ชั้นเอพิแทกเซียลซิลิกอนคาร์ไบด์มีข้อบกพร่องอะไรบ้าง

เทคโนโลยีหลักสำหรับการเติบโตของอิพิแทกเซียล SiCวัสดุเป็นเทคโนโลยีการควบคุมข้อบกพร่องในขั้นแรก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเทคโนโลยีการควบคุมข้อบกพร่องที่มีแนวโน้มว่าอุปกรณ์จะล้มเหลวหรือลดความน่าเชื่อถือ การศึกษาเกี่ยวกับกลไกของข้อบกพร่องของสารตั้งต้นที่ขยายไปถึงชั้นเอพิแทกเซียลในระหว่างกระบวนการเติบโตของเอพิแทกเซียล กฎการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องที่อินเทอร์เฟซระหว่างสารตั้งต้นและชั้นเอพิแทกเซียล และกลไกนิวเคลียสของข้อบกพร่องเป็นพื้นฐานสำหรับการชี้แจงความสัมพันธ์ระหว่างข้อบกพร่องของสารตั้งต้นและข้อบกพร่องทางโครงสร้างของเอพิแทกเซียล ซึ่งสามารถแนะนำการคัดกรองสารตั้งต้นและการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเอพิแทกเซียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อบกพร่องของชั้นเอพิแทกเซียลซิลิกอนคาร์ไบด์แบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลักๆ คือ ข้อบกพร่องของผลึกและข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิว ข้อบกพร่องของผลึก รวมถึงข้อบกพร่องที่จุด การเคลื่อนตัวของสกรู ข้อบกพร่องของไมโครทูบูล การเคลื่อนตัวของขอบ ฯลฯ ส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดมาจากข้อบกพร่องบนพื้นผิว SiC และแพร่กระจายเข้าไปในชั้นเอพิแทกเซียล ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวสามารถสังเกตได้โดยตรงด้วยตาเปล่าโดยใช้กล้องจุลทรรศน์และมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาทั่วไป ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวส่วนใหญ่ได้แก่ รอยขีดข่วน ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม ข้อบกพร่องของแครอท การตก และอนุภาค ตามที่แสดงในรูปที่ 4 ในระหว่างกระบวนการเอพิแทกเซียล อนุภาคแปลกปลอม ข้อบกพร่องของพื้นผิว ความเสียหายของพื้นผิว และการเบี่ยงเบนของกระบวนการเอพิแทกเซียล อาจส่งผลต่อโหมดการเติบโตของขั้นตอนการไหลในพื้นที่ ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิว

ตารางที่ 1 สาเหตุของการเกิดข้อบกพร่องของเมทริกซ์ทั่วไปและข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวในชั้นเอพิแทกเซียล SiC

 

จุดบกพร่อง

ข้อบกพร่องแบบจุดเกิดจากช่องว่างหรือจุดว่างที่จุดโครงตาข่ายจุดเดียวหรือหลายจุดโครงตาข่าย และไม่มีการขยายพื้นที่ ข้อบกพร่องแบบจุดอาจเกิดขึ้นได้ในทุกขั้นตอนการผลิต โดยเฉพาะในการฝังไอออน อย่างไรก็ตาม การตรวจจับข้อบกพร่องเหล่านี้ทำได้ยาก และความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องแบบจุดและข้อบกพร่องอื่นๆ ก็ค่อนข้างซับซ้อนเช่นกัน

 

ไมโครไพพ์ (MP)

ไมโครไพป์เป็นเกลียวกลวงที่เคลื่อนตัวไปตามแกนการเจริญเติบโต โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์ <0001> เส้นผ่านศูนย์กลางของไมโครไพป์มีตั้งแต่เศษเสี้ยวของไมครอนไปจนถึงสิบไมครอน ไมโครไพป์มีลักษณะพื้นผิวคล้ายหลุมขนาดใหญ่บนพื้นผิวของเวเฟอร์ SiC โดยทั่วไป ความหนาแน่นของไมโครไพป์อยู่ที่ประมาณ 0.1~1 ซม.-2 และยังคงลดลงอย่างต่อเนื่องในการตรวจสอบคุณภาพการผลิตเวเฟอร์เชิงพาณิชย์

