מה הם הפגמים של שכבת אפיטקסיאלית סיליקון קרביד

טכנולוגיית הליבה לצמיחה שלSiC אפיטקסיאליחומרים הם ראשית טכנולוגיית בקרת פגמים, במיוחד עבור טכנולוגיית בקרת פגמים המועדת לכשל במכשיר או לפגיעה באמינות. חקר מנגנון פגמי המצע הנמשכים לתוך השכבה האפיטקסיאלית במהלך תהליך הגדילה האפיטקסיאלית, חוקי ההעברה והטרנספורמציה של פגמים בממשק שבין המצע לשכבה האפיטקסיאלית ומנגנון הגרעין של פגמים הם הבסיס להבהרת המתאם בין פגמים במצע ופגמים מבניים אפיטקסיאליים, שיכולים להנחות ביעילות את הקרנת המצע ואת התהליך האפיטקסיאלי אופטימיזציה.

הפגמים שלשכבות אפיטקסיאליות סיליקון קרבידמחולקים בעיקר לשתי קטגוריות: פגמי גביש ופגמי מורפולוגיה של פני השטח. פגמי קריסטל, לרבות פגמים נקודתיים, נקעים של בורג, פגמים במיקרו-צינוריות, נקעים בקצוות וכו', מקורם ברובם בפגמים על מצעי SiC ומתפזרים לתוך השכבה האפיטקסיאלית. ניתן לראות פגמים מורפולוגיים של פני השטח ישירות בעין בלתי מזוינת באמצעות מיקרוסקופ ובעלי מאפיינים מורפולוגיים אופייניים. פגמים במורפולוגיה של פני השטח כוללים בעיקר: שריטה, פגם משולש, פגם גזר, נפילה וחלקיק, כפי שמוצג באיור 4. במהלך התהליך האפיטקסיאלי, חלקיקים זרים, פגמים במצע, נזקי פני השטח וסטיות בתהליך האפיטקסיאלי עשויים להשפיע על זרימת הצעד המקומית. מצב צמיחה, וכתוצאה מכך פגמים במורפולוגיה של פני השטח.

טבלה 1. סיבות להיווצרות פגמי מטריקס נפוצים ולפגמים מורפולוגיים של פני השטח בשכבות אפיטקסיאליות SiC

 

פגמים נקודתיים

פגמים נקודתיים נוצרים ממקומות פנויים או מרווחים בנקודת סריג בודדת או במספר נקודות סריג, ואין להם הרחבה מרחבית. פגמים נקודתיים עשויים להתרחש בכל תהליך ייצור, במיוחד בהשתלת יונים. עם זאת, קשה לזהות אותם, וגם הקשר בין הטרנספורמציה של פגמים נקודתיים לבין פגמים אחרים מורכב למדי.

 

Micropipes (MP)

Micropipes הם נקעים של בורג חלול שמתפשטים לאורך ציר הצמיחה, עם וקטור Burgers <0001>. קוטר המיקרו-צינורות נע בין שבריר של מיקרון לעשרות מיקרון. מיקרו-צינורות מראים תכונות משטח גדולות דמויות בור על פני השטח של פרוסות SiC. בדרך כלל, צפיפות המיקרו-צינורות היא בערך 0.1~1cm-2 וממשיכה לרדת בניטור איכות ייצור פרוסות מסחריות.

 

נקעים של בורג (TSD) ונקעים בקצה (TED)

נקעים ב-SiC הם המקור העיקרי של השפלה וכשל של המכשיר. גם נקעים של בורג (TSD) וגם נקעים של קצה (TED) פועלים לאורך ציר הצמיחה, עם וקטורים של Burgers של <0001> ו-1/3<11–20>, בהתאמה.

גם נקעים של בורג (TSD) וגם נקעים של קצה (TED) יכולים להתרחב מהמצע למשטח הפרוסים ולהביא תכונות משטח קטנות דמויות בור (איור 4b). בדרך כלל, הצפיפות של נקעים בקצה היא בערך פי 10 מזו של נקעים בבורג. נקעים מורחבים של בורג, כלומר המשתרעים מהמצע ועד לשכבת האפילציה, עלולות להפוך גם לפגמים אחרים ולהתפשט לאורך ציר הצמיחה. בְּמַהֲלָךSiC אפיטקסיאליגדילה, נקעים של בורג מומרים לשגיאות ערימה (SF) או פגמים בגזר, בעוד שנקעים בקצוות בשכבות אפי-שכבות מוצגות כמומרות מנקעים במישור הבסיסי (BPDs) שהועברו מהמצע במהלך הצמיחה האפיטקסיאלית.

