炭化ケイ素エピタキシャル層の欠陥とは何ですか

の成長を支えるコアテクノロジーSiCエピタキシャル材料は、まず欠陥制御技術、特にデバイスの故障や信頼性の低下を招きやすい欠陥制御技術です。エピタキシャル成長プロセス中にエピタキシャル層に広がる基板欠陥のメカニズム、基板とエピタキシャル層の間の界面での欠陥の移動と変態の法則、および欠陥の核生成メカニズムの研究は、これらの相関関係を明らかにするための基礎となります。基板欠陥とエピタキシャル構造欠陥は、基板のスクリーニングとエピタキシャルプロセスの最適化を効果的に導くことができます。

の欠陥炭化ケイ素エピタキシャル層結晶欠陥と表面形態欠陥の 2 つのカテゴリに主に分類されます。点欠陥、螺旋転位、微小管欠陥、刃状転位などの結晶欠陥は、ほとんどが SiC 基板上の欠陥に由来し、エピタキシャル層に拡散します。表面形態欠陥は、顕微鏡を使用して肉眼で直接観察でき、典型的な形態学的特徴を持っています。図 4 に示すように、表面形態欠陥には主にスクラッチ、三角欠陥、キャロット欠陥、ダウンフォール、パーティクルが含まれます。エピタキシャルプロセス中、異物、基板欠陥、表面損傷、エピタキシャルプロセスの偏差はすべて、局所的なステップフローに影響を与える可能性があります。成長モードが変化し、表面形態の欠陥が生じます。

表 1. SiC エピタキシャル層における一般的なマトリックス欠陥と表面形態欠陥の形成原因

点欠陥

点欠陥は、単一の格子点または複数の格子点における空孔またはギャップによって形成され、空間的な広がりを持ちません。点欠陥はあらゆる製造プロセス、特にイオン注入において発生する可能性があります。しかし、それらは検出が難しく、点欠陥の変形と他の欠陥との関係も非常に複雑です。

マイクロパイプ(MP)

マイクロパイプは、成長軸に沿って伝播する中空らせん転位であり、バーガースベクトル <0001> を持ちます。マイクロチューブの直径は数ミクロンから数十ミクロンまであります。マイクロチューブは、SiC ウェーハの表面に大きなピット状の表面特徴を示します。通常、マイクロチューブの密度は約 0.1 ～ 1 cm-2 であり、商業的なウェーハ生産品質監視では減少し続けています。

らせん転位（TSD）と刃状転位（TED）

SiC の転位はデバイスの劣化と故障の主な原因です。らせん転位 (TSD) と刃状転位 (TED) は両方とも成長軸に沿って走り、それぞれ <0001> と 1/3<11-20> のバーガースベクトルを持ちます。

螺旋転位 (TSD) と刃状転位 (TED) はどちらも基板からウェーハ表面まで広がり、小さなピット状の表面特徴をもたらす可能性があります (図 4b)。通常、刃状転位の密度はらせん転位の約10倍です。伸びたらせん転位、つまり基板からエピ層まで伸びたらせん転位も、他の欠陥に変化し、成長軸に沿って伝播する可能性があります。その間SiCエピタキシャル成長中、らせん転位は積層欠陥 (SF) またはキャロット欠陥に変換されますが、エピ層の刃状転位はエピタキシャル成長中に基板から受け継いだ基底面転位 (BPD) から変換されることが示されています。

基本面転位 (BPD)

SiC 基底面上に位置し、バーガーズベクトルは 1/3 <11–20> です。 BPD が SiC ウェーハの表面に現れることはほとんどありません。これらは通常、基板上に 1500 cm-2 の密度で集中しますが、エピ層内の密度はわずか約 10 cm-2 です。フォトルミネッセンス (PL) を使用した BPD の検出では、図 4c に示すように線形の特徴が示されます。その間SiCエピタキシャル成長により、拡張した BPD は積層欠陥 (SF) または刃状転位 (TED) に変換される可能性があります。

積層欠陥 (SF)

SiC 基底面の積層順序の欠陥。積層欠陥は、基板内の SF を継承することによってエピタキシャル層に現れることもあれば、基底面転位 (BPD) や貫通らせん転位 (TSD) の伸長や変形に関連することもあります。一般に、SFの密度は1 cm-2未満であり、図4eに示すように、PLを使用して検出すると三角形の特徴を示します。ただし、SiC ではショックレー型やフランク型など、さまざまなタイプの積層欠陥が形成される可能性があります。これは、面間の積層エネルギーの乱れが少量であっても、積層順序に大きな不規則性が生じる可能性があるためです。

没落

ダウンフォール欠陥は主に、成長プロセス中に反応チャンバーの上壁と側壁に粒子が落ちることに起因します。これは、反応チャンバーのグラファイト消耗品の定期メンテナンスプロセスを最適化することで最適化できます。

三角欠陥

これは、図 4g に示すように、基底面方向に沿って SiC エピ層の表面まで伸びる 3C-SiC ポリタイプ介在物です。これは、エピタキシャル成長中に SiC エピ層の表面に落下する粒子によって発生する可能性があります。粒子はエピ層に埋め込まれ、成長プロセスを妨げ、その結果、3C-SiC ポリタイプ介在物が形成され、粒子が三角形領域の頂点に位置する鋭角の三角形の表面特徴を示します。多くの研究では、ポリタイプインクルージョンの原因が表面の傷、マイクロパイプ、および成長プロセスの不適切なパラメーターであると考えられています。

ニンジンの欠損

キャロット欠陥は、TSD および SF の基底結晶面に位置する 2 つの端がフランク型転位で終端された積層欠陥複合体であり、キャロット欠陥のサイズは柱状積層欠陥に関連しています。これらの特徴の組み合わせにより、図 4f に示すように、密度 1 cm-2 未満のニンジン形状のように見えるニンジン欠陥の表面形態が形成されます。キャロット欠陥は、研磨傷、TSD、または基板の欠陥で容易に形成されます。

傷

図 4h に示すように、スクラッチは、製造プロセス中に形成される SiC ウェーハ表面の機械的損傷です。 SiC 基板上の傷はエピ層の成長を妨げたり、エピ層内に高密