De kerntechnologie voor de groei vanSiC epitaxiaalMateriaalonderzoek richt zich in de eerste plaats op defectbeheersingstechnologie, met name op defectbeheersingstechnologie die gevoelig is voor apparaatfalen of betrouwbaarheidsvermindering. De studie van het mechanisme waarmee substraatdefecten zich tijdens het epitaxiale groeiproces uitbreiden naar de epitaxiale laag, de overdrachts- en transformatiewetten van defecten op het grensvlak tussen het substraat en de epitaxiale laag, en het nucleatiemechanisme van defecten vormen de basis voor het ophelderen van de correlatie tussen substraatdefecten en epitaxiale structurele defecten. Dit kan effectief leidend zijn bij de selectie van substraten en de optimalisatie van het epitaxiale proces.
De gebreken vansiliciumcarbide epitaxiale lagenDefecten worden hoofdzakelijk in twee categorieën verdeeld: kristaldefecten en oppervlaktemorfologiedefecten. Kristaldefecten, waaronder puntdefecten, schroefdislocaties, microtubuledefecten, randdislocaties, enz., ontstaan meestal door defecten op SiC-substraten en diffunderen in de epitaxiale laag. Oppervlaktemorfologiedefecten kunnen direct met het blote oog onder een microscoop worden waargenomen en hebben typische morfologische kenmerken. Oppervlaktemorfologiedefecten omvatten hoofdzakelijk: krassen, driehoekige defecten, worteldefecten, instortingen en deeltjes, zoals weergegeven in figuur 4. Tijdens het epitaxiale proces kunnen vreemde deeltjes, substraatdefecten, oppervlakteschade en afwijkingen in het epitaxiale proces allemaal de lokale stapstroomgroei beïnvloeden, wat resulteert in oppervlaktemorfologiedefecten.
Tabel 1. Oorzaken voor het ontstaan van veelvoorkomende matrixdefecten en oppervlaktemorfologiedefecten in SiC-epitaxiale lagen.
Puntdefecten
Puntdefecten worden gevormd door lege plekken of gaten op één of meerdere roosterpunten en hebben geen ruimtelijke uitbreiding. Puntdefecten kunnen in elk productieproces voorkomen, met name bij ionenimplantatie. Ze zijn echter moeilijk te detecteren en de relatie tussen de transformatie van puntdefecten en andere defecten is bovendien vrij complex.
Micropipes (MP)
Microbuizen zijn holle schroefdislocaties die zich voortplanten langs de groei-as, met een Burgers-vector <0001>. De diameter van microbuizen varieert van een fractie van een micron tot tientallen microns. Microbuizen vertonen grote putachtige oppervlaktestructuren op het oppervlak van SiC-wafers. De dichtheid van microbuizen is doorgaans ongeveer 0,1 tot 1 cm⁻² en neemt verder af tijdens de kwaliteitscontrole van commerciële waferproductie.
Schroefdislocaties (TSD) en randdislocaties (TED)
Dislocaties in SiC zijn de belangrijkste oorzaak van degradatie en uitval van apparaten. Zowel schroefdislocaties (TSD) als randdislocaties (TED) lopen langs de groei-as, met Burgers-vectoren van respectievelijk <0001> en 1/3<11–20>.
Zowel schroefdislocaties (TSD) als randdislocaties (TED) kunnen zich uitstrekken van het substraat tot het waferoppervlak en kleine putachtige oppervlaktestructuren veroorzaken (Figuur 4b). De dichtheid van randdislocaties is doorgaans ongeveer tien keer zo hoog als die van schroefdislocaties. Uitgebreide schroefdislocaties, dat wil zeggen dislocaties die zich uitstrekken van het substraat tot de epitaxiale laag, kunnen ook transformeren in andere defecten en zich voortplanten langs de groei-as. TijdensSiC epitaxiaalTijdens de groei worden schroefdislocaties omgezet in stapelfouten (SF) of worteldefecten, terwijl randdislocaties in epitaxiale lagen blijken te ontstaan uit basale vlakdislocaties (BPD's) die tijdens de epitaxiale groei van het substraat zijn overgenomen.
