A tecnologia central para o crescimento deSiC epitaxialA tecnologia de controle de defeitos em materiais é fundamental, especialmente para defeitos que podem levar a falhas ou degradação da confiabilidade do dispositivo. O estudo do mecanismo de propagação de defeitos do substrato para a camada epitaxial durante o processo de crescimento epitaxial, as leis de transferência e transformação de defeitos na interface entre o substrato e a camada epitaxial, e o mecanismo de nucleação de defeitos são a base para esclarecer a correlação entre defeitos do substrato e defeitos estruturais epitaxiais, o que pode orientar efetivamente a seleção de substratos e a otimização do processo epitaxial.
Os defeitos decamadas epitaxiais de carbeto de silícioOs defeitos de superfície são divididos principalmente em duas categorias: defeitos cristalinos e defeitos de morfologia superficial. Os defeitos cristalinos, incluindo defeitos pontuais, discordâncias helicoidais, defeitos microtubulares, discordâncias de aresta, etc., originam-se principalmente de defeitos nos substratos de SiC e se difundem na camada epitaxial. Os defeitos de morfologia superficial podem ser observados diretamente a olho nu com o auxílio de um microscópio e apresentam características morfológicas típicas. Os principais defeitos de morfologia superficial incluem: arranhões, defeitos triangulares, defeitos em forma de cenoura, declives e partículas, conforme mostrado na Figura 4. Durante o processo epitaxial, partículas estranhas, defeitos no substrato, danos na superfície e desvios no processo epitaxial podem afetar o modo de crescimento local por fluxo de degraus, resultando em defeitos de morfologia superficial.
Tabela 1. Causas da formação de defeitos comuns na matriz e defeitos na morfologia da superfície em camadas epitaxiais de SiC.
defeitos pontuais
Os defeitos pontuais são formados por vacâncias ou lacunas em um único ponto da rede cristalina ou em vários pontos da rede, e não possuem extensão espacial. Podem ocorrer defeitos pontuais em todos os processos de produção, especialmente na implantação iônica. No entanto, são difíceis de detectar, e a relação entre a transformação de defeitos pontuais e outros defeitos também é bastante complexa.
Microtubos (MP)
Os microtubos são discordâncias helicoidais ocas que se propagam ao longo do eixo de crescimento, com um vetor de Burgers <0001>. O diâmetro dos microtubos varia de uma fração de mícron a dezenas de mícrons. Os microtubos apresentam grandes características superficiais semelhantes a cavidades na superfície de wafers de SiC. Tipicamente, a densidade de microtubos é de cerca de 0,1 a 1 cm⁻² e continua a diminuir no monitoramento da qualidade da produção comercial de wafers.
Deslocamentos helicoidais (TSD) e deslocamentos de aresta (TED)
As discordâncias no SiC são a principal fonte de degradação e falha do dispositivo. Tanto as discordâncias helicoidais (TSD) quanto as discordâncias de aresta (TED) se movem ao longo do eixo de crescimento, com vetores de Burgers de <0001> e 1/3<11–20>, respectivamente.
Tanto as discordâncias helicoidais (TSD) quanto as discordâncias de aresta (TED) podem se estender do substrato até a superfície do wafer, criando pequenas cavidades na superfície (Figura 4b). Tipicamente, a densidade de discordâncias de aresta é cerca de 10 vezes maior que a de discordâncias helicoidais. Discordâncias helicoidais estendidas, ou seja, que se estendem do substrato até a camada epitaxial, também podem se transformar em outros defeitos e se propagar ao longo do eixo de crescimento. DuranteSiC epitaxialDurante o crescimento epitaxial, as discordâncias helicoidais são convertidas em falhas de empilhamento (SF) ou defeitos em forma de cenoura, enquanto as discordâncias de borda nas camadas epitaxiais são convertidas a partir de discordâncias do plano basal (BPDs) herdadas do substrato.
