La tecnología central para el crecimiento deSiC epitaxialLa tecnología de control de defectos, especialmente aquella que es propensa a fallas en los dispositivos o a la degradación de su fiabilidad, es fundamental para comprender el mecanismo de propagación de los defectos del sustrato hacia la capa epitaxial durante el proceso de crecimiento epitaxial, las leyes de transferencia y transformación de los defectos en la interfaz entre el sustrato y la capa epitaxial, y el mecanismo de nucleación de los defectos. Esto permite dilucidar la correlación entre los defectos del sustrato y los defectos estructurales epitaxiales, lo que a su vez puede guiar eficazmente la selección del sustrato y la optimización del proceso epitaxial.
Los defectos decapas epitaxiales de carburo de silicioLos defectos se dividen principalmente en dos categorías: defectos cristalinos y defectos de morfología superficial. Los defectos cristalinos, que incluyen defectos puntuales, dislocaciones helicoidales, defectos de microtúbulos, dislocaciones de borde, etc., se originan principalmente en defectos en los sustratos de SiC y se difunden en la capa epitaxial. Los defectos de morfología superficial se pueden observar directamente a simple vista con un microscopio y tienen características morfológicas típicas. Los defectos de morfología superficial incluyen principalmente: rayaduras, defectos triangulares, defectos en forma de zanahoria, caídas y partículas, como se muestra en la Figura 4. Durante el proceso epitaxial, las partículas extrañas, los defectos del sustrato, los daños superficiales y las desviaciones del proceso epitaxial pueden afectar el modo de crecimiento del flujo de escalones local, lo que resulta en defectos de morfología superficial.
Tabla 1. Causas de la formación de defectos comunes de la matriz y defectos de la morfología superficial en capas epitaxiales de SiC.
defectos puntuales
Los defectos puntuales se forman por vacantes o huecos en uno o varios puntos de la red cristalina, y carecen de extensión espacial. Pueden aparecer en cualquier proceso de producción, especialmente en la implantación iónica. Sin embargo, son difíciles de detectar, y la relación entre la transformación de defectos puntuales y otros defectos es bastante compleja.
Microtubos (MP)
Los microtubos son dislocaciones helicoidales huecas que se propagan a lo largo del eje de crecimiento, con un vector de Burgers <0001>. Su diámetro varía desde una fracción de micra hasta decenas de micras. Los microtubos presentan grandes irregularidades superficiales en forma de hoyos en la superficie de las obleas de SiC. Normalmente, la densidad de microtubos es de aproximadamente 0,1 a 1 cm⁻² y continúa disminuyendo durante el control de calidad de la producción comercial de obleas.
Dislocaciones de tornillo (TSD) y dislocaciones de borde (TED)
Las dislocaciones en el SiC son la principal causa de degradación y fallo de los dispositivos. Tanto las dislocaciones de tornillo (TSD) como las dislocaciones de borde (TED) discurren a lo largo del eje de crecimiento, con vectores de Burgers de <0001> y 1/3<11–20>, respectivamente.
Tanto las dislocaciones de tornillo (TSD) como las dislocaciones de borde (TED) pueden extenderse desde el sustrato hasta la superficie de la oblea y generar pequeñas características superficiales en forma de hoyos (Figura 4b). Típicamente, la densidad de dislocaciones de borde es aproximadamente 10 veces mayor que la de las dislocaciones de tornillo. Las dislocaciones de tornillo extendidas, es decir, las que se extienden desde el sustrato hasta la capa epitaxial, también pueden transformarse en otros defectos y propagarse a lo largo del eje de crecimiento. DuranteSiC epitaxialDurante el crecimiento, las dislocaciones de tornillo se convierten en fallas de apilamiento (SF) o defectos de zanahoria, mientras que se demuestra que las dislocaciones de borde en las capas epitaxiales se convierten a partir de dislocaciones del plano basal (BPD) heredadas del sustrato durante el crecimiento epitaxial.
dislocación del plano básico (BPD)
Ubicados en el plano basal de SiC, con un vector de Burgers de 1/3 <11–20>. Los BPD rara vez aparecen en la superficie de las obleas de SiC. Por lo general, se concentran en el sustrato con una densidad de 1500 cm-2, mientras que su densidad en la capa epitaxial es de solo unos 10 cm-2. La detección de BPD mediante fotoluminiscencia (PL) muestra características lineales, como se muestra en la Figura 4c. DuranteSiC epitaxialDurante el crecimiento, las dislocaciones de borde extendidas pueden convertirse en fallas de apilamiento (SF) o dislocaciones de borde (TED).