Basisvlakdislocatie (BPD)
Gelegen op het SiC-basale vlak, met een Burgers-vector van 1/3 <11–20>. BPD's verschijnen zelden op het oppervlak van SiC-wafers. Ze zijn meestal geconcentreerd op het substraat met een dichtheid van 1500 cm⁻², terwijl hun dichtheid in de epitaxiale laag slechts ongeveer 10 cm⁻² bedraagt. Detectie van BPD's met behulp van fotoluminescentie (PL) toont lineaire kenmerken, zoals weergegeven in figuur 4c. TijdensSiC epitaxiaalBij groei kunnen uitgebreide BPD's worden omgezet in stapelfouten (SF) of randdislocaties (TED).
Stapelingsfouten (SF's)
Defecten in de stapelvolgorde van het SiC-basale vlak. Stapelfouten kunnen in de epitaxiale laag ontstaan door het overerven van stapelfouten in het substraat, of gerelateerd zijn aan de uitbreiding en transformatie van basale vlakdislocaties (BPD's) en schroefdislocaties (TSD's). Over het algemeen is de dichtheid van stapelfouten minder dan 1 cm⁻², en vertonen ze een driehoekige vorm wanneer ze met behulp van PL worden gedetecteerd, zoals weergegeven in figuur 4e. Er kunnen echter verschillende soorten stapelfouten in SiC ontstaan, zoals Shockley-type en Frank-type, omdat zelfs een kleine hoeveelheid verstoring van de stapelenergie tussen vlakken kan leiden tot een aanzienlijke onregelmatigheid in de stapelvolgorde.
Ondergang
Het defect dat ontstaat door het afbrokkelen van de deeltjes op de boven- en zijwanden van de reactiekamer tijdens het groeiproces, kan worden geoptimaliseerd door het periodieke onderhoud van de grafietverbruiksmaterialen in de reactiekamer te verbeteren.
Driehoekig defect
Het betreft een 3C-SiC-polytype-insluiting die zich uitstrekt tot het oppervlak van de SiC-epilaag langs de richting van het basale vlak, zoals weergegeven in figuur 4g. Deze insluiting kan ontstaan door vallende deeltjes op het oppervlak van de SiC-epilaag tijdens de epitaxiale groei. De deeltjes worden in de epilaag ingebed en verstoren het groeiproces, wat resulteert in 3C-SiC-polytype-insluitingen. Deze insluitingen vertonen scherphoekige driehoekige oppervlaktekenmerken, waarbij de deeltjes zich op de hoekpunten van het driehoekige gebied bevinden. Veel studies hebben de oorsprong van polytype-insluitingen ook toegeschreven aan krassen op het oppervlak, micropijpen en onjuiste parameters van het groeiproces.
worteldefect
Een wortelvormig defect is een complex van stapelfouten met twee uiteinden die zich bevinden op de basale kristalvlakken van TSD en SF, afgesloten door een Frank-type dislocatie. De grootte van het wortelvormige defect is gerelateerd aan de prismatische stapelfout. De combinatie van deze kenmerken vormt de oppervlaktemorfologie van het wortelvormige defect, dat eruitziet als een wortel met een dichtheid van minder dan 1 cm⁻², zoals weergegeven in figuur 4f. Wortelvormige defecten ontstaan gemakkelijk bij polijstkrassen, TSD's of substraatdefecten.
Krassen
Krassen zijn mechanische beschadigingen aan het oppervlak van SiC-wafers die tijdens het productieproces ontstaan, zoals weergegeven in figuur 4h. Krassen op het SiC-substraat kunnen de groei van de epitaxiale laag verstoren, een rij van dislocaties met een hoge dichtheid binnen de epitaxiale laag veroorzaken, of de basis vormen voor de vorming van wortelvormige defecten. Daarom is het cruciaal om SiC-wafers goed te polijsten, omdat deze krassen een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de prestaties van het apparaat wanneer ze in het actieve gebied van het apparaat verschijnen.
Andere defecten in de oppervlaktemorfologie
Stapbundeling is een oppervlaktefout die ontstaat tijdens het epitaxiale groeiproces van SiC. Deze fout produceert stompe driehoeken of trapeziumvormige structuren op het oppervlak van de SiC-epilaag. Er zijn veel andere oppervlaktefouten, zoals putjes, bultjes en vlekken. Deze fouten worden meestal veroorzaakt door niet-geoptimaliseerde groeiprocessen en onvolledige verwijdering van polijstschade, wat de prestaties van het apparaat negatief beïnvloedt.
Geplaatst op: 05-06-2024