 

การเคลื่อนตัวของสกรู (TSD) และการเคลื่อนตัวของขอบ (TED)

การเคลื่อนตัวของแกนใน SiC เป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพและความล้มเหลวของอุปกรณ์ ทั้งการเคลื่อนตัวของสกรู (TSD) และการเคลื่อนตัวของขอบ (TED) ดำเนินไปตามแกนการเติบโต โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์ <0001> และ 1/3 <11–20> ตามลำดับ

การเคลื่อนตัวของสกรู (TSD) และการเคลื่อนตัวของขอบ (TED) สามารถขยายจากพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ไปยังพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์และทำให้เกิดลักษณะพื้นผิวคล้ายหลุมขนาดเล็ก (รูปที่ 4b) โดยทั่วไป ความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวของขอบจะอยู่ที่ประมาณ 10 เท่าของการเคลื่อนตัวของสกรู การเคลื่อนตัวของสกรูที่ขยายออกไป ซึ่งก็คือ ขยายจากพื้นผิวไปยังชั้นนอก อาจเปลี่ยนเป็นข้อบกพร่องอื่นๆ และแพร่กระจายไปตามแกนการเจริญเติบโตได้ ในระหว่างนี้อิพิแทกเซียล SiCการเจริญเติบโต การเคลื่อนตัวของสกรูจะถูกแปลงเป็นความผิดพลาดในการเรียงซ้อน (SF) หรือข้อบกพร่องของแครอท ในขณะที่การเคลื่อนตัวของขอบในชั้นอนุภาคจะแสดงให้เห็นว่าถูกแปลงมาจากการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน (BPD) ที่สืบทอดมาจากพื้นผิวระหว่างการเจริญเติบโตของชั้นอนุภาค

 

การเคลื่อนตัวของระนาบพื้นฐาน (BPD)

ตั้งอยู่บนระนาบฐานของ SiC โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์ 1/3 <11–20> BPD ไม่ค่อยปรากฏบนพื้นผิวของเวเฟอร์ SiC โดยปกติจะกระจุกตัวอยู่บนพื้นผิวที่มีความหนาแน่น 1,500 ซม. -2 ในขณะที่ความหนาแน่นในชั้นเอพิเลเยอร์มีเพียงประมาณ 10 ซม. -2 การตรวจจับ BPD โดยใช้โฟโตลูมิเนสเซนซ์ (PL) จะแสดงลักษณะเชิงเส้นตามที่แสดงในรูปที่ 4c ในระหว่างอิพิแทกเซียล SiCการเจริญเติบโต BPD ที่ขยายออกไปอาจแปลงเป็นความผิดพลาดในการซ้อน (SF) หรือการเคลื่อนตัวของขอบ (TED)

 

ความผิดพลาดในการซ้อน (SFs)

ข้อบกพร่องในลำดับการเรียงซ้อนของระนาบฐานของ SiC ความผิดพลาดในการเรียงซ้อนอาจปรากฏในชั้นเอพิแทกเซียลโดยสืบทอด SF ในพื้นผิว หรืออาจเกี่ยวข้องกับการขยายและการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนตัวของระนาบฐาน (BPD) และการเคลื่อนตัวของสกรูเกลียว (TSD) โดยทั่วไป ความหนาแน่นของ SF จะน้อยกว่า 1 ซม.-2 และจะแสดงลักษณะสามเหลี่ยมเมื่อตรวจพบโดยใช้ PL ตามที่แสดงในรูปที่ 4e อย่างไรก็ตาม ความผิดพลาดในการเรียงซ้อนประเภทต่างๆ สามารถเกิดขึ้นได้ใน SiC เช่น ประเภท Shockley และประเภท Frank เนื่องจากความผิดปกติของพลังงานในการเรียงซ้อนแม้เพียงเล็กน้อยระหว่างระนาบก็อาจทำให้เกิดความผิดปกติอย่างมากในลำดับการเรียงซ้อน

 

