La technologie de base pour la croissance deSiC épitaxiéEn matière de matériaux, la maîtrise des défauts est primordiale, notamment pour les défauts susceptibles d'entraîner des défaillances ou une dégradation de la fiabilité des dispositifs. L'étude du mécanisme de propagation des défauts du substrat dans la couche épitaxiale lors de la croissance épitaxiale, des lois de transfert et de transformation des défauts à l'interface substrat-couche épitaxiale, ainsi que du mécanisme de nucléation des défauts, est essentielle pour comprendre la corrélation entre les défauts du substrat et les défauts structuraux de la couche épitaxiale. Ces connaissances permettent d'orienter efficacement la sélection du substrat et l'optimisation du procédé épitaxial.
Les défauts decouches épitaxiales de carbure de siliciumLes défauts de surface se divisent principalement en deux catégories : les défauts cristallins et les défauts de morphologie de surface. Les défauts cristallins, tels que les défauts ponctuels, les dislocations vis, les défauts de microtubules et les dislocations coin, proviennent majoritairement des défauts présents sur le substrat de SiC et se propagent dans la couche épitaxiale. Les défauts de morphologie de surface sont observables directement à l’œil nu ou au microscope et présentent des caractéristiques morphologiques typiques. Parmi ces défauts, on trouve principalement les rayures, les défauts triangulaires, les défauts en forme de carotte, les affaissements et les particules, comme illustré sur la figure 4. Lors du processus d’épitaxie, les particules étrangères, les défauts du substrat, les dommages de surface et les écarts du processus lui-même peuvent affecter le mode de croissance par flux de marches local, engendrant ainsi des défauts de morphologie de surface.
Tableau 1. Causes de la formation de défauts de matrice courants et de défauts de morphologie de surface dans les couches épitaxiales de SiC
défauts ponctuels
Les défauts ponctuels sont formés par des lacunes ou des interstices en un ou plusieurs points du réseau cristallin, et ils ne présentent aucune extension spatiale. Ces défauts peuvent apparaître dans tous les procédés de fabrication, notamment lors de l'implantation ionique. Cependant, ils sont difficiles à détecter, et la relation entre leur transformation et celle d'autres défauts est également complexe.
Micropipes (MP)
Les microtubes sont des dislocations vis creuses qui se propagent le long de l'axe de croissance, avec un vecteur de Burgers <0001>. Leur diamètre varie de quelques fractions de micron à plusieurs dizaines de microns. Sur les plaquettes de SiC, les microtubes présentent de larges piqûres en surface. Leur densité est généralement de l'ordre de 0,1 à 1 cm⁻² et continue de diminuer lors du contrôle qualité de la production industrielle de plaquettes.
Dislocations vis (TSD) et dislocations coin (TED)
Les dislocations dans le SiC sont la principale source de dégradation et de défaillance des dispositifs. Les dislocations vis (TSD) et les dislocations coin (TED) se déplacent le long de l'axe de croissance, avec des vecteurs de Burgers respectifs de <0001> et 1/3<11–20>.
Les dislocations vis (TSD) et les dislocations coin (TED) peuvent s'étendre du substrat à la surface de la plaquette et engendrer de petites irrégularités de surface (Figure 4b). La densité des dislocations coin est généralement environ 10 fois supérieure à celle des dislocations vis. Les dislocations vis étendues, c'est-à-dire s'étendant du substrat à l'épicouche, peuvent également se transformer en d'autres défauts et se propager le long de l'axe de croissance.SiC épitaxiéAu cours de la croissance, les dislocations vis sont converties en défauts d'empilement (SF) ou en défauts en forme de carotte, tandis que les dislocations de bord dans les épicouches sont converties à partir de dislocations de plan basal (BPD) héritées du substrat au cours de la croissance épitaxiale.
