Welche Defekte weist die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf?

Die Kerntechnologie für das Wachstum vonSiC epitaxialDie Materialforschung konzentriert sich in erster Linie auf die Defektkontrolle, insbesondere bei Defekten, die zu Geräteausfällen oder Zuverlässigkeitsbeeinträchtigungen führen können. Die Untersuchung des Mechanismus, durch den sich Substratdefekte während des Epitaxieprozesses in die Epitaxieschicht ausbreiten, der Übertragungs- und Umwandlungsgesetze von Defekten an der Grenzfläche zwischen Substrat und Epitaxieschicht sowie des Keimbildungsmechanismus von Defekten bildet die Grundlage für die Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Substratdefekten und epitaxialen Strukturdefekten. Dies ermöglicht eine effektive Substratauswahl und Prozessoptimierung im Epitaxieprozess.

Die Mängel vonSiliziumkarbid-EpitaxieschichtenOberflächenmorphologische Defekte lassen sich hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilen: Kristallfehler und Oberflächenmorphologiedefekte. Kristallfehler, darunter Punktdefekte, Schraubenversetzungen, Mikrotubuli-Defekte, Stufenversetzungen usw., entstehen meist durch Defekte auf dem SiC-Substrat und diffundieren in die Epitaxieschicht. Oberflächenmorphologische Defekte sind mikroskopisch mit bloßem Auge sichtbar und weisen typische morphologische Merkmale auf. Zu den oberflächenmorphologischen Defekten zählen vor allem Kratzer, Dreiecksdefekte, Karottendefekte, Einfallstellen und Partikel (siehe Abbildung 4). Während des Epitaxieprozesses können Fremdpartikel, Substratdefekte, Oberflächenbeschädigungen und Abweichungen im Epitaxieprozess das lokale Stufenwachstum beeinflussen und so zu oberflächenmorphologischen Defekten führen.

Tabelle 1. Ursachen für die Bildung häufiger Matrixdefekte und Oberflächenmorphologiedefekte in SiC-Epitaxieschichten

 

Punktdefekte

Punktdefekte entstehen durch Leerstellen oder Lücken an einem oder mehreren Gitterpunkten und haben keine räumliche Ausdehnung. Sie können in jedem Produktionsprozess auftreten, insbesondere bei der Ionenimplantation. Allerdings sind sie schwer nachzuweisen, und der Zusammenhang zwischen der Umwandlung von Punktdefekten und anderen Defekten ist komplex.

 

Mikrorohre (MP)

Mikroröhren sind hohle Schraubenversetzungen, die sich entlang der Wachstumsachse ausbreiten und einen Burgersvektor <0001> aufweisen. Ihr Durchmesser reicht von Bruchteilen eines Mikrometers bis zu mehreren zehn Mikrometern. Auf der Oberfläche von SiC-Wafern bilden sie große, grubenartige Strukturen. Typischerweise liegt ihre Dichte bei etwa 0,1–1 cm⁻² und nimmt im Rahmen der Qualitätskontrolle bei der kommerziellen Waferproduktion kontinuierlich ab.

 

Schraubenversetzungen (TSD) und Stufenversetzungen (TED)

Versetzungen in SiC sind die Hauptursache für die Degradation und den Ausfall von Bauelementen. Sowohl Schraubenversetzungen (TSD) als auch Stufenversetzungen (TED) verlaufen entlang der Wachstumsachse mit Burgersvektoren von <0001> bzw. 1/3<11–20>.

Sowohl Schraubenversetzungen (TSD) als auch Stufenversetzungen (TED) können sich vom Substrat bis zur Waferoberfläche erstrecken und kleine, grubenartige Oberflächenstrukturen erzeugen (Abbildung 4b). Typischerweise ist die Dichte der Stufenversetzungen etwa zehnmal so hoch wie die der Schraubenversetzungen. Ausgedehnte Schraubenversetzungen, d. h. solche, die sich vom Substrat bis zur Epitaxieschicht erstrecken, können sich auch in andere Defekte umwandeln und sich entlang der Wachstumsachse ausbreiten.SiC epitaxialBeim Wachstum werden Schraubenversetzungen in Stapelfehler (SF) oder Karottendefekte umgewandelt, während gezeigt wird, dass Stufenversetzungen in Epitaxieschichten aus Basisebenenversetzungen (BPDs) entstehen, die während des epitaxialen Wachstums vom Substrat übernommen wurden.

