La tecnologia di base per la crescita diSiC epitassialeLa tecnologia dei materiali si basa innanzitutto sul controllo dei difetti, soprattutto per quanto riguarda i difetti che possono causare guasti o degrado dell'affidabilità dei dispositivi. Lo studio del meccanismo di estensione dei difetti del substrato nello strato epitassiale durante il processo di crescita epitassiale, le leggi di trasferimento e trasformazione dei difetti all'interfaccia tra il substrato e lo strato epitassiale e il meccanismo di nucleazione dei difetti sono fondamentali per chiarire la correlazione tra i difetti del substrato e i difetti strutturali epitassiali, il che può guidare efficacemente la selezione del substrato e l'ottimizzazione del processo epitassiale.
I difetti distrati epitassiali di carburo di silicioI difetti si dividono principalmente in due categorie: difetti cristallini e difetti della morfologia superficiale. I difetti cristallini, tra cui difetti puntiformi, dislocazioni a vite, difetti dei microtubuli, dislocazioni a spigolo, ecc., hanno origine principalmente da difetti sui substrati di SiC e si diffondono nello strato epitassiale. I difetti della morfologia superficiale possono essere osservati direttamente a occhio nudo utilizzando un microscopio e presentano caratteristiche morfologiche tipiche. I difetti della morfologia superficiale includono principalmente: graffi, difetti triangolari, difetti a carota, cadute e particelle, come mostrato in Figura 4. Durante il processo epitassiale, particelle estranee, difetti del substrato, danni superficiali e deviazioni del processo epitassiale possono influenzare la modalità di crescita del flusso di gradini locale, con conseguente formazione di difetti della morfologia superficiale.
Tabella 1. Cause della formazione di difetti comuni della matrice e difetti della morfologia superficiale negli strati epitassiali di SiC
difetti puntiformi
I difetti puntiformi sono formati da lacune o vuoti in un singolo punto del reticolo cristallino o in più punti del reticolo, e non hanno estensione spaziale. I difetti puntiformi possono verificarsi in ogni processo produttivo, in particolare nell'impiantazione ionica. Tuttavia, sono difficili da rilevare e la relazione tra la trasformazione dei difetti puntiformi e altri difetti è piuttosto complessa.
Micropipe (MP)
I microtubi sono dislocazioni a vite cave che si propagano lungo l'asse di crescita, con un vettore di Burgers <0001>. Il diametro dei microtubi varia da una frazione di micron a decine di micron. I microtubi mostrano grandi caratteristiche superficiali simili a fossette sulla superficie dei wafer di SiC. Tipicamente, la densità dei microtubi è di circa 0,1~1 cm⁻² e continua a diminuire nel monitoraggio della qualità della produzione commerciale dei wafer.
Dislocazioni a vite (TSD) e dislocazioni a spigolo (TED)
Le dislocazioni nel SiC sono la principale causa di degrado e guasto dei dispositivi. Sia le dislocazioni a vite (TSD) che le dislocazioni a spigolo (TED) si estendono lungo l'asse di crescita, con vettori di Burgers rispettivamente <0001> e 1/3<11–20>.
Sia le dislocazioni a vite (TSD) che le dislocazioni a spigolo (TED) possono estendersi dal substrato alla superficie del wafer e portare piccole caratteristiche superficiali simili a fossette (Figura 4b). Tipicamente, la densità delle dislocazioni a spigolo è circa 10 volte quella delle dislocazioni a vite. Le dislocazioni a vite estese, cioè quelle che si estendono dal substrato all'epistrato, possono anche trasformarsi in altri difetti e propagarsi lungo l'asse di crescita. DuranteSiC epitassialeDurante la crescita, le dislocazioni a vite vengono convertite in difetti di impilamento (SF) o difetti a carota, mentre le dislocazioni a spigolo negli strati epitassiali risultano essere convertite da dislocazioni del piano basale (BPD) ereditate dal substrato durante la crescita epitassiale.