Fallas de apilamiento (SF)
Defectos en la secuencia de apilamiento del plano basal de SiC. Las fallas de apilamiento pueden aparecer en la capa epitaxial por herencia de fallas de apilamiento (SF) en el sustrato, o estar relacionadas con la extensión y transformación de dislocaciones del plano basal (BPD) y dislocaciones de rosca (TSD). Generalmente, la densidad de SF es menor a 1 cm⁻², y presentan una forma triangular cuando se detectan mediante fotoluminiscencia (PL), como se muestra en la Figura 4e. Sin embargo, en SiC pueden formarse diversos tipos de fallas de apilamiento, como las de tipo Shockley y Frank, ya que incluso una pequeña cantidad de desorden en la energía de apilamiento entre planos puede provocar una considerable irregularidad en la secuencia de apilamiento.
Caída
El defecto de caída se origina principalmente por la caída de partículas en las paredes superior y laterales de la cámara de reacción durante el proceso de crecimiento, lo cual se puede optimizar optimizando el proceso de mantenimiento periódico de los consumibles de grafito de la cámara de reacción.
Defecto triangular
Se trata de una inclusión de politipo 3C-SiC que se extiende hasta la superficie de la capa epitaxial de SiC a lo largo del plano basal, como se muestra en la Figura 4g. Puede generarse por la caída de partículas sobre la superficie de la capa epitaxial de SiC durante el crecimiento epitaxial. Las partículas se incrustan en la capa epitaxial e interfieren con el proceso de crecimiento, dando lugar a inclusiones de politipo 3C-SiC, que presentan características superficiales triangulares de ángulos agudos con las partículas ubicadas en los vértices de la región triangular. Numerosos estudios también han atribuido el origen de las inclusiones de politipo a arañazos superficiales, microporos y parámetros inadecuados del proceso de crecimiento.
Defecto de la zanahoria
Un defecto de zanahoria es un complejo de fallas de apilamiento con dos extremos ubicados en los planos cristalinos basales TSD y SF, terminado por una dislocación de tipo Frank, y su tamaño está relacionado con la falla de apilamiento prismática. La combinación de estas características conforma la morfología superficial del defecto de zanahoria, que tiene forma de zanahoria con una densidad inferior a 1 cm⁻², como se muestra en la Figura 4f. Los defectos de zanahoria se forman fácilmente en arañazos de pulido, defectos TSD o defectos del sustrato.
Arañazos
Los arañazos son daños mecánicos en la superficie de las obleas de SiC que se forman durante el proceso de producción, como se muestra en la Figura 4h. Estos arañazos en el sustrato de SiC pueden interferir con el crecimiento de la capa epitaxial, producir una hilera de dislocaciones de alta densidad dentro de la capa epitaxial o convertirse en la base para la formación de defectos en forma de zanahoria. Por lo tanto, es fundamental pulir adecuadamente las obleas de SiC, ya que estos arañazos pueden tener un impacto significativo en el rendimiento del dispositivo cuando aparecen en su área activa.
Otros defectos de la morfología superficial
El agrupamiento de escalones es un defecto superficial que se forma durante el proceso de crecimiento epitaxial del SiC y que produce triángulos obtusos o rasgos trapezoidales en la superficie de la capa epitaxial de SiC. Existen muchos otros defectos superficiales, como hoyos, protuberancias y manchas. Estos defectos suelen ser causados por procesos de crecimiento no optimizados y una eliminación incompleta de los daños causados por el pulido, lo que afecta negativamente al rendimiento del dispositivo.
Fecha de publicación: 5 de junio de 2024