Was sind die Mängel der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht?

Die Kerntechnologie für das Wachstum vonSiC-EpitaxieBei Materialien handelt es sich in erster Linie um Fehlerkontrolltechnologie, insbesondere um Fehlerkontrolltechnologie, die anfällig für Geräteausfälle oder eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit ist. Die Untersuchung des Mechanismus von Substratdefekten, die sich während des epitaktischen Wachstumsprozesses in die Epitaxieschicht hinein erstrecken, der Übertragungs- und Transformationsgesetze von Defekten an der Grenzfläche zwischen Substrat und Epitaxieschicht und des Keimbildungsmechanismus von Defekten bilden die Grundlage für die Klärung der Korrelation zwischen Substratdefekte und epitaktische Strukturdefekte, die das Substratscreening und die Optimierung des Epitaxieprozesses effektiv steuern können.

Die Mängel vonEpitaxieschichten aus Siliziumkarbidwerden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Kristalldefekte und Oberflächenmorphologiedefekte. Kristalldefekte, darunter Punktdefekte, Schraubenversetzungen, Mikrotubuli-Defekte, Kantenversetzungen usw., entstehen meist durch Defekte auf SiC-Substraten und diffundieren in die Epitaxieschicht. Oberflächenmorphologische Defekte können direkt mit bloßem Auge unter dem Mikroskop beobachtet werden und weisen typische morphologische Merkmale auf. Zu den Defekten der Oberflächenmorphologie gehören hauptsächlich: Kratzer, Dreiecksdefekt, Karottendefekt, Absturz und Partikel, wie in Abbildung 4 dargestellt. Während des Epitaxieprozesses können Fremdpartikel, Substratdefekte, Oberflächenschäden und Epitaxieprozessabweichungen den lokalen Stufenfluss beeinflussen Wachstumsmodus, was zu Defekten in der Oberflächenmorphologie führt.

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

 

Punktfehler

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

 

Mikrorohre (MP)

Mikropipes sind hohle Schraubenversetzungen, die sich entlang der Wachstumsachse mit einem Burgers-Vektor <0001> ausbreiten. Der Durchmesser von Mikroröhren reicht von einem Bruchteil eines Mikrometers bis zu mehreren zehn Mikrometern. Mikroröhrchen weisen große grubenartige Oberflächenmerkmale auf der Oberfläche von SiC-Wafern auf. Typischerweise beträgt die Dichte von Mikroröhrchen etwa 0,1 bis 1 cm-2 und nimmt bei der Qualitätsüberwachung der kommerziellen Waferproduktion weiter ab.

 

Schraubenversetzungen (TSD) und Kantenversetzungen (TED)

Versetzungen in SiC sind die Hauptursache für die Verschlechterung und den Ausfall von Geräten. Sowohl Schraubenversetzungen (TSD) als auch Kantenversetzungen (TED) verlaufen entlang der Wachstumsachse mit Burgers-Vektoren von <0001> bzw. 1/3<11–20>.

Sowohl Schraubenversetzungen (TSD) als auch Kantenversetzungen (TED) können sich vom Substrat bis zur Waferoberfläche erstrecken und kleine grubenartige Oberflächenmerkmale hervorrufen (Abbildung 4b). Typischerweise ist die Dichte von Kantenversetzungen etwa zehnmal so groß wie die von Schraubenversetzungen. Ausgedehnte Schraubenversetzungen, die sich vom Substrat bis zur Epischicht erstrecken, können sich auch in andere Defekte umwandeln und sich entlang der Wachstumsachse ausbreiten. WährendSiC-EpitaxieBeim Wachstum werden Schraubenversetzungen in Stapelfehler (SF) oder Karottendefekte umgewandelt, während Kantenversetzungen in Epischichten nachweislich aus Basalebenenversetzungen (BPDs) umgewandelt werden, die während des epitaktischen Wachstums vom Substrat geerbt werden.

 

Grundlegende ebene Dislokation (BPD)

Befindet sich auf der SiC-Basalebene mit einem Burgers-Vektor von 1/3 <11–20>. BPDs treten selten auf der Oberfläche von SiC-Wafern auf. Sie sind üblicherweise mit einer Dichte von 1500 cm-2 auf dem Substrat konzentriert, während ihre Dichte in der Epischicht nur etwa 10 cm-2 beträgt. Der Nachweis von BPDs mittels Photolumineszenz (PL) zeigt lineare Merkmale, wie in Abbildung 4c dargestellt. WährendSiC-EpitaxieAufgrund des Wachstums können ausgedehnte BPDs in Stapelfehler (SF) oder Kantenversetzungen (TED) umgewandelt werden.

