מהם הפגמים של שכבת האפיטקסיאלית של סיליקון קרביד

הטכנולוגיה המרכזית לצמיחה שלאפיטקסיאלי SiCחומרים היא קודם כל טכנולוגיית בקרת פגמים, במיוחד עבור טכנולוגיית בקרת פגמים הנוטה לכשל במכשיר או להידרדרות באמינות. חקר מנגנון הפגמים במצע המתרחבים לתוך השכבה האפיטקסיאלית במהלך תהליך הצמיחה האפיטקסיאלית, חוקי ההעברה והטרנספורמציה של פגמים בממשק שבין המצע לשכבה האפיטקסיאלית, ומנגנון ההתגרענות של פגמים הם הבסיס להבהרת המתאם בין פגמי מצע לפגמים מבניים אפיטקסיאליים, אשר יכולים להנחות ביעילות סינון מצע ואופטימיזציה של תהליכים אפיטקסיאליים.

הפגמים שלשכבות אפיטקסיאליות של סיליקון קרבידמחולקים בעיקר לשתי קטגוריות: פגמי גביש ופגמי מורפולוגיה של פני השטח. פגמי גביש, כולל פגמי נקודתיים, נקעים בבורג, פגמי מיקרוטובולים, נקעים בקצה וכו', מקורם בעיקר מפגמים במצעי SiC ומתפזרים לשכבה האפיטקסיאלית. פגמי מורפולוגיה של פני השטח ניתנים לצפייה ישירה בעין בלתי מזוינת באמצעות מיקרוסקופ ויש להם מאפיינים מורפולוגיים אופייניים. פגמי מורפולוגיה של פני השטח כוללים בעיקר: שריטה, פגם משולש, פגם גזר, נפילה וחלקיק, כפי שמוצג באיור 4. במהלך התהליך האפיטקסיאלי, חלקיקים זרים, פגמי מצע, נזק לפני השטח וסטיות בתהליך האפיטקסיאלי עשויים להשפיע על מצב הגדילה המקומי של זרימת המדרגות, וכתוצאה מכך לפגמי מורפולוגיה של פני השטח.

טבלה 1. גורמים להיווצרות פגמי מטריצה ​​נפוצים ופגמי מורפולוגיה פני השטח בשכבות אפיטקסיאליות של SiC

 

פגמים נקודתיים

פגמי נקודתיים נוצרים על ידי רווחים או חללים בנקודת סריג אחת או במספר נקודות סריג, ואין להם הרחבה מרחבית. פגמי נקודתיים עשויים להתרחש בכל תהליך ייצור, במיוחד בהשתלת יונים. עם זאת, קשה לאתר אותם, והקשר בין טרנספורמציה של פגמי נקודתיים לפגמים אחרים הוא גם מורכב למדי.

 

מיקרופיפס (MP)

מיקרו-צינורות הם פריקות בורג חלול המתפשטות לאורך ציר הצמיחה, עם וקטור בורגרס <0001>. קוטר המיקרו-צינורות נע בין חלקיק מיקרון לעשרות מיקרונים. מיקרו-צינורות מציגים מאפיינים גדולים דמויי גומה על פני השטח של פרוסות SiC. בדרך כלל, צפיפות המיקרו-צינורות היא כ-0.1~1 ס"מ-2 וממשיכה לרדת בניטור איכות ייצור פרוסות מסחריות.

 

נקעי בורג (TSD) וקעי קצה (TED)

נקעים ב-SiC הם המקור העיקרי להידרדרות וכשל של התקנים. גם נקעים בבורג (TSD) וגם נקעים בקצה (TED) עוברים לאורך ציר הצמיחה, עם וקטורי בורגר של <0001> ו-1/3<11–20>, בהתאמה.

גם נקעי בורג (TSD) וגם נקעי קצה (TED) יכולים להתפשט מהמצע אל פני השטח של הוופל ולהביא מאפיינים קטנים דמויי גומה (איור 4ב). בדרך כלל, צפיפות נקעי הקצה היא פי 10 בערך מזו של נקעי בורג. נקעי בורג מורחבים, כלומר, המשתרעים מהמצע אל השכבה העליונה, עשויים גם הם להפוך לפגמים אחרים ולהתפשט לאורך ציר הצמיחה. במהלךאפיטקסיאלי SiCצמיחה, נקעים בבורג מומרים לשבירת תקלות (SF) או פגמי גזר, בעוד שנקעים בקצה באפישכבות מוצגים כמומרים מנקעים במישור הבסיסי (BPD) שעוברים בירושה מהמצע במהלך צמיחה אפיטקסיאלית.

