Какие дефекты наблюдаются в эпитаксиальном слое карбида кремния?

Ключевая технология для ростаЭпитаксиальный SiCВ первую очередь, это технология контроля дефектов в материалах, особенно в тех областях, где дефекты могут приводить к отказам устройств или снижению надежности. Изучение механизма распространения дефектов подложки в эпитаксиальный слой в процессе эпитаксиального роста, закономерностей переноса и трансформации дефектов на границе раздела между подложкой и эпитаксиальным слоем, а также механизма зарождения дефектов является основой для выяснения взаимосвязи между дефектами подложки и эпитаксиальными структурными дефектами, что может эффективно направлять отбор подложек и оптимизацию процесса эпитаксиального роста.

Недостаткиэпитаксиальные слои карбида кремнияВ основном, дефекты кристаллической структуры делятся на две категории: дефекты морфологии кристаллов и дефекты морфологии поверхности. Дефекты кристаллической структуры, включая точечные дефекты, винтовые дислокации, дефекты микротрубочек, краевые дислокации и т. д., в основном возникают из дефектов на подложках SiC и распространяются в эпитаксиальный слой. Дефекты морфологии поверхности можно непосредственно наблюдать невооруженным глазом под микроскопом, и они имеют типичные морфологические характеристики. К дефектам морфологии поверхности относятся: царапины, треугольные дефекты, дефекты в виде моркови, осыпания и частицы, как показано на рисунке 4. В процессе эпитаксии посторонние частицы, дефекты подложки, повреждения поверхности и отклонения в процессе эпитаксии могут влиять на локальный режим роста ступеней, 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 щелями в одной или нескольких точках кристаллической решетки и не имеют пространственного распространения. Точечные дефекты могут возникать в любом производственном процессе, особенно при ионной имплантации. Однако их трудно обнаружить, а взаимосвязь между превращением точечных дефектов и другими дефектами 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 имеют крупные ямкообразные поверхностные структуры на поверхности кремниевых пластин. Как правило, плотность микротрубок составляет около 0,1–1 см⁻² и продолжает снижаться при контроле качества в коммерческом производстве пластин.

 

Винтовые дислокации (TSD) и краевые дислокации (TED)

Дислокации в SiC являются основной причиной деградации и выхода из строя устройств. Как винтовые дислокации (TSD), так и краевые дислокации (TED) движутся вдоль оси роста, имея векторы Бюргерса <0001> и 1/3<11–20> соответственно.

Как винтовые дислокации (ВДД), так и краевые дислокации (КДД) могут распространяться от подложки к поверхности пластины, образуя небольшие ямкообразные поверхностные дефекты (рис. 4б). Как правило, плотность краевых дислокаций примерно в 10 раз выше, чем плотность винтовых дислокаций. Расширенные винтовые дислокации, то есть дислокации, распространяющиеся от подложки к эпитаксиальному слою, также могут трансформироваться в другие дефекты и распространяться вдоль оси роста.Эпитаксиальный SiCВ процессе роста винтовые дислокации преобразуются в дефекты упаковки (ДУ) или «морковные» дефекты, тогда как краевые дислокации в эпитаксиальных слоях, как показано, преобразуются из дислокаций базисной плоскости (ДБП), унаследованных от подложки в процессе эпитаксиального роста.

 

Дислокация основной плоскости (ДПЛ)

Расположены на базальной плоскости SiC с вектором Бюргерса 1/3 <11–20>. Дифракционные картины Бюргерса редко появляются на поверхности кремниевых 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 дифракционных картин Бюргерса с помощью фотолюминесценции (ФЛ) показывает линейные особенности, как показано на рисунке 4c. Во времяЭпитаксиальный SiCВ результате роста протяженные дислокации БПД могут трансформироваться в дефекты упаковки (ДУ) или краевые дислокации (КДД).

 

Дефекты упаковки (SF)

Дефекты в последовательности укладки базисной плоскости SiC. Дефекты упаковки могут возникать в эпитаксиальном слое в результате наследования дефектов упаковки в подложке или быть связаны с распространением и трансформацией дислокаций базисной плоскости (ДБП) и винтовых дислокаций (ВФД). Как правило, плотность дефектов упаковки составляет менее 1 см⁻², и при обнаружении с помощью фотолюминесценции они имеют треугольную форму, как показано на рисунке 4e. Однако в SiC могут образовываться различные типы дефектов упаковки, такие как дефекты типа Шоккли и типа Франка, поскольку даже небольшое нарушение энергии упаковки между плоскостями может привести к значительной нерегулярности в последовательности укладки.

 

Падение

Основной причиной падения частиц является их отслоение от верхней и боковых стенок реакционной камеры в процессе роста, что можно оптимизировать путем усовершенствования процесса периодического технического обслуживания графитовых расходных материалов реакционной камеры.

 

Треугольный дефект

Это полиморфное включение 3C-SiC, распространяющееся на поверхность эпитаксиального слоя SiC вдоль направления базисной плоскости, как показано на рисунке 4g. Оно может образовываться из частиц, падающих на поверхность эпитаксиального слоя SiC во время эпитаксиального роста. Частицы внедряются в эпитаксиальный слой и мешают процессу роста, в результате чего образуются полиморфные включения 3C-SiC, которые имеют остроугольные треугольные поверхностные структуры, причем частицы расположены в вершинах треугольной области. Во многих исследованиях происхождение полиморфных включений также связывают с царапинами на поверхности, микротрубочками и неправильными параметрами процесса роста.

 

Дефект моркови

Дефект типа «морковь» представляет собой комплекс дефектов упаковки с двумя концами, расположенными на базальных кристаллических плоскостях TSD и SF, и заканчивается дислокацией типа Франка. Размер дефекта типа «морковь» зависит от размера призматического дефекта упаковки. Сочетание этих особенностей формирует морфологию поверхности дефекта типа «морковь», который имеет форму моркови с плотностью менее 1 см⁻², как показано на рисунке 4f. Дефекты типа «морковь» легко образуются в местах царапин при полировке, дефектов TSD или дефектов подложки.

 

Царапины

Царапины представляют собой механические повреждения на поверхности кремниево-карбидных пластин, образующиеся в процессе производства, как показано на рисунке 4h. Царапины на кремниево-карбидной подложке могут препятствовать росту эпитаксиального слоя, приводить к образованию ряда дислокаций высокой плотности внутри эпитаксиального слоя или стать основой для образования дефектов в виде «моркови». Поэтому крайне важно правильно полировать кремниево-карбидные пластины, поскольку эти царапины могут существенно повлиять на характеристики устройства, если они появляются в активной области устройства.

 

Другие дефекты морфологии поверхности

Образование ступенчатых скоплений — это поверхностный дефект, формирующийся в процессе эпитаксиального роста SiC, который приводит к появлению тупоугольных или трапециевидных образований на поверхности эпитаксиального слоя SiC. Существует множество других поверхностных дефектов, таких как ямки, бугорки и пятна. Эти дефекты обычно вызваны неоптимизированными процессами роста и неполным удалением повреждений, возникших в результате полировки, что негативно сказывается на характеристиках устройства.