Millised on ränikarbiidi epitaksiaalkihi defektid?

Põhitehnoloogia kasvuksSiC epitaksiaalneMaterjalide esiteks on defektide kontrollimise tehnoloogia, eriti defektide kontrollimise tehnoloogia puhul, mis on altid seadme riketele või töökindluse halvenemisele. Substraadi defektide ulatumise mehhanismi uurimine epitaksiaalsesse kihti epitaksiaalse kasvuprotsessi ajal, defektide ülekande- ja transformatsiooniseadused substraadi ja epitaksiaalse kihi vahelisel piiril ning defektide tuumastumismehhanism on aluseks substraadi defektide ja epitaksiaalsete struktuuridefektide vahelise korrelatsiooni selgitamisele, mis aitab tõhusalt suunata substraadi sõelumist ja epitaksiaalse protsessi optimeerimist.

Defektidränikarbiidist epitaksiaalsed kihidjagunevad peamiselt kahte kategooriasse: kristallidefektid ja pinnamorfoloogia defektid. Kristallidefektid, sealhulgas punktdefektid, kruvinihestused, mikrotuubulite defektid, servanihestused jne, tekivad enamasti SiC-aluspinna defektidest ja difundeeruvad epitaksiaalsesse kihti. Pinnamorfoloogia defekte saab mikroskoobi abil palja silmaga otse jälgida ja neil on tüüpilised morfoloogilised omadused. Pinnamorfoloogia defektide hulka kuuluvad peamiselt: kriimustused, kolmnurkdefektid, porgandidefektid, langusdefektid ja osakesed, nagu on näidatud joonisel 4. Epitaksiaalse protsessi käigus võivad võõrosakesed, aluspinna defektid, pinnakahjustused ja epitaksiaalse protsessi kõrvalekalded kõik mõjutada lokaalset astmelise voolu kasvurežiimi, mille tulemuseks on pinnamorfoloogia defektid.

Tabel 1. SiC epitaksiaalsete kihtide tavaliste maatriksidefektide ja pinnamorfoloogiadefektide tekke põhjused

 

Punktdefektid

Punktdefektid tekivad ühes või mitmes võrepunktis asuvatest vabadest kohtadest või tühikutest ning neil puudub ruumiline ulatus. Punktdefekte võib esineda igas tootmisprotsessis, eriti ioonide implanteerimisel. Neid on aga raske tuvastada ning punktdefektide ja teiste defektide transformatsiooni vaheline seos on samuti üsna keeruline.

 

Mikrotorud (MP)

Mikrotorud on õõnsad kruvidislokatsioonid, mis levivad piki kasvutelge Burgeri vektoriga <0001>. Mikrotorude läbimõõt ulatub mikroni murdosast kuni kümnete mikroniteni. Mikrotorudel on SiC-plaatide pinnal suured süvenditaolised pinnaelemendid. Tavaliselt on mikrotorude tihedus umbes 0,1–1 cm-2 ja see väheneb jätkuvalt kommertsplaatide tootmise kvaliteedi jälgimisel.

 

Kruvide dislokatsioonid (TSD) ja servade dislokatsioonid (TED)

SiC-s esinevad dislokatsioonid on seadmete lagunemise ja rikete peamine allikas. Nii kruvidislokatsioonid (TSD) kui ka servadislokatsioonid (TED) kulgevad piki kasvutelge, Burgeri vektoritega vastavalt <0001> ja 1/3<11–20>.

Nii kruvidislokatsioonid (TSD) kui ka servadislokatsioonid (TED) võivad ulatuda aluspinnalt vahvli pinnale ja tekitada väikeseid süvenditaolisi pinnaelemente (joonis 4b). Tavaliselt on servadislokatsioonide tihedus umbes 10 korda suurem kui kruvidislokatsioonidel. Pikendatud kruvidislokatsioonid, st need, mis ulatuvad aluspinnalt epilayerile, võivad muutuda ka teisteks defektideks ja levida piki kasvutelge. Selle käigusSiC epitaksiaalnekasvu korral muunduvad kruvide dislokatsioonid virnastusvigadeks (SF) või porgandidefektideks, samas kui epilayerite servade dislokatsioonid on näidatud muunduvat epitaksiaalse kasvu ajal substraadilt päritud basaaltasandi dislokatsioonidest (BPD).