 

Basisebenenversetzung (BPD)

Sie befinden sich auf der SiC-Basalebene und weisen einen Burgersvektor von 1/3 <11–20> auf. BPDs treten selten auf der Oberfläche von SiC-Wafern auf. Sie konzentrieren sich üblicherweise auf dem Substrat mit einer Dichte von 1500 cm⁻², während ihre Dichte in der Epitaxieschicht nur etwa 10 cm⁻² beträgt. Der Nachweis von BPDs mittels Photolumineszenz (PL) zeigt lineare Merkmale, wie in Abbildung 4c dargestellt.SiC epitaxialBei Wachstum können ausgedehnte BPDs in Stapelfehler (SF) oder Stufenversetzungen (TED) umgewandelt werden.

 

Stapelfehler (SFs)

Defekte in der Stapelfolge der SiC-Basalebene. Stapelfehler können in der Epitaxieschicht durch Übernahme von Stapelfehlern im Substrat entstehen oder mit der Ausbreitung und Umwandlung von Basisebenenversetzungen (BPDs) und Schraubenversetzungen (TSDs) zusammenhängen. Im Allgemeinen liegt die Dichte der Stapelfehler unter 1 cm⁻², und sie weisen bei der Detektion mittels Photolumineszenz (PL) eine dreieckige Struktur auf (siehe Abb. 4e). In SiC können jedoch verschiedene Arten von Stapelfehlern auftreten, beispielsweise vom Shockley- oder Frank-Typ, da bereits geringe Unregelmäßigkeiten der Stapelenergie zwischen den Ebenen zu erheblichen Unregelmäßigkeiten in der Stapelfolge führen können.

 

Untergang

Der Hauptgrund für den Ausfall ist das Abtropfen von Partikeln an den oberen und seitlichen Wänden der Reaktionskammer während des Wachstumsprozesses. Dies kann durch Optimierung der regelmäßigen Wartung der Graphitverbrauchsmaterialien in der Reaktionskammer behoben werden.

 

Dreieckiger Defekt

Es handelt sich um einen 3C-SiC-Polytyp-Einschluss, der sich entlang der Basalebene bis zur Oberfläche der SiC-Epitaxieschicht erstreckt (siehe Abbildung 4g). Er entsteht vermutlich durch Partikel, die während des epitaktischen Wachstums auf die Oberfläche der SiC-Epitaxieschicht fallen. Die Partikel lagern sich in die Epitaxieschicht ein und stören den Wachstumsprozess, wodurch 3C-SiC-Polytyp-Einschlüsse entstehen. Diese weisen scharfwinklige, dreieckige Oberflächenstrukturen auf, wobei sich die Partikel an den Eckpunkten der Dreiecke befinden. Zahlreiche Studien führen die Entstehung von Polytyp-Einschlüssen auch auf Oberflächenkratzer, Mikrokanäle und ungeeignete Parameter des Wachstumsprozesses zurück.

 

Karottenfehler

Ein Karottenfehler ist ein Stapelfehlerkomplex mit zwei Enden an den Basalebenen TSD und SF, der durch eine Frank-Versetzung abgeschlossen wird. Die Größe des Karottenfehlers hängt von der Größe des prismatischen Stapelfehlers ab. Die Kombination dieser Merkmale bestimmt die Oberflächenmorphologie des Karottenfehlers, die, wie in Abbildung 4f dargestellt, einer Karotte ähnelt und eine Dichte von weniger als 1 cm⁻² aufweist. Karottenfehler entstehen leicht an Polierkratzern, TSDs oder Substratdefekten.

 

Kratzer

Kratzer sind mechanische Beschädigungen an der Oberfläche von SiC-Wafern, die während des Produktionsprozesses entstehen (siehe Abbildung 4h). Kratzer auf dem SiC-Substrat können das Wachstum der Epitaxieschicht beeinträchtigen, eine Reihe von Versetzungen hoher Dichte innerhalb der Epitaxieschicht erzeugen oder die Grundlage für die Bildung von Karottendefekten bilden. Daher ist das sorgfältige Polieren von SiC-Wafern entscheidend, da Kratzer die Leistung von Bauelementen erheblich beeinträchtigen können, wenn sie im aktiven Bereich auftreten.

 

Andere Oberflächenmorphologiedefekte

Stufenbündelung ist ein Oberflächenfehler, der während des epitaxialen Wachstumsprozesses von SiC entsteht und stumpfe Dreiecke oder trapezförmige Strukturen auf der Oberfläche der SiC-Epitaxieschicht erzeugt. Daneben existieren zahlreiche weitere Oberflächenfehler wie Vertiefungen, Erhebungen und Flecken. Diese Defekte werden üblicherweise durch nicht optimierte Wachstumsprozesse und unvollständige Beseitigung von Polierschäden verursacht, was die Leistungsfähigkeit von Bauelementen beeinträchtigt.