8英寸4H-SiC的P型高掺杂外延生长与缺陷控制研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0224

摘要/Abstract

摘要： 本文针对高压碳化硅（SiC）功率器件对高质量P型高掺杂外延层的迫切需求，系统研究了基于三甲基铝（Al（CH₃）₃， TMA）前驱体的8英寸（1英寸=2.54 cm）4H-SiC同质外延生长技术。通过优化高温化学气相沉积（CVD）过程中的关键参数，成功在8英寸4°偏角4H-SiC衬底上实现了外延层铝（Al）掺杂浓度大于1.00×10¹⁹ cm^-3的可控掺杂，外延层纵向掺杂均匀性良好，并利用表面缺陷检测技术分析了掺杂浓度对缺陷形貌的影响规律。结果表明，当Al掺杂浓度超过1.35×10¹⁹ cm^-3时，晶格失配应力会诱导表面形貌恶化，且恶化程度随Al掺杂浓度升高而加剧。通过进一步优化生长条件，最终在高于1.00×10¹⁹ cm^-3的高掺杂浓度下，将致命缺陷密度成功抑制在0.156 cm^-2的水平，从而使3 mm×3 mm芯片面积的可用面积率达到99.0%。本研究为实现高质量、大尺寸P型4H-SiC外延层的制备提供了有效的技术方案，为其在高压功率器件中的产业化应用提供了坚实的材料基础。

关键词: 碳化硅; P型掺杂; 8英寸; 外延生长; 可用面积率; 二次离子质谱

Abstract: Targeting the urgent demand for high-quality P-type highly doped epitaxial layers in high-voltage silicon carbide （SiC） power devices， this work systematically investigated the homoepitaxial growth technology of 8-inch （1 inch=2.54 cm） 4H-SiC based on trimethylaluminum （Al（CH₃）₃， TMA） precursor. By optimizing key parameters in the process of high-temperature chemical vapor deposition （CVD）， the controllable doping of aluminum （Al） in the epitaxial layer a doping concentration exceeding 1.00×10¹⁹ cm^-3 was successfully achieved on 8-inch and 4° off-axis 4H-SiC substrates， and the longitudinal doping uniformity in the epitaxial layer was good. The influence of doping concentration on defect morphology was analyzed by surface defect detection technology. The results show that when the Al doping concentration surpasses 1.35×10¹⁹ cm^-3， the lattice mismatch stress induces significant degradation of the surface morphology， and the degree of deterioration will increase with the increase of the Al doping concentration. Through further optimization of the growth conditions， the fatal defect density is successfully suppressed to 0.156 cm^-2 at a high doping concentration higher than 1.00×10¹⁹ cm^-3， so that the usable area ratio of 3 mm×3 mm chip area reaches 99.0%. This study provides an effective technical pathway for fabricating high-quality， large size P-type 4H-SiC epitaxial layers， laying a solid material for their industrial application in high-voltage power devices.

Key words: silicon carbide; P-type doping; 8-inch; epitaxial growth; usable area ratio; secondary ion mass spectrometry

中图分类号:

O484.1

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图/表 6

图1 10 μm厚外延层中心点坐标（0，0）与边缘点坐标（90，0）的SIMS测试结果

Fig.1 SIMS measurement results of 10 μm thick epitaxial layer at center point coordinate （0， 0） and edge point coordinate （90， 0）

图2 P型4H-SiC外延层SIMS测试结果。（a）Al掺杂浓度随TMA流量的变化；（b）Al掺杂浓度随C/Si比的变化；（c）不同Al掺杂浓度下SIMS与Hg-CV测试结果对比

Fig.2 SIMS measurement results of P-type 4H-SiC epitaxial layer. （a） Al doping concentration as a function of TMA flow；（b） Al doping concentration as a function of C/Si ratio；（c） comparison of SIMS and Hg-CV measurement results at different Al doping concentrations

图3 不同Al掺杂浓度下外延层的表面形貌照片。（a）1.02×1019 cm-3；（b）1.35×1019 cm-3；（c）1.64×1019 cm-3；（d）1.92×1019 cm-3

Fig.3 Surface morphology images of epitaxial layers at different Al doping concentrations. （a） 1.02×1019 cm-3；（b） 1.35×1019 cm-3；（c） 1.64×1019 cm-3；（d） 1.92×1019 cm-3

图4 无TMA掺杂的外延层表面形貌照片，其中实线方框为表面形貌放大图片，虚线圆框为Si滴缺陷

Fig.4 Surface morphology image of epitaxial layer without TMA doping. The solid square box indicates a magnified view of surface morphology； the red dashed circle box highlights silicon droplet defect

图5 不同外延生长速率下Al浓度SIMS测试结果。（a）60 μm/h；（b）25 μm/h

Fig.5 SIMS measurement results of Al doping concentration at different epitaxial growth rates. （a） 60 μm/h；（b） 25 μm/h

图6 30 μm厚P型外延层表面测试数据。（a）表面缺陷测试数据；（b）厚度测试数据；（c）表面平整度测试数据；（d）中心位置AFM照片

Fig.6 Surface measurement data of 30 μm thick P-type epitaxial layer. （a） Surface defect measurement data；（b） thickness measurement data；（c） surface flatness measurement data；（d） AFM image of central region

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