 

פריקת מטוס בסיסית (BPD)

ממוקם על המישור הבסיסי של SiC, עם וקטור Burgers של 1/3 <11–20>. BPDs מופיעים לעתים רחוקות על פני השטח של פרוסות SiC. לרוב הם מרוכזים על המצע בצפיפות של 1500 ס"מ-2, בעוד שצפיפותם בשכבת האפילציה היא כ-10 ס"מ-2 בלבד. זיהוי של BPDs באמצעות photoluminescence (PL) מציג תכונות ליניאריות, כפי שמוצג באיור 4c. בְּמַהֲלָךSiC אפיטקסיאליגידול, BPDs מורחבים עשויים להיות מומרים לשגיאות ערימה (SF) או נקעים של קצוות (TED).

 

תקלות הערמה (SFs)

פגמים ברצף הערימה של המישור הבסיסי של SiC. תקלות הערמה יכולות להופיע בשכבה האפיטקסיאלית על ידי הורשת SFs במצע, או להיות קשורות להרחבה והטרנספורמציה של נקעים במישור הבסיסי (BPDs) ונקעים של בורג הברגה (TSDs). בדרך כלל, הצפיפות של SFs היא פחות מ-1 cm-2, והם מציגים תכונה משולשת כאשר הם מזוהים באמצעות PL, כפי שמוצג באיור 4e. עם זאת, סוגים שונים של תקלות ערימה יכולים להיווצר ב-SiC, כמו סוג Shockley וסוג Frank, מכיוון שאפילו כמות קטנה של הפרעת אנרגיית הערמה בין מישורים עלולה להוביל לאי-סדירות ניכרת ברצף הערימה.

 

נְפִילָה

פגם הנפילה נובע בעיקר מנפילת החלקיקים על הקירות העליונים והצדדיים של תא התגובה במהלך תהליך הגידול, אשר ניתן לייעל על ידי ייעול תהליך התחזוקה התקופתית של חומרי הגרפיט המתכלים של תא התגובה.

 

פגם משולש

זהו הכללת 3C-SiC polytype המשתרעת אל פני השטח של שכבת SiC לאורך כיוון המישור הבסיסי, כפי שמוצג באיור 4g. זה עשוי להיווצר על ידי החלקיקים הנופלים על פני שכבת ה- SiC במהלך הצמיחה האפיטקסיאלית. החלקיקים משובצים בשכבת האפילציה ומפריעים לתהליך הגדילה, וכתוצאה מכך תכלילים פוליטיפיים 3C-SiC, המציגים מאפייני משטח משולשים בעלי זווית חדה כאשר החלקיקים ממוקמים בקודקודי האזור המשולש. מחקרים רבים ייחסו גם את מקורם של תכלילים פוליטיפיים לשריטות פני השטח, מיקרו-צינורות ופרמטרים לא תקינים של תהליך הגדילה.

 

פגם גזר

פגם גזר הוא קומפלקס תקלות ערימה עם שני קצוות הממוקמים במישורי הגביש הבסיסיים TSD ו-SF, המסתיימים על ידי נקע מסוג פרנק, וגודל פגם הגזר קשור לתקלת הערימה הפריזמטית. השילוב של תכונות אלו יוצר את המורפולוגיה של פני השטח של פגם הגזר, הנראה כמו צורת גזר בצפיפות של פחות מ-1 ס"מ-2, כפי שמוצג באיור 4ו. פגמי גזר נוצרים בקלות בשריטות ליטוש, TSDs או פגמי מצע.

 

שריטות

שריטות הן נזקים מכניים על פני השטח של פרוסות SiC שנוצרו במהלך תהליך הייצור, כפי שמוצג באיור 4h. שריטות על מצע ה- SiC עלולות להפריע לצמיחת ה- epilayer, לייצר שורה של נקעים בצפיפות גבוהה בתוך ה- epilayer, או שריטות עשויות להפוך לבסיס להיווצרות פגמים בגזר. לכן, חיוני ללטש כראוי פרוסות SiC מכיוון לשריטות אלו עשויות להיות השפעה משמעותית על ביצועי המכשיר כאשר הן מופיעות באזור הפעיל של המכשיר.

 

פגמים אחרים במורפולוגיה של פני השטח

צרור צעדים הוא פגם פני השטח שנוצר במהלך תהליך הצמיחה האפיטקסיאלי של SiC, אשר מייצר משולשים קהים או תכונות טרפז על פני שכבת האפילה SiC. ישנם פגמים רבים אחרים על פני השטח, כגון בורות פני השטח, בליטות וכתמים. פגמים אלו נגרמים בדרך כלל מתהליכי גדילה לא אופטימליים והסרה לא מלאה של נזקי ליטוש, אשר משפיעים לרעה על ביצועי המכשיר.