一文了解SiC外延層常見缺陷及形成原因

缺陷研究是解決我國半導體芯片領域“卡脖子”問題的核心問題，也是最基礎的問題，半導體缺陷控制是半導體材料和器件提升的關鍵所在。缺陷控制研究包含：材料生長與缺陷控制、缺陷的理論及計算方法、缺陷的表征和分析、缺陷分析技術和設備。本文淺談下SiC同質外延的缺陷控制。

SiC 外延材料生長的核心技術首先是缺陷控制技術，特別是對于易導致器件失效或者引起可靠性退化的缺陷控制技術。外延生長過程中襯底缺陷延伸進入外延層的機理、襯底及外延層界面處的缺陷轉移轉化規律、缺陷成核機制等方面的研究是明確襯底缺陷和外延結構缺陷之間相關性的基礎，能夠有效指導襯底篩選以及外延工藝優化。為了促進行業交流和發展，艾邦新建碳化硅功率半導體產業鏈微信群，歡迎碳化硅前道材料與加工設備，后道器件生產和模塊封裝的行業朋友一起加入討論。

碳化硅外延層的缺陷主要分為兩大類：晶體缺陷和表面形貌缺陷。晶體缺陷，包括點缺陷、螺位錯、微管缺陷、刃位錯等，大多來源于SiC襯底的缺陷擴散至外延層。表面形貌缺陷借助顯微鏡可通過肉眼直接觀察，具有典型的形貌特征。表面形貌缺陷主要包括：劃痕（Scratch）、三角形缺陷 （Triangular defect）、胡蘿卜缺陷（Carrot defect）、掉落物（Downfall）以及顆粒（Particle）等。

在外延過程中，外來顆粒異物、襯底缺陷和表面損傷以及外延工藝偏差均可能影響局部臺階流生長模式，從而產生表面形貌缺陷。

1.點缺陷（Point defect）

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。

2.微管（MP）

微管是沿著生長軸傳播的空心螺位錯，Burgers矢量<0001>。微管的直徑范圍從幾分之一微米到幾十微米。微管在SiC晶圓表面顯示出大的坑狀表面特征。通常，微管的密度約為0.1~1cm-2，并且在商業化晶圓生產質量監控中持續下降。

3.螺位錯（TSD）和刃位錯（TED）

SiC中的位錯是器件劣化和失效的主要來源。螺位錯（TSD）和刃位錯（TED）都沿生長軸運行，Burgers矢量分別為<0001>和1/3<11–20>。

螺位錯（TSD）和刃位錯（TED）都可以從襯底延伸到晶圓表面，并帶來小的凹坑狀表面特征（圖4b）。通常，刃位錯的密度約是螺位錯的10倍。擴展的螺位錯，即從襯底延伸到外延層，也可能轉化為其他缺陷，并沿生長軸傳播。在SiC外延生長過程中，螺位錯被轉化為堆垛層錯（SF）或胡蘿卜（Carrot）缺陷，而外延層中的刃位錯則被證明是在外延生長過程中從襯底繼承的基晶面位錯（BPD）轉化而來的。

4.基晶面位錯（BPD）

位于SiC晶基面上，Burgers矢量為1/3<11–20>。BPD很少出現在SiC晶圓表面。它們通常集中在襯底，密度為1500 cm-2，而它們在外延層中的密度僅為約10 cm-2。使用光致發光（PL）檢測BPD顯示出線形特征，如圖4c所示。在SiC外延生長過程中，擴展的BPD可能轉化為堆垛層錯（SF）或刃位錯（TED）。

5.堆垛層錯（SF）

SiC基晶面中堆垛順序混亂的缺陷。堆垛層錯可能通過繼承襯底中的SF而出現在外延層，或者與基晶面位錯（BPD）和螺位錯（TSD）的擴展和轉化有關。通常，SF的密度小于1 cm-2，并且通過使用PL檢測顯示出三角形特征，如圖4e所示。然而，在SiC中可以形成各種類型的堆垛層錯，例如Shockley型和Frank型等，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。

6.掉落物缺陷（Downfall）

掉落物缺陷主要源自生長過程中反應室上壁及側壁的顆粒掉落，可以通過優化反應室 石墨耗材周期性維護流程進行優化。

7.三角形缺陷（Triangular defect）

是一種3C-SiC多型夾雜物，沿基晶面方向延伸至SiC外延層表面，如圖4g所示。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。

8.胡蘿卜缺陷（Carrot defect）

胡蘿卜缺陷是一種堆垛層錯復合體，其兩端位于TSD和SF基晶面處，以Frank型位錯終止，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1 cm-2，如圖4f所示。胡蘿卜缺陷很容易在拋光劃痕、TSD或襯底瑕疵處形成。

9.劃痕（Scratches）

劃痕是在生產過程中形成的SiC晶圓表面的機械損傷，如圖4h所示。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，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。

10.其它表面形貌缺陷

臺階聚集（Step bunching）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。這些缺陷通常是由生長工藝未優化和去除拋光損傷不完全造成的，從而對器件性能產生不利影響。

面對SiC外延層缺陷帶來的挑戰，科研人員和工程師正努力探索有效的解決方案。通過改進外延生長工藝、優化襯底準備程序以及采用先進的缺陷檢測和分析技術，可以顯著減少外延層缺陷的形成。同時，對襯底和外延層中缺陷的深入研究，有助于開發出更有效的缺陷控制策略，提升SiC功率器件的性能和可靠性。

隨著SiC材料科學和工藝技術的不斷進步，碳化硅功率器件的性能和可靠性將得到進一步提升。盡管外延層缺陷的控制仍然是一個復雜且挑戰性的任務，但通過持續的研究和創新，我們有理由相信SiC功率器件將在未來的電力電子和能源轉換領域發揮更加重要的作用。

來源：ICPMS冷知識、學習那些事、固體電子學研究與進展

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