Công nghệ cốt lõi cho sự phát triển củaSiC epitaxyTrong lĩnh vực vật liệu, công nghệ kiểm soát khuyết tật là yếu tố đầu tiên, đặc biệt là đối với các khuyết tật dễ dẫn đến hỏng hóc thiết bị hoặc suy giảm độ tin cậy. Nghiên cứu về cơ chế lan truyền khuyết tật chất nền vào lớp màng trong quá trình tăng trưởng màng, quy luật truyền tải và biến đổi khuyết tật tại giao diện giữa chất nền và lớp màng, và cơ chế hình thành khuyết tật là cơ sở để làm rõ mối tương quan giữa khuyết tật chất nền và khuyết tật cấu trúc màng, từ đó có thể hướng dẫn hiệu quả việc sàng lọc chất nền và tối ưu hóa quy trình màng.
Những khiếm khuyết củacác lớp màng mỏng cacbua silicCác khuyết tật chủ yếu được chia thành hai loại: khuyết tật tinh thể và khuyết tật hình thái bề mặt. Khuyết tật tinh thể, bao gồm khuyết tật điểm, lệch xoắn ốc, khuyết tật vi ống, lệch cạnh, v.v., chủ yếu bắt nguồn từ các khuyết tật trên chất nền SiC và lan truyền vào lớp màng mỏng. Khuyết tật hình thái bề mặt có thể được quan sát trực tiếp bằng mắt thường dưới kính hiển vi và có các đặc điểm hình thái điển hình. Khuyết tật hình thái bề mặt chủ yếu bao gồm: Vết xước, Khuyết tật hình tam giác, Khuyết tật hình củ cà rốt, Vết rơi và Hạt, như thể hiện trong Hình 4. Trong quá trình kết tinh, các hạt lạ, khuyết tật chất nền, hư hỏng bề mặt và sai lệch trong quá trình kết tinh đều có thể ảnh hưởng đến chế độ tăng trưởng dòng bậc thang cục bộ, dẫn đến các khuyết tật hình thái bề mặt.
Bảng 1. Nguyên nhân hình thành các khuyết tật ma trận phổ biến và khuyết tật hình thái bề mặt trong các lớp màng mỏng SiC.
khuyết điểm điểm
Các khuyết tật điểm được hình thành do các lỗ trống hoặc khoảng trống tại một hoặc nhiều điểm mạng tinh thể, và chúng không có sự lan rộng trong không gian. Khuyết tật điểm có thể xuất hiện trong mọi quy trình sản xuất, đặc biệt là trong cấy ion. Tuy nhiên, chúng rất khó phát hiện, và mối quan hệ giữa sự biến đổi của khuyết tật điểm và các loại khuyết tật khác cũng khá phức tạp.
Ống siêu nhỏ (MP)
Các vi ống là những sai lệch xoắn ốc rỗng lan truyền dọc theo trục tăng trưởng, với vectơ Burgers <0001>. Đường kính của các vi ống dao động từ một phần nhỏ của micromet đến hàng chục micromet. Vi ống thể hiện các đặc điểm bề mặt dạng hố lớn trên bề mặt của các tấm wafer SiC. Thông thường, mật độ của vi ống vào khoảng 0,1~1 cm⁻² và tiếp tục giảm trong quá trình giám sát chất lượng sản xuất wafer thương mại.
Các sai lệch xoắn ốc (TSD) và sai lệch cạnh (TED)
Các sai lệch mạng tinh thể trong SiC là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm chất lượng và hỏng hóc của thiết bị. Cả sai lệch mạng xoắn ốc (TSD) và sai lệch mạng cạnh (TED) đều chạy dọc theo trục tăng trưởng, với vectơ Burgers lần lượt là <0001> và 1/3<11–20>.
Cả lệch vít (TSD) và lệch cạnh (TED) đều có thể lan rộng từ chất nền đến bề mặt tấm bán dẫn và tạo ra các đặc điểm bề mặt nhỏ dạng hố (Hình 4b). Thông thường, mật độ lệch cạnh gấp khoảng 10 lần mật độ lệch vít. Lệch vít mở rộng, tức là lan rộng từ chất nền đến lớp màng mỏng, cũng có thể biến đổi thành các khuyết tật khác và lan truyền dọc theo trục tăng trưởng. Trong quá trình nàySiC epitaxyTrong quá trình tăng trưởng, các lệch vít được chuyển đổi thành các lỗi xếp chồng (SF) hoặc khuyết tật hình củ cà rốt, trong khi các lệch cạnh trong các lớp màng mỏng được chứng minh là chuyển đổi từ các lệch mặt phẳng đáy (BPD) được thừa hưởng từ chất nền trong quá trình tăng trưởng màng mỏng.
