La technologie de base pour la croissance deSiC épitaxialLes matériaux sont avant tout une technologie de contrôle des défauts, notamment ceux qui sont sujets à des défaillances ou à une dégradation de la fiabilité des dispositifs. L'étude du mécanisme d'extension des défauts du substrat à la couche épitaxiale lors de la croissance épitaxiale, des lois de transfert et de transformation des défauts à l'interface entre le substrat et la couche épitaxiale, ainsi que du mécanisme de nucléation des défauts, permet de clarifier la corrélation entre les défauts du substrat et les défauts structurels épitaxiaux, ce qui peut guider efficacement le criblage du substrat et l'optimisation du processus épitaxial.
Les défauts decouches épitaxiales de carbure de siliciumLes défauts cristallins sont principalement divisés en deux catégories : les défauts cristallins et les défauts de morphologie de surface. Les défauts cristallins, notamment les défauts ponctuels, les dislocations vis, les défauts de microtubules et les dislocations de bord, proviennent généralement de défauts sur les substrats de SiC et se diffusent dans la couche épitaxiale. Les défauts de morphologie de surface peuvent être observés directement à l'œil nu au microscope et présentent des caractéristiques morphologiques typiques. Les principaux défauts de morphologie de surface comprennent : les rayures, les défauts triangulaires, les défauts de carotte, les chutes et les particules, comme illustré à la figure 4. Pendant le processus épitaxial, les particules étrangères, les défauts du substrat, les dommages de surface et les écarts du processus épitaxial peuvent tous affecter le mode de croissance par écoulement local, entraînant des défauts de morphologie de surface.
Tableau 1. Causes de la formation de défauts de matrice courants et de défauts de morphologie de surface dans les couches épitaxiales de SiC
Défauts ponctuels
Les défauts ponctuels sont formés de lacunes ou de lacunes en un ou plusieurs points du réseau, et ils n'ont pas d'extension spatiale. Ils peuvent survenir dans tous les procédés de production, notamment lors de l'implantation ionique. Cependant, ils sont difficiles à détecter et la relation entre la transformation des défauts ponctuels et celle des autres défauts est également assez complexe.
Micropipes (MP)
Les microtubes sont des dislocations vissées creuses qui se propagent le long de l'axe de croissance, avec un vecteur de Burgers <0001>. Leur diamètre varie de quelques fractions de microns à plusieurs dizaines de microns. Ils présentent de larges creux à la surface des plaquettes de SiC. Leur densité est généralement d'environ 0,1 à 1 cm-2 et continue de diminuer lors du contrôle qualité de la production de plaquettes commerciales.
Dislocations vis (TSD) et dislocations de bord (TED)
Les dislocations dans le SiC sont la principale source de dégradation et de défaillance des dispositifs. Les dislocations vis (TSD) et les dislocations de bord (TED) se situent le long de l'axe de croissance, avec des vecteurs de Burgers respectivement de <0001> et 1/3<11–20>.
Les dislocations vis (TSD) et les dislocations de bord (TED) peuvent s'étendre du substrat à la surface du wafer et former de petites cavités (Figure 4b). En général, la densité des dislocations de bord est environ dix fois supérieure à celle des dislocations vis. Les dislocations vis étendues, c'est-à-dire s'étendant du substrat à la couche épitaxiale, peuvent également se transformer en d'autres défauts et se propager le long de l'axe de croissance.SiC épitaxialAu cours de la croissance épitaxiale, les dislocations vis sont converties en défauts d'empilement (SF) ou en défauts de carotte, tandis que les dislocations de bord dans les couches épitaxiales sont converties à partir de dislocations du plan basal (BPD) héritées du substrat pendant la croissance épitaxiale.
Luxation plane basique (LBP)
Situés sur le plan basal du SiC, avec un vecteur de Burgers de 1/3 <11–20>, les BPD apparaissent rarement à la surface des plaquettes de SiC. Ils sont généralement concentrés sur le substrat avec une densité de 1 500 cm-2, tandis que leur densité dans la couche épitaxiale n'est que d'environ 10 cm-2. La détection des BPD par photoluminescence (PL) présente des caractéristiques linéaires, comme illustré à la figure 4c.SiC épitaxialcroissance, les BPD étendus peuvent être convertis en défauts d'empilement (SF) ou en dislocations de bord (TED).
Défauts d'empilement (SF)
Défauts dans la séquence d'empilement du plan basal du SiC. Les défauts d'empilement peuvent apparaître dans la couche épitaxiale par héritage de SF dans le substrat, ou être liés à l'extension et à la transformation de dislocations du plan basal (BPD) et de dislocations de vis filetées (TSD). Généralement, la densité des SF est inférieure à 1 cm-2 et elles présentent une forme triangulaire lorsqu'elles sont détectées par PL, comme illustré à la figure 4e. Cependant, différents types de défauts d'empilement peuvent se former dans le SiC, tels que les défauts de type Shockley et Frank, car même un faible désordre d'énergie d'empilement entre les plans peut entraîner une irrégularité considérable dans la séquence d'empilement.
Chute
Le défaut de chute provient principalement de la chute de particules sur les parois supérieures et latérales de la chambre de réaction pendant le processus de croissance, qui peut être optimisé en optimisant le processus de maintenance périodique des consommables en graphite de la chambre de réaction.
Défaut triangulaire
Il s'agit d'une inclusion polytypique 3C-SiC qui s'étend jusqu'à la surface de la couche épitaxiale de SiC le long du plan basal, comme illustré à la figure 4g. Elle pourrait être générée par la chute de particules à la surface de la couche épitaxiale de SiC lors de la croissance épitaxiale. Ces particules sont intégrées à la couche épitaxiale et interfèrent avec le processus de croissance, ce qui donne naissance à des inclusions polytypiques 3C-SiC présentant des surfaces triangulaires à angles vifs, les particules étant situées aux sommets de la région triangulaire. De nombreuses études ont également attribué l'origine des inclusions polytypiques à des rayures de surface, des micropipes et des paramètres de croissance inappropriés.
Défaut de carotte
Un défaut de carotte est un complexe de défauts d'empilement dont les deux extrémités sont situées dans les plans cristallins basaux TSD et SF, et se termine par une dislocation de type Frank. Sa taille est liée au défaut d'empilement prismatique. La combinaison de ces caractéristiques forme la morphologie de surface du défaut de carotte, qui ressemble à une carotte avec une densité inférieure à 1 cm-2, comme illustré à la figure 4f. Les défauts de carotte se forment facilement au niveau des rayures de polissage, des TSD ou des défauts de substrat.
rayures
Les rayures sont des dommages mécaniques à la surface des plaquettes de SiC, formés lors du processus de production, comme illustré à la figure 4h. Elles peuvent perturber la croissance de la couche épitaxiale, produire une rangée de dislocations à haute densité au sein de la couche épitaxiale ou favoriser la formation de défauts en forme de carotte. Il est donc essentiel de polir correctement les plaquettes de SiC, car ces rayures peuvent avoir un impact significatif sur les performances du dispositif lorsqu'elles apparaissent dans la zone active.
Autres défauts de morphologie de surface
Le « step bunching » est un défaut de surface formé lors de la croissance épitaxiale du SiC. Il produit des triangles obtus ou des trapèzes à la surface de la couche épitaxiale de SiC. Il existe de nombreux autres défauts de surface, tels que des piqûres, des bosses et des taches. Ces défauts sont généralement causés par des processus de croissance non optimisés et une élimination incomplète des dommages de polissage, ce qui nuit aux performances du dispositif.
Date de publication : 05/06/2024