Dislocazione del piano basico (BPD)
Situati sul piano basale del SiC, con un vettore di Burgers di 1/3 <11–20>. I BPD appaiono raramente sulla superficie dei wafer di SiC. Sono solitamente concentrati sul substrato con una densità di 1500 cm-2, mentre la loro densità nell'epistrato è solo di circa 10 cm-2. Il rilevamento dei BPD tramite fotoluminescenza (PL) mostra caratteristiche lineari, come mostrato nella Figura 4c. DuranteSiC epitassialeDurante la crescita, le BPD estese possono essere convertite in difetti di impilamento (SF) o dislocazioni di bordo (TED).
Difetti di impilamento (SF)
Difetti nella sequenza di impilamento del piano basale del SiC. I difetti di impilamento possono comparire nello strato epitassiale ereditando i difetti di impilamento (SF) presenti nel substrato, oppure essere correlati all'estensione e alla trasformazione delle dislocazioni del piano basale (BPD) e delle dislocazioni a vite (TSD). Generalmente, la densità dei difetti di impilamento è inferiore a 1 cm⁻² e, quando rilevati tramite fotoluminescenza (PL), presentano una forma triangolare, come mostrato in Figura 4e. Tuttavia, nel SiC possono formarsi diversi tipi di difetti di impilamento, come quelli di tipo Shockley e di tipo Frank, poiché anche una piccola quantità di disordine energetico di impilamento tra i piani può portare a una notevole irregolarità nella sequenza di impilamento.
Caduta
Il difetto principale deriva dalla caduta delle particelle sulle pareti superiori e laterali della camera di reazione durante il processo di crescita, e può essere ottimizzato intervenendo sulla manutenzione periodica dei materiali di consumo in grafite della camera di reazione.
Difetto triangolare
Si tratta di un'inclusione politipo 3C-SiC che si estende fino alla superficie dell'epistrato di SiC lungo la direzione del piano basale, come mostrato in Figura 4g. Può essere generata dalle particelle che cadono sulla superficie dell'epistrato di SiC durante la crescita epitassiale. Le particelle sono incorporate nell'epistrato e interferiscono con il processo di crescita, dando origine a inclusioni politipo 3C-SiC, che mostrano caratteristiche superficiali triangolari ad angolo acuto con le particelle situate ai vertici della regione triangolare. Molti studi hanno anche attribuito l'origine delle inclusioni politipo a graffi superficiali, micropori e parametri impropri del processo di crescita.
Difetto della carota
Un difetto a carota è un complesso di difetti di impilamento con due estremità situate sui piani cristallini basali TSD e SF, terminate da una dislocazione di tipo Frank, e la dimensione del difetto a carota è correlata al difetto di impilamento prismatico. La combinazione di queste caratteristiche forma la morfologia superficiale del difetto a carota, che appare come una forma a carota con una densità inferiore a 1 cm⁻², come mostrato nella Figura 4f. I difetti a carota si formano facilmente in corrispondenza di graffi di lucidatura, TSD o difetti del substrato.
Graffi
I graffi sono danni meccanici sulla superficie dei wafer di SiC formatisi durante il processo di produzione, come mostrato nella Figura 4h. I graffi sul substrato di SiC possono interferire con la crescita dell'epistrato, produrre una fila di dislocazioni ad alta densità all'interno dell'epistrato, oppure possono diventare la base per la formazione di difetti a carota. Pertanto, è fondamentale lucidare correttamente i wafer di SiC, poiché questi graffi possono avere un impatto significativo sulle prestazioni del dispositivo quando compaiono nell'area attiva del dispositivo.
Altri difetti della morfologia superficiale
L'aggregazione di gradini è un difetto superficiale che si forma durante il processo di crescita epitassiale del SiC, producendo triangoli ottusi o strutture trapezoidali sulla superficie dello strato epitassiale di SiC. Esistono molti altri difetti superficiali, come fossette, protuberanze e macchie. Questi difetti sono solitamente causati da processi di crescita non ottimizzati e da una rimozione incompleta dei danni di lucidatura, che influiscono negativamente sulle prestazioni del dispositivo.
Data di pubblicazione: 05-06-2024