Sự lệch vị trí mặt phẳng cơ bản (BPD)
Nằm trên mặt phẳng đáy SiC, với vectơ Burgers là 1/3 <11–20>. Các BPD hiếm khi xuất hiện trên bề mặt của các tấm wafer SiC. Chúng thường tập trung trên chất nền với mật độ 1500 cm-2, trong khi mật độ của chúng trong lớp màng mỏng chỉ khoảng 10 cm-2. Phát hiện các BPD bằng quang phát quang (PL) cho thấy các đặc điểm tuyến tính, như thể hiện trong Hình 4c. Trong quá trìnhSiC epitaxyTrong quá trình phát triển, các BPD mở rộng có thể được chuyển đổi thành các lỗi xếp chồng (SF) hoặc các lệch cạnh (TED).
Lỗi xếp chồng (SFs)
Các khuyết tật trong trình tự xếp chồng của mặt phẳng đáy SiC. Các lỗi xếp chồng có thể xuất hiện trong lớp màng mỏng do kế thừa các lỗi xếp chồng (SF) trong chất nền, hoặc liên quan đến sự mở rộng và biến đổi của các lệch mạng mặt phẳng đáy (BPD) và lệch mạng xoắn ốc (TSD). Nói chung, mật độ của SF nhỏ hơn 1 cm⁻², và chúng thể hiện đặc điểm hình tam giác khi được phát hiện bằng quang phát quang (PL), như thể hiện trong Hình 4e. Tuy nhiên, nhiều loại lỗi xếp chồng khác nhau có thể được hình thành trong SiC, chẳng hạn như loại Shockley và loại Frank, bởi vì ngay cả một lượng nhỏ rối loạn năng lượng xếp chồng giữa các mặt phẳng cũng có thể dẫn đến sự bất thường đáng kể trong trình tự xếp chồng.
Sự sụp đổ
Lỗi rơi vỡ chủ yếu bắt nguồn từ sự rơi vãi các hạt trên thành trên và thành bên của buồng phản ứng trong quá trình tăng trưởng, có thể được tối ưu hóa bằng cách tối ưu hóa quy trình bảo trì định kỳ các vật liệu tiêu hao bằng than chì của buồng phản ứng.
Khuyết tật hình tam giác
Đây là một tạp chất đa hình 3C-SiC kéo dài đến bề mặt của lớp màng SiC theo hướng mặt phẳng đáy, như thể hiện trong Hình 4g. Nó có thể được tạo ra bởi các hạt rơi trên bề mặt của lớp màng SiC trong quá trình tăng trưởng epitaxy. Các hạt này được nhúng vào lớp màng và cản trở quá trình tăng trưởng, dẫn đến sự hình thành các tạp chất đa hình 3C-SiC, thể hiện các đặc điểm bề mặt hình tam giác sắc nhọn với các hạt nằm ở các đỉnh của vùng tam giác. Nhiều nghiên cứu cũng cho rằng nguồn gốc của các tạp chất đa hình này là do các vết xước trên bề mặt, các vi ống và các thông số không phù hợp của quá trình tăng trưởng.
Lỗi của cà rốt
Khuyết tật hình củ cà rốt là một phức hợp lỗi xếp chồng với hai đầu nằm ở mặt phẳng tinh thể đáy TSD và SF, kết thúc bằng một lệch mạng kiểu Frank, và kích thước của khuyết tật hình củ cà rốt có liên quan đến lỗi xếp chồng hình lăng trụ. Sự kết hợp của các đặc điểm này tạo nên hình thái bề mặt của khuyết tật hình củ cà rốt, trông giống hình củ cà rốt với mật độ nhỏ hơn 1 cm⁻², như thể hiện trong Hình 4f. Khuyết tật hình củ cà rốt dễ hình thành ở các vết xước khi đánh bóng, TSD hoặc các khuyết tật trên chất nền.
Vết xước
Các vết xước là những hư hỏng cơ học trên bề mặt của các tấm wafer SiC hình thành trong quá trình sản xuất, như thể hiện trong Hình 4h. Các vết xước trên chất nền SiC có thể cản trở sự phát triển của lớp màng mỏng, tạo ra một hàng các sai lệch mật độ cao bên trong lớp màng mỏng, hoặc các vết xước có thể trở thành cơ sở cho sự hình thành các khuyết tật hình củ cà rốt. Do đó, việc đánh bóng các tấm wafer SiC đúng cách là rất quan trọng vì những vết xước này có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị khi chúng xuất hiện trong vùng hoạt động của thiết bị.
Các khuyết tật hình thái bề mặt khác
Hiện tượng vón cục bậc thang là một khuyết tật bề mặt hình thành trong quá trình tăng trưởng màng mỏng SiC, tạo ra các hình tam giác tù hoặc hình thang trên bề mặt lớp màng SiC. Có nhiều khuyết tật bề mặt khác, chẳng hạn như các vết lõm, vết lồi và vết bẩn trên bề mặt. Những khuyết tật này thường do quá trình tăng trưởng chưa được tối ưu hóa và việc loại bỏ không hoàn toàn các hư hại do đánh bóng gây ra, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của thiết bị.
Thời gian đăng bài: 05/06/2024