 

Stapelfehler (SFs)

Fehler in der Stapelfolge der SiC-Basalebene. Stapelfehler können in der Epitaxieschicht durch die Vererbung von SFs im Substrat auftreten oder mit der Ausdehnung und Transformation von Basalebenenversetzungen (BPDs) und Gewindeschraubenversetzungen (TSDs) zusammenhängen. Im Allgemeinen beträgt die Dichte von SFs weniger als 1 cm-2 und sie weisen bei der Erkennung mit PL ein dreieckiges Merkmal auf, wie in Abbildung 4e dargestellt. Allerdings können sich in SiC verschiedene Arten von Stapelfehlern bilden, wie zum Beispiel der Shockley-Typ und der Frank-Typ, da bereits eine geringe Stapelenergiestörung zwischen den Ebenen zu einer erheblichen Unregelmäßigkeit in der Stapelfolge führen kann.

 

Untergang

Der Absturzdefekt entsteht hauptsächlich durch den Partikelabfall an den oberen und seitlichen Wänden der Reaktionskammer während des Wachstumsprozesses, der durch Optimierung des regelmäßigen Wartungsprozesses der Graphitverbrauchsmaterialien der Reaktionskammer optimiert werden kann.

 

Dreieckiger Defekt

Es handelt sich um einen 3C-SiC-Polytyp-Einschluss, der sich entlang der Basisebenenrichtung bis zur Oberfläche der SiC-Epischicht erstreckt, wie in Abbildung 4g dargestellt. Es kann durch die fallenden Partikel auf der Oberfläche der SiC-Epischicht während des epitaktischen Wachstums erzeugt werden. Die Partikel sind in die Epischicht eingebettet und stören den Wachstumsprozess, was zu polytypen 3C-SiC-Einschlüssen führt, die scharfwinklige dreieckige Oberflächenmerkmale aufweisen, wobei sich die Partikel an den Spitzen des dreieckigen Bereichs befinden. Viele Studien haben den Ursprung polytyper Einschlüsse auch auf Oberflächenkratzer, Mikroröhren und falsche Parameter des Wachstumsprozesses zurückgeführt.

 

Karottendefekt

Ein Karottendefekt ist ein Stapelfehlerkomplex mit zwei Enden, die sich auf den TSD- und SF-Basiskristallebenen befinden und durch eine Versetzung vom Frank-Typ abgeschlossen werden. Die Größe des Karottendefekts hängt mit dem prismatischen Stapelfehler zusammen. Die Kombination dieser Merkmale bildet die Oberflächenmorphologie des Karottendefekts, die wie eine Karottenform mit einer Dichte von weniger als 1 cm-2 aussieht, wie in Abbildung 4f dargestellt. Karottenfehler entstehen leicht durch Polierkratzer, TSDs oder Substratfehler.

 

Kratzer

Kratzer sind mechanische Beschädigungen auf der Oberfläche von SiC-Wafern, die während des Produktionsprozesses entstehen, wie in Abbildung 4h dargestellt. Kratzer auf dem SiC-Substrat können das Wachstum der Epischicht beeinträchtigen, eine Reihe hochdichter Versetzungen innerhalb der Epischicht erzeugen oder Kratzer können die Grundlage für die Bildung von Karottendefekten bilden. Daher ist es wichtig, SiC-Wafer richtig zu polieren, da diese Kratzer erhebliche Auswirkungen auf die Geräteleistung haben können, wenn sie im aktiven Bereich des Geräts auftreten.

 

Andere Defekte der Oberflächenmorphologie

Bei der Stufenbündelung handelt es sich um einen Oberflächendefekt, der während des SiC-Epitaxiewachstumsprozesses entsteht und stumpfe Dreiecke oder trapezförmige Strukturen auf der Oberfläche der SiC-Epischicht erzeugt. Es gibt viele andere Oberflächenfehler, wie z. B. Oberflächennarben, Unebenheiten und Flecken. Diese Defekte werden in der Regel durch nicht optimierte Wachstumsprozesse und unvollständige Entfernung von Polierschäden verursacht, was sich negativ auf die Geräteleistung auswirkt.