 

פריקה בסיסית של מישור (BPD)

ממוקמים על מישור הבסיס של SiC, עם וקטור בורגרס של 1/3 <11–20>. BPDs מופיעים לעיתים רחוקות על פני פרוסות SiC. הם בדרך כלל מרוכזים על המצע בצפיפות של 1500 סמ"ר, בעוד שצפיפותם באפי-שכבה היא רק כ-10 סמ"ר. זיהוי BPDs באמצעות פוטולומינסנציה (PL) מראה מאפיינים ליניאריים, כפי שמוצג באיור 4c. במהלךאפיטקסיאלי SiCצמיחה, BPDs מורחבים עשויים להפוך לשבירת שגיאות (SF) או נקעי קצה (TED).

 

תקלות ערימה (SFs)

פגמים ברצף הערימה של מישור הבסיס של SiC. תקלות הערימה יכולות להופיע בשכבה האפיטקסיאלית על ידי ירושה של SFs במצע, או להיות קשורות להארכה ולטרנספורמציה של נקעים במישור הבסיסי (BPDs) ותזזות של בורגי הברגה (TSDs). באופן כללי, צפיפות ה-SFs קטנה מ-1 cm-2, והן מציגות מאפיין משולש כאשר הן מזוהות באמצעות PL, כפי שמוצג באיור 4e. עם זאת, סוגים שונים של תקלות הערימה יכולים להיווצר ב-SiC, כגון סוג שוקלי וסוג פרנק, מכיוון שאפילו כמות קטנה של אי סדר אנרגטי בערימה בין מישורים יכולה להוביל לחוסר סדירות ניכר ברצף הערימה.

 

נְפִילָה

פגם הנפילה נובע בעיקר מנפילת חלקיקים על הקירות העליונים והצדדיים של תא התגובה במהלך תהליך הגידול, וניתן לייעל אותו על ידי אופטימיזציה של תהליך התחזוקה התקופתי של חומרי הגראפיט המתכלים של תא התגובה.

 

פגם משולש

זהו תכליל פוליטיפ 3C-SiC המשתרע עד לפני השטח של שכבת ה-SiC לאורך כיוון המישור הבסיסי, כפי שמוצג באיור 4g. ייתכן שהוא נוצר על ידי חלקיקים הנופלים על פני השטח של שכבת ה-SiC במהלך גדילה אפיטקסיאלית. החלקיקים משובצים בשכבה ומפריעים לתהליך הגדילה, וכתוצאה מכך נוצרים תכלילים פוליטיפ 3C-SiC, המציגים מאפייני פני שטח משולשים בעלי זווית חדה כאשר החלקיקים ממוקמים בקודקודי האזור המשולש. מחקרים רבים ייחסו גם את מקור תכלילי הפוליטיפ לשריטות פני השטח, מיקרו-צינורות ופרמטרים לא תקינים של תהליך הגדילה.

 

פגם בגזר

פגם גזר הוא קומפלקס שבר ערימה בעל שני קצוות הממוקמים במישורי הגביש הבסיסיים TSD ו-SF, המסתיימים בתזוזה מסוג Frank, וגודל פגם הגזר קשור לשבר הערימה המנסרמטי. שילוב המאפיינים הללו יוצר את המורפולוגיה פני השטח של פגם הגזר, שנראה כמו צורת גזר עם צפיפות של פחות מ-1 סמ"ר, כפי שמוצג באיור 4f. פגמי גזר נוצרים בקלות בשריטות ליטוש, TSD או פגמי מצע.

 

שריטות

שריטות הן נזקים מכניים על פני השטח של פרוסות SiC הנוצרות במהלך תהליך הייצור, כפי שמוצג באיור 4h. שריטות על מצע ה-SiC עלולות להפריע לצמיחת השכבה העליונה, לייצר שורה של נקעים בצפיפות גבוהה בתוך השכבה העליונה, או שריטות עלולות להפוך לבסיס להיווצרות פגמים בולטים. לכן, חשוב מאוד ללטש כראוי פרוסות SiC מכיוון ששריטות אלו יכולות להשפיע באופן משמעותי על ביצועי המכשיר כאשר הן מופיעות באזור הפעיל של המכשיר.

 

פגמים נוספים במורפולוגיה של פני השטח

אגירה מדורגת היא פגם פני שטח שנוצר במהלך תהליך הגידול האפיטקסיאלי של SiC, היוצר משולשים קהים או מאפיינים טרפזואליים על פני השטח של שכבת ה-SiC. ישנם פגמי שטח רבים אחרים, כגון בורות, בליטות וכתמים על פני השטח. פגמים אלה נגרמים בדרך כלל מתהליכי גידול לא אופטימליים והסרה חלקית של נזקי ליטוש, דבר המשפיע לרעה על ביצועי המכשיר.