Каковы дефекты эпитаксиального слоя карбида кремния?

Основная технология для ростаэпитаксиальный SiCматериалы - это, прежде всего, технология контроля дефектов, особенно для технологии контроля дефектов, которая склонна к отказу устройства или снижению надежности. Изучение механизма распространения дефектов подложки в эпитаксиальный слой в процессе эпитаксиального роста, законов переноса и трансформации дефектов на границе между подложкой и эпитаксиальным слоем, а также механизма зарождения дефектов являются основой для выяснения корреляции между дефектами подложки и эпитаксиальными структурными дефектами, что может эффективно направлять скрининг подложки и оптимизацию эпитаксиального процесса.

Дефектыэпитаксиальные слои карбида кремнияв основном делятся на две категории: дефекты кристаллов и дефекты морфологии поверхности. Дефекты кристаллов, включая точечные дефекты, винтовые дислокации, дефекты микротрубочек, краевые дислокации и т. д., в основном возникают из-за дефектов на подложках SiC и диффундируют в эпитаксиальный слой. Дефекты морфологии поверхности можно непосредственно наблюдать невооруженным глазом с помощью микроскопа, и они имеют типичные морфологические характеристики. Дефекты морфологии поверхности в основном включают: царапину, треугольный дефект, дефект моркови, падение и частицу, как показано на рисунке 4. Во время эпитаксиального процесса посторонние частицы, дефекты подложки, повреждение поверхности и отклонения эпитаксиального процесса могут влиять на локальный режим роста ступенчатого потока, что приводит к дефектам морфологии поверхности.

Таблица 1. Причины образования распространенных дефектов матрицы и дефектов морфологии поверхности в эпитаксиальных слоях SiC

 

Точечные дефекты

Точечные дефекты образуются вакансиями или зазорами в одной или нескольких точках решетки и не имеют пространственного расширения. Точечные дефекты могут возникать в каждом производственном процессе, особенно при ионной имплантации. Однако их трудно обнаружить, а связь между трансформацией точечных дефектов и других дефектов также довольно сложна.

 

Микротрубки (МП)

Микротрубки представляют собой полые винтовые дислокации, распространяющиеся вдоль оси роста с вектором Бюргерса <0001>. Диаметр микротрубок варьируется от долей микрона до десятков микрон. Микротрубки демонстрируют крупные ямкообразные поверхностные особенности на поверхности пластин SiC. Обычно плотность микротрубок составляет около 0,1~1 см-2 и продолжает уменьшаться при контроле качества производства коммерческих пластин.

 

Винтовые дислокации (ВД) и краевые дислокации (КД)

Дислокации в SiC являются основным источником деградации и выхода из строя устройств. Как винтовые дислокации (TSD), так и краевые дислокации (TED) проходят вдоль оси роста с векторами Бюргерса <0001> и 1/3<11–20> соответственно.

Как винтовые дислокации (TSD), так и краевые дислокации (TED) могут распространяться от подложки к поверхности пластины и приносить небольшие ямкообразные поверхностные особенности (рисунок 4b). Обычно плотность краевых дислокаций примерно в 10 раз превышает плотность винтовых дислокаций. Расширенные винтовые дислокации, то есть простирающиеся от подложки к эпитаксиальному слою, также могут трансформироваться в другие дефекты и распространяться вдоль оси роста. Во времяэпитаксиальный SiCВ процессе роста винтовые дислокации преобразуются в дефекты упаковки (ДУ) или дефекты типа «морковь», в то время как краевые дислокации в эпитаксиальных слоях преобразуются из дислокаций базисной плоскости (ДБП), унаследованных от подложки во время эпитаксиального роста.

 

Базовая плоскостная дислокация (БПД)

Расположены на базальной плоскости SiC с вектором Бюргерса 1/3 <11–20>. ППД редко появляются на поверхности пластин SiC. Обычно они концентрируются на подложке с плотностью 1500 см-2, тогда как их плотность в эпитаксиальном слое составляет всего около 10 см-2. Обнаружение ППД с помощью фотолюминесценции (ФЛ) показывает линейные особенности, как показано на рисунке 4c. Во времяэпитаксиальный SiCроста, протяженные БПД могут преобразовываться в дефекты упаковки (ДУ) или краевые дислокации (КД).

 

Дефекты упаковки (SF)

Дефекты в последовательности укладки базальной плоскости SiC. Дефекты упаковки могут появляться в эпитаксиальном слое, наследуя SF в подложке, или быть связаны с расширением и трансформацией дислокаций базальной плоскости (BPD) и винтовых дислокаций (TSD). Как правило, плотность SF составляет менее 1 см-2, и они демонстрируют треугольную форму при обнаружении с помощью PL, как показано на рисунке 4e. Однако в SiC могут образовываться различные типы дефектов упаковки, такие как тип Шокли и тип Франка, поскольку даже небольшое количество беспорядка энергии укладки между плоскостями может привести к значительной нерегулярности в последовательности укладки.

 

Падение

Дефект падения в основном возникает из-за падения частиц на верхнюю и боковые стенки реакционной камеры во время процесса роста, который можно оптимизировать за счет оптимизации процесса периодического обслуживания расходных графитовых материалов реакционной камеры.

 

Треугольный дефект

Это включение политипа 3C-SiC, которое простирается до поверхности эпитаксиального слоя SiC вдоль направления базальной плоскости, как показано на рисунке 4g. Оно может быть образовано падающими частицами на поверхность эпитаксиального слоя SiC во время эпитаксиального роста. Частицы внедряются в эпитаксиальный слой и мешают процессу роста, что приводит к включению политипа 3C-SiC, которое показывает остроугольные треугольные поверхностные особенности с частицами, расположенными в вершинах треугольной области. Многие исследования также приписывают происхождение включений политипа поверхностным царапинам, микротрубкам и неправильным параметрам процесса роста.

 

Дефект моркови

Дефект моркови представляет собой комплекс дефектов упаковки с двумя концами, расположенными на базальных кристаллических плоскостях TSD и SF, заканчивающийся дислокацией типа Франка, а размер дефекта моркови связан с призматическим дефектом упаковки. Сочетание этих особенностей формирует поверхностную морфологию дефекта моркови, которая выглядит как форма моркови с плотностью менее 1 см-2, как показано на рисунке 4f. Дефекты моркови легко образуются в царапинах полировки, TSD или дефектах подложки.

 

Царапины

Царапины — это механические повреждения на поверхности пластин SiC, образующиеся в процессе производства, как показано на рисунке 4h. Царапины на подложке SiC могут мешать росту эпитаксиального слоя, создавать ряд дислокаций высокой плотности внутри эпитаксиального слоя или царапины могут стать основой для образования дефектов типа «морковь». Поэтому крайне важно правильно полировать пластины SiC, поскольку эти царапины могут оказать существенное влияние на производительность устройства, если они появятся в активной области устройства.

 

Другие дефекты морфологии поверхности

Step Bunging — это дефект поверхности, образующийся в процессе эпитаксиального роста SiC, который приводит к образованию тупых треугольников или трапециевидных структур на поверхности эпитаксиального слоя SiC. Существует множество других дефектов поверхности, таких как поверхностные ямки, выпуклости и пятна. Эти дефекты обычно вызваны неоптимизированными процессами роста и неполным удалением полированных повреждений, что отрицательно влияет на производительность устройства.