 

Põhiline tasapinnaline dislokatsioon (BPD)

Paiknevad SiC basaaltasandil, Burgeri vektoriga 1/3 <11–20>. BPD-d esinevad SiC vahvlite pinnal harva. Tavaliselt on need koondunud aluspinnale tihedusega 1500 cm⁻², samas kui nende tihedus epikihis on vaid umbes 10 cm⁻². BPD-de tuvastamine fotoluminestsentsi (PL) abil näitab lineaarseid tunnuseid, nagu on näidatud joonisel 4c. Selle käigusSiC epitaksiaalnekasvu korral võivad pikendatud BPD-d muutuda virnastusvigadeks (SF) või servanihestusteks (TED).

 

Virnastusvead (SF-id)

SiC basaaltasandi virnastusjärjestuse defektid. Virnastusvead võivad epitaksiaalkihis ilmneda substraadis olevate SF-ide pärimise kaudu või olla seotud basaaltasandi dislokatsioonide (BPD) ja keermestuskruvide dislokatsioonide (TSD) laienemise ja transformatsiooniga. Üldiselt on SF-ide tihedus väiksem kui 1 cm-2 ja neil on PL abil tuvastamisel kolmnurkne tunnus, nagu on näidatud joonisel 4e. SiC-s võivad aga tekkida erinevat tüüpi virnastusvead, näiteks Shockley tüüpi ja Franki tüüpi, sest isegi väike kogus virnastusenergia häiret tasapindade vahel võib viia virnastusjärjestuse märkimisväärse ebakorrapärasuseni.

 

Langus

Langusdefekt tuleneb peamiselt osakeste langemisest reaktsioonikambri ülemisele ja külgseinale kasvuprotsessi ajal, mida saab optimeerida reaktsioonikambri grafiidist kulumaterjalide perioodilise hooldusprotsessi optimeerimise abil.

 

Kolmnurkne defekt

See on 3C-SiC polütüübi inklusioon, mis ulatub SiC epikihi pinnale piki basaaltasandi suunda, nagu on näidatud joonisel 4g. See võib tekkida SiC epikihi pinnale langevate osakeste poolt epitaksiaalse kasvu ajal. Osakesed kinnistuvad epikihi ja häirivad kasvuprotsessi, mille tulemuseks on 3C-SiC polütüübi inklusioonid, millel on teravnurksed kolmnurksed pinnajooned, kus osakesed asuvad kolmnurkse piirkonna tippudes. Paljud uuringud on polütüübi inklusioonide tekke põhjuseks seostanud ka pinnakriimustusi, mikrotorusid ja kasvuprotsessi valesid parameetreid.

 

Porgandi defekt

Porgandefekt on virnastumismurru kompleks, millel on kaks otsa, mis paiknevad TSD ja SF basaalkristallide tasapindadel ning mille lõpus on Franki tüüpi dislokatsioon, ning porgandidefekti suurus on seotud prismaga virnastumismurruga. Nende tunnuste kombinatsioon moodustab porgandidefekti pinnamorfoloogia, mis näeb välja nagu porgandikujuline tihedusega alla 1 cm-2, nagu on näidatud joonisel 4f. Porganddefektid tekivad kergesti poleerimiskriimustuste, TSD-de või aluspinna defektide korral.

 

Kriimustused

Kriimustused on SiC-plaatide pinnal tootmisprotsessi käigus tekkinud mehaanilised kahjustused, nagu on näidatud joonisel 4h. Kriimustused SiC-aluspinnal võivad segada epikihi kasvu, tekitada epikihis rea suure tihedusega dislokatsioone või kriimustused võivad olla porgandivigade tekke aluseks. Seetõttu on oluline SiC-plaate korralikult poleerida, kuna need kriimustused võivad seadme aktiivses piirkonnas ilmnedes oluliselt mõjutada seadme jõudlust.

 

Muud pinnamorfoloogilised defektid

Astmeline kobardumine on pinnadefekt, mis tekib SiC epitaksiaalse kasvuprotsessi käigus ja mis tekitab SiC epikihi pinnale nürinurkseid kolmnurki või trapetsikujulisi jooni. Esineb ka palju muid pinnadefekte, näiteks pinnaaugud, muhud ja plekid. Need defektid on tavaliselt põhjustatud optimeerimata kasvuprotsessidest ja poleerimiskahjustuste mittetäielikust eemaldamisest, mis mõjutab negatiivselt seadme jõudlust.