Dislocação plana básica (BPD)
Localizados no plano basal do SiC, com um vetor de Burgers de 1/3 <11–20>, os BPDs raramente aparecem na superfície de wafers de SiC. Geralmente, concentram-se no substrato com uma densidade de 1500 cm⁻², enquanto sua densidade na camada epitaxial é de apenas cerca de 10 cm⁻². A detecção de BPDs por fotoluminescência (PL) mostra características lineares, como ilustrado na Figura 4c. DuranteSiC epitaxialDurante o crescimento, os BPDs estendidos podem ser convertidos em falhas de empilhamento (SF) ou deslocamentos de borda (TED).
Falhas de empilhamento (SFs)
Defeitos na sequência de empilhamento do plano basal do SiC. Falhas de empilhamento podem surgir na camada epitaxial devido à herança de falhas de empilhamento (SFs) no substrato, ou estar relacionadas à extensão e transformação de discordâncias do plano basal (BPDs) e discordâncias helicoidais (TSDs). Geralmente, a densidade de SFs é inferior a 1 cm⁻², e elas exibem uma característica triangular quando detectadas por fotoluminescência (PL), como mostrado na Figura 4e. No entanto, vários tipos de falhas de empilhamento podem ser formados no SiC, como as do tipo Shockley e do tipo Frank, pois mesmo uma pequena quantidade de desordem na energia de empilhamento entre os planos pode levar a uma irregularidade considerável na sequência de empilhamento.
Queda
O defeito de desprendimento origina-se principalmente da queda de partículas nas paredes superiores e laterais da câmara de reação durante o processo de crescimento, o que pode ser otimizado através da otimização do processo de manutenção periódica dos consumíveis de grafite da câmara de reação.
Defeito triangular
Trata-se de uma inclusão do politipo 3C-SiC que se estende até a superfície da camada epitaxial de SiC ao longo da direção do plano basal, conforme mostrado na Figura 4g. Ela pode ser gerada pela queda de partículas na superfície da camada epitaxial de SiC durante o crescimento epitaxial. As partículas ficam incorporadas na camada epitaxial e interferem no processo de crescimento, resultando em inclusões do politipo 3C-SiC, que apresentam características superficiais triangulares com ângulos agudos, com as partículas localizadas nos vértices da região triangular. Muitos estudos também atribuíram a origem das inclusões do politipo a arranhões superficiais, microporos e parâmetros inadequados do processo de crescimento.
Defeito na cenoura
Um defeito em forma de cenoura é um complexo de falhas de empilhamento com duas extremidades localizadas nos planos cristalinos basais TSD e SF, terminado por uma discordância do tipo Frank, e o tamanho do defeito em forma de cenoura está relacionado à falha de empilhamento prismática. A combinação dessas características forma a morfologia da superfície do defeito em forma de cenoura, que se assemelha a uma cenoura com densidade inferior a 1 cm⁻², como mostrado na Figura 4f. Os defeitos em forma de cenoura são facilmente formados em riscos de polimento, TSDs ou defeitos do substrato.
Arranhões
Arranhões são danos mecânicos na superfície de wafers de SiC formados durante o processo de produção, como mostrado na Figura 4h. Arranhões no substrato de SiC podem interferir no crescimento da camada epitaxial, produzir uma fileira de discordâncias de alta densidade dentro da camada epitaxial ou podem servir de base para a formação de defeitos em forma de cenoura. Portanto, é crucial polir adequadamente os wafers de SiC, pois esses arranhões podem ter um impacto significativo no desempenho do dispositivo quando aparecem na área ativa do mesmo.
Outros defeitos na morfologia da superfície
O agrupamento de degraus é um defeito superficial que se forma durante o processo de crescimento epitaxial de SiC, produzindo triângulos obtusos ou estruturas trapezoidais na superfície da camada epitaxial de SiC. Existem muitos outros defeitos superficiais, como cavidades, protuberâncias e manchas. Esses defeitos geralmente são causados por processos de crescimento não otimizados e remoção incompleta de danos causados pelo polimento, o que afeta negativamente o desempenho do dispositivo.
Data da publicação: 05/06/2024