การล่มสลาย

ข้อบกพร่องในการลดลงส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากการตกของอนุภาคบนผนังด้านบนและด้านข้างของห้องปฏิกิริยาในระหว่างกระบวนการเติบโต ซึ่งสามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยการปรับกระบวนการบำรุงรักษาตามระยะเวลาของวัสดุสิ้นเปลืองกราไฟต์ในห้องปฏิกิริยาให้เหมาะสม

 

ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม

เป็นการรวมตัวของโพลีไทป์ 3C-SiC ที่ขยายไปถึงพื้นผิวของชั้นอนุภาค SiC ตามทิศทางระนาบฐาน ดังแสดงในรูปที่ 4g อาจเกิดจากอนุภาคที่ตกลงมาบนพื้นผิวของชั้นอนุภาค SiC ในระหว่างการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียล อนุภาคฝังตัวอยู่ในชั้นอนุภาคและรบกวนกระบวนการเจริญเติบโต ส่งผลให้เกิดการรวมตัวของโพลีไทป์ 3C-SiC ซึ่งแสดงลักษณะพื้นผิวสามเหลี่ยมมุมแหลม โดยอนุภาคตั้งอยู่ที่จุดยอดของบริเวณสามเหลี่ยม การศึกษามากมายยังระบุด้วยว่าที่มาของการรวมตัวของโพลีไทป์เกิดจากรอยขีดข่วนบนพื้นผิว ไมโครไพพ์ และพารามิเตอร์ที่ไม่เหมาะสมของกระบวนการเจริญเติบโต

 

ข้อบกพร่องแครอท

ข้อบกพร่องแครอทเป็นคอมเพล็กซ์ของความผิดพลาดในการเรียงซ้อนที่มีปลายสองข้างอยู่ที่ระนาบฐานของผลึก TSD และ SF ซึ่งสิ้นสุดด้วยการเคลื่อนตัวแบบแฟรงก์ และขนาดของข้อบกพร่องแครอทนั้นสัมพันธ์กับความผิดพลาดในการเรียงซ้อนแบบปริซึม การรวมกันของลักษณะเหล่านี้ก่อให้เกิดสัณฐานวิทยาพื้นผิวของข้อบกพร่องแครอท ซึ่งมีลักษณะเหมือนรูปแครอทที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า 1 ซม.-2 ดังแสดงในรูปที่ 4f ข้อบกพร่องแครอทเกิดขึ้นได้ง่ายที่รอยขีดข่วนจากการขัดเงา TSD หรือข้อบกพร่องของพื้นผิว

 

รอยขีดข่วน

รอยขีดข่วนเป็นความเสียหายทางกลที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของเวเฟอร์ SiC ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต ดังที่แสดงในรูปที่ 4h รอยขีดข่วนบนพื้นผิว SiC อาจขัดขวางการเติบโตของชั้นอนุภาค ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของชั้นอนุภาคที่มีความหนาแน่นสูงเป็นแถวภายในชั้นอนุภาค หรือรอยขีดข่วนอาจกลายเป็นสาเหตุของการเกิดข้อบกพร่องแบบแครอท ดังนั้น จึงจำเป็นต้องขัดเวเฟอร์ SiC อย่างเหมาะสม เนื่องจากรอยขีดข่วนเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เมื่อเกิดขึ้นในบริเวณที่ใช้งานของอุปกรณ์

 

ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาพื้นผิวอื่น ๆ

การเรียงตัวแบบขั้นบันไดเป็นข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลของ SiC ซึ่งทำให้เกิดรูปสามเหลี่ยมป้านหรือลักษณะสี่เหลี่ยมคางหมูบนพื้นผิวของเอพิแทกเซียลของ SiC นอกจากนี้ยังมีข้อบกพร่องบนพื้นผิวอื่นๆ อีกมากมาย เช่น หลุมบนพื้นผิว รอยนูน และคราบ ข้อบกพร่องเหล่านี้มักเกิดจากกระบวนการเจริญเติบโตที่ไม่เหมาะสมและการกำจัดความเสียหายจากการขัดเงาที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์