

优化反应室内的压力条件，根据不同的外延生长工艺，选择合适的生长压力。例如，在常压或低压条件下进行外延生长，通过精确控制压力，调节反应气体的扩散和反应速率。较低的压力可以促进气体分子的扩散，减少气相中的杂质碰撞和沉积，有利于提高外延膜的质量；而在某些情况下，适当提高压力可以增加反应气体的浓度，提高外延生长速率。通过精确控制压力参数，找到生长速率和质量的最佳平衡点，减少晶型夹杂和缺陷的产生。

原材料质量控制‍‍‍‍

1、气体纯度

保证使用高纯度的反应气体，确保硅源（如硅烷等）、碳源（如丙烷等）和载气（如氢气）的纯度达到 99.999% 以上，甚至更高。采用气体纯化设备，进一步去除气体中的杂质，如水分、氧气、金属杂质等，避免这些杂质在反应过程中进入外延膜，导致晶型夹杂和缺陷。例如，通过低温冷凝、吸附等方法去除气体中的水分和氧气，通过特殊的金属吸附剂去除气体中的金属杂质，保证反应气体的纯净度。

2、晶圆质量

筛选对用于外延生长的 SiC 晶圆进行严格的质量筛选，选择晶体质量高、缺陷密度低的晶圆。在晶圆的采购过程中，要求供应商提供详细的晶体质量检测报告，包括位错密度、微管密度等指标。在使用前，对晶圆进行再次检测，如采用化学腐蚀法观察晶圆表面的缺陷情况，采用 X 射线衍射等技术检测晶圆的晶体结构完整性。通过选择高质量的晶圆作为生长衬底，为获得高质量的外延膜奠定基础，减少因衬底缺陷导致的外延膜晶型夹杂和缺陷问题。

实时监测与反馈控制‍‍‍‍‍

1、在线监测技术应用

采用原位监测技术，如反射高能电子衍射（RHEED）、光发射光谱（OES）等，实时监测外延生长过程中的晶体结构和反应气体的状态。RHEED 可以实时观察外延层的生长模式、晶型转变等情况，通过监测衍射图案的变化，及时发现晶型夹杂等问题；OES 则可以在线分析反应气体的成分和浓度变化，根据光谱信号调整气体流量和比例，保证反应过程的稳定性。通过实时监测，能够及时发现生长过程中的异常情况，为及时调整工艺参数提供依据。

2、反馈控制系统建立

基于在线监测的数据，建立反馈控制系统，将监测到的晶体结构、温度、气体流量等信息实时反馈给控制系统。控制系统根据预设的工艺标准和模型，自动调整反应室设计、加热系统、旋转系统等关键部件的参数，实现对外延生长过程的闭环控制。例如，当 RHEED 监测到晶型出现异常时，反馈控制系统自动调整加热温度、气体流量等参数，尝试纠正晶型生长方向，避免晶型夹杂和缺陷进一步扩大，从而提高外延生长的稳定性和外延膜的质量。