Luxation planaire de base (LPB)
Situées sur le plan basal du SiC, avec un vecteur de Burgers de 1/3 <11–20>, les BPD apparaissent rarement à la surface des plaquettes de SiC. Elles sont généralement concentrées sur le substrat avec une densité de 1500 cm⁻², tandis que leur densité dans l'épicouche n'est que d'environ 10 cm⁻². La détection des BPD par photoluminescence (PL) révèle des structures linéaires, comme illustré sur la figure 4c.SiC épitaxiécroissance, les BPD étendues peuvent être converties en défauts d'empilement (SF) ou en dislocations de bord (TED).
Défauts d'empilement (SF)
Défauts d'empilement du plan basal du SiC. Ces défauts peuvent apparaître dans la couche épitaxiale par héritage de défauts d'empilement (SF) présents dans le substrat, ou être liés à l'extension et à la transformation de dislocations de plan basal (BPD) et de dislocations vis (TSD). Généralement, la densité de défauts d'empilement est inférieure à 1 cm⁻², et ils présentent une forme triangulaire lorsqu'ils sont détectés par photoluminescence (PL), comme illustré sur la figure 4e. Cependant, différents types de défauts d'empilement peuvent se former dans le SiC, tels que les défauts de type Shockley et Frank, car même un faible désordre énergétique d'empilement entre les plans peut engendrer une irrégularité considérable dans la séquence d'empilement.
Chute
Le défaut de chute provient principalement de la chute de particules sur les parois supérieures et latérales de la chambre de réaction pendant le processus de croissance, ce qui peut être optimisé en optimisant le processus de maintenance périodique des consommables en graphite de la chambre de réaction.
Défaut triangulaire
Il s'agit d'une inclusion polytype 3C-SiC s'étendant jusqu'à la surface de l'épicouche de SiC, dans le sens du plan basal, comme illustré sur la figure 4g. Elle pourrait être générée par la chute de particules sur la surface de l'épicouche de SiC lors de la croissance épitaxiale. Ces particules s'incorporent à l'épicouche et perturbent le processus de croissance, entraînant la formation d'inclusions polytype 3C-SiC. Ces inclusions présentent des caractéristiques de surface triangulaires à angles aigus, les particules étant situées aux sommets des triangles. De nombreuses études ont également attribué l'origine de ces inclusions polytypes à des rayures de surface, des microcanaux et des paramètres de croissance inadéquats.
défaut de carotte
Un défaut en forme de carotte est un complexe de défauts d'empilement dont les deux extrémités se situent sur les plans cristallins basaux TSD et SF, et qui se termine par une dislocation de type Frank. La taille de ce défaut est liée à la forme prismatique du défaut d'empilement. L'ensemble de ces caractéristiques confère au défaut une morphologie de surface en forme de carotte, avec une densité inférieure à 1 cm⁻², comme illustré sur la figure 4f. Les défauts en forme de carotte se forment facilement au niveau des rayures de polissage, des TSD ou des défauts du substrat.
Égratignures
Les rayures sont des dommages mécaniques présents à la surface des plaquettes de SiC et formés lors du processus de production, comme illustré sur la figure 4h. Ces rayures sur le substrat de SiC peuvent perturber la croissance de l'épicouche, engendrer une rangée de dislocations à haute densité au sein de celle-ci, ou encore être à l'origine de défauts en forme de carotte. Il est donc essentiel de polir correctement les plaquettes de SiC, car ces rayures peuvent avoir un impact significatif sur les performances du dispositif lorsqu'elles apparaissent dans sa zone active.
Autres défauts de morphologie de surface
Le regroupement de marches est un défaut de surface qui se forme lors de la croissance épitaxiale du SiC. Il se caractérise par des triangles obtus ou des trapèzes à la surface de l'épicouche de SiC. D'autres défauts de surface existent, tels que des piqûres, des bosses et des taches. Ces défauts sont généralement dus à des procédés de croissance non optimisés et à un polissage incomplet, ce qui nuit aux performances du dispositif.
Date de publication : 5 juin 2024