成長のためのコアテクノロジーSiCエピタキシャル材料研究において最も重要なのは、欠陥制御技術、特にデバイスの故障や信頼性低下につながる欠陥制御技術です。エピタキシャル成長過程における基板欠陥がエピタキシャル層に伝播するメカニズム、基板とエピタキシャル層の界面における欠陥の伝達・変換法則、および欠陥の核生成メカニズムの研究は、基板欠陥とエピタキシャル構造欠陥の相関関係を解明するための基礎となり、基板の選定やエピタキシャルプロセスの最適化を効果的に導くことができます。
欠陥炭化ケイ素エピタキシャル層表面形態欠陥は主に結晶欠陥と表面形態欠陥の 2 つのカテゴリに分けられます。点欠陥、らせん転位、微小管欠陥、刃状転位などの結晶欠陥は、主に SiC 基板上の欠陥に起因し、エピタキシャル層に拡散します。表面形態欠陥は、顕微鏡を使用して肉眼で直接観察でき、典型的な形態的特徴があります。表面形態欠陥には、主に図 4 に示すように、傷、三角形欠陥、ニンジン欠陥、落下、および粒子が含まれます。エピタキシャルプロセス中、異物、基板欠陥、表面損傷、およびエピタキシャルプロセスのずれはすべて、局所的なステップフロー成長モードに影響を与え、表面形態欠陥を引き起こす可能性があります。
表1. SiCエピタキシャル層における一般的なマトリックス欠陥および表面形態欠陥の形成原因
点欠陥
点欠陥は、単一または複数の格子点における空孔や隙間によって形成され、空間的な広がりを持たない。点欠陥は、あらゆる製造工程、特にイオン注入工程で発生する可能性がある。しかし、点欠陥の検出は困難であり、点欠陥と他の欠陥との変換関係も非常に複雑である。
マイクロパイプ（MP）
マイクロパイプは、成長軸に沿って伝播する中空のらせん転位であり、バーガースベクトルは<0001>です。マイクロチューブの直径は、数ミクロンから数十ミクロンまで様々です。マイクロチューブは、SiCウェーハの表面に大きなピット状の表面構造を示します。一般的に、マイクロチューブの密度は約0.1～1cm⁻²であり、市販のウェーハ製造における品質監視では減少し続けています。
らせん転位（TSD）と刃状転位（TED）
SiCにおける転位は、デバイスの劣化や故障の主な原因である。らせん転位（TSD）と刃状転位（TED）はどちらも成長軸に沿って発生し、バーガースベクトルはそれぞれ<0001>と1/3<11–20>である。
らせん転位（TSD）と刃状転位（TED）はどちらも基板からウェーハ表面まで伸び、小さなピット状の表面構造を引き起こす可能性があります（図4b）。一般的に、刃状転位の密度はらせん転位の約10倍です。基板からエピ層まで伸びる拡張らせん転位は、他の欠陥に変化し、成長軸に沿って伝播することもあります。SiCエピタキシャル成長に伴い、らせん転位は積層欠陥（SF）またはキャロット欠陥に変換される一方、エピタキシャル層中の刃状転位は、エピタキシャル成長中に基板から受け継がれた基底面転位（BPD）から変換されることが示されている。
基本平面転位（BPD）
SiC基底面上に位置し、バーガースベクトルは1/3 <11–20>である。BPDはSiCウェーハ表面にはまれにしか現れない。通常、基板上に1500 cm-2の密度で集中しているが、エピ層中の密度は約10 cm-2に過ぎない。フォトルミネッセンス（PL）を用いたBPDの検出では、図4cに示すように線状の特徴が観察される。SiCエピタキシャル成長に伴い、拡張されたBPDは積層欠陥（SF）または刃状転位（TED）に変換される可能性がある。
スタッキングフォールト（SF）
SiC基底面の積層順序の欠陥。積層欠陥は、基板中の積層欠陥を継承することによってエピタキシャル層に現れる場合もあれば、基底面転位（BPD）と貫通らせん転位（TSD）の拡張と変換に関連している場合もある。一般的に、積層欠陥の密度は1 cm-2未満であり、図4eに示すように、PLを使用して検出すると三角形の特徴を示す。しかし、SiCでは、面間のわずかな積層エネルギーの乱れでも積層順序にかなりの不規則性が生じる可能性があるため、ショックレー型やフランク型など、さまざまな種類の積層欠陥が形成される可能性がある。
没落
落下欠陥は主に、成長プロセス中に反応室の上部および側壁に粒子が落下することに起因するものであり、反応室の黒鉛消耗品の定期メンテナンスプロセスを最適化することで改善できる。
三角形の欠陥
図4gに示すように、これは基底面方向に沿ってSiCエピ層の表面まで伸びる3C-SiCポリタイプインクルージョンです。これは、エピタキシャル成長中にSiCエピ層の表面に落下する粒子によって生成される可能性があります。粒子はエピ層に埋め込まれ、成長プロセスを妨害し、その結果、3C-SiCポリタイプインクルージョンが生成されます。このインクルージョンは、三角形領域の頂点に粒子が位置する鋭角な三角形の表面特徴を示します。多くの研究では、ポリタイプインクルージョンの発生原因として、表面の傷、マイクロパイプ、および成長プロセスの不適切なパラメータも挙げられています。
ニンジンの欠陥
キャロット欠陥は、TSDとSFの基底面結晶面に両端を持つ積層欠陥複合体であり、フランク型転位によって終端され、キャロット欠陥のサイズは柱状積層欠陥に関連しています。これらの特徴の組み合わせにより、図4fに示すように、密度が1cm-2未満のニンジン形状のキャロット欠陥の表面形態が形成されます。キャロット欠陥は、研磨傷、TSD、または基板欠陥で容易に形成されます。
傷
図4hに示すように、傷は製造工程中にSiCウェーハの表面に生じる機械的な損傷です。SiC基板上の傷は、エピ層の成長を妨げたり、エピ層内に高密度の転位列を生成したり、キャロット欠陥の形成の起点となる可能性があります。そのため、デバイスの活性領域に傷が生じるとデバイス性能に大きな影響を与える可能性があるため、SiCウェーハを適切に研磨することが非常に重要です。
その他の表面形態欠陥
ステップバンチングは、SiCエピタキシャル成長プロセス中に形成される表面欠陥であり、SiCエピ層の表面に鈍角三角形または台形の形状を生じさせます。表面欠陥には、表面ピット、バンプ、汚れなど、他にも多くの種類があります。これらの欠陥は通常、最適化されていない成長プロセスや研磨による損傷の除去が不十分なことが原因で発生し、デバイスの性能に悪影響を及ぼします。
投稿日時：2024年6月5日