SiC生長過程及各步驟造成的缺陷

SiC 晶圓制造的發展已經完成了從100毫米（4英寸）到150毫米（6英寸）晶圓的艱難過渡，正在向8英寸邁進。SiC 需要在高溫環境下生長，同時具有高剛性和化學穩定性，這導致生長的 SiC 晶片中晶體和表面缺陷的密度很高，導致襯底質量和隨后制造的外延層質量差 。

本篇文章主要總結了 SiC 生長過程及各步驟造成的缺陷。

SiC 晶片中的缺陷通常分為兩大類：

· 晶片內的晶體缺陷

· 晶片表面處或附近的表面缺陷

正如我們熟知的那樣，晶體缺陷包括基面位錯 (BPD)、堆垛層錯 (SF)、螺紋刃位錯 (TED)、螺紋位錯 (TSD)、微管和晶界等。

SiC 的外延層生長參數對晶片的質量非常關鍵。生長過程中的晶體缺陷和污染可能會延伸到外延層和晶圓表面，形成各種表面缺陷，包括胡蘿卜缺陷、多型夾雜物、劃痕等，甚至會反過來產生其他缺陷，導致對最終的 SiC 器件產生不利影響。

SiC晶圓中出現的各種缺陷。（a）碳化硅缺陷的橫截面示意圖和（b）TEDs和TSDs、（c）BPDs、（d）微管、（e）SFs、（f）胡蘿卜缺陷、（g）多型夾雜物、（h）劃痕的圖像

晶體缺陷

● 螺紋刃位錯 (TED) 和螺紋位錯 (TSD)

SiC 中的位錯是電子器件劣化和故障的主要來源。螺紋位錯 (TSDs) 和螺紋刃位錯 (TEDs) 均沿 [0001] 生長軸運行，具有不同的 Burgers 矢量，分別為 <0001> 和 1/3<11-20>。

TSDs 和 TEDs 都可以從襯底延伸到晶片表面，并產生小的坑狀表面特征。通常，TED 的密度約為 8000–10,000 1/cm2，幾乎是 TSD 的 10 倍。

在 SiC 外延生長過程中，TSD 從襯底延伸到外延層的擴展 TSD 可能會轉變為基底平面上的其他缺陷并沿生長軸傳播。

有研究表明，在 SiC 外延生長過程中，TSD 轉化為基底平面上的堆垛層錯 (SF) 或胡蘿卜缺陷，而外延層中的 TED 被證明是由外延生長過程中從基底上繼承的 BPD 轉化而來。

● 基面位錯 (BPD)

另一種類型的位錯是基面位錯 (BPD)，它位于 SiC 晶體的 [0001] 平面內，Burgers 矢量為1/3 11-20 。

BPDs 很少出現在 SiC 晶片的表面。這些通常以 1500 1/cm2 的密度集中在襯底上，而它們在外延層中的密度僅為約 10 1/cm2。

據了解，BPD的密度隨著SiC襯底厚度的增加而降低。當使用光致發光 (PL) 檢查時，BPD 顯示出線形特征。在 SiC 外延生長過程中，擴展的 BPD 可能會轉變為 SF 或 TED。

● 微管

在 SiC 中觀察到的常見位錯是所謂的微管，它是沿 [0001] 生長軸傳播的空心螺紋位錯，具有較大的 Burgers 矢量 <0001> 分量。

微管的直徑范圍從幾分之一微米到幾十微米。微管在 SiC 晶片表面顯示出大的坑狀表面特征。

從微管發出的螺旋，表現為螺旋位錯。通常，微管的密度約為 0.1–1 1/cm2，并且在商業晶片中持續下降。

● 堆垛層錯 (SFs)

堆垛層錯 (SFs) 是 SiC 基底平面中堆垛順序混亂的缺陷。SFs可能通過繼承襯底中的SFs而出現在外延層內部，或者與擴展BPDs和擴展TSDs的變換有關。

通常，SF 的密度低于每平方厘米 1 個，并且通過使用 PL 檢測顯示出三角形特征。然而，在 SiC 中可以形成各種類型的 SFs，例如 Shockley 型 SFs 和 Frank 型 SFs 等，因為晶面之間只要有少量的堆疊能量無序可能導致堆疊順序的相當大的不規則性。

● 點缺陷

點缺陷是由單個晶格點或幾個晶格點的空位或間隙形成的，它沒有空間擴展。點缺陷可能發生在每個生產過程中，特別是在離子注入中。然而，它們很難被檢測到，并且點缺陷與其他缺陷的轉換之間的相互關系也是相當的復雜。

● 其他晶體缺陷

除了上述各小節所述的缺陷外，還存在一些其他類型的缺陷。晶界是兩種不同的 SiC 晶體類型在相交時晶格失配引起的明顯邊界。六邊形空洞是一種晶體缺陷，在 SiC 晶片內有一個六邊形空腔，它已被證明是導致高壓 SiC 器件失效的微管缺陷的來源之一。顆粒夾雜物是由生長過程中下落的顆粒引起的，通過適當的清潔、仔細的泵送操作和氣流程序的控制，它們的密度可以大大降低。

表面缺陷

● 胡蘿卜缺陷

通常，表面缺陷是由擴展的晶體缺陷和污染形成的。胡蘿卜缺陷是一種堆垛層錯復合體，其長度表示兩端的 TSD 和 SFs 在基底平面上的位置。基底斷層以 Frank 部分位錯終止，胡蘿卜缺陷的大小與棱柱形層錯有關。這些特征的組合形成了胡蘿卜缺陷的表面形貌，其外觀類似于胡蘿卜的形狀，密度小于每平方厘米 1 個。胡蘿卜缺陷很容易在拋光劃痕、TSD 或基材缺陷處形成。

● 多型夾雜物

多型夾雜物，通常稱為三角形缺陷，是一種 3C-SiC 多型夾雜物，沿基底平面方向延伸至SiC外延層表面。

它可能是由外延生長過程中 SiC 外延層表面上的下墜顆粒產生的。顆粒嵌入外延層并干擾生長過程，產生了 3C-SiC 多型夾雜物，該夾雜物顯示出銳角三角形表面特征，顆粒位于三角形區域的頂點。

許多研究還將多型夾雜物的起源歸因于表面劃痕、微管和生長過程的不當參數。

● 劃痕

劃痕是在生產過程中形成的 SiC 晶片表面的機械損傷。裸 SiC 襯底上的劃痕可能會干擾外延層的生長，在外延層內產生一排高密度位錯，稱為劃痕，或者劃痕可能成為胡蘿卜缺陷形成的基礎。因此，正確拋光 SiC 晶圓至關重要，因為當這些劃痕出現在器件的有源區時，會對器件性能產生重大影響。

● 其他表面缺陷

臺階聚束是 SiC 外延生長過程中形成的表面缺陷，在 SiC 外延層表面產生鈍角三角形或梯形特征。還有許多其他的表面缺陷，如表面凹坑、凹凸和污點。這些缺陷通常是由未優化的生長工藝和不完全去除拋光損傷造成的，從而對器件性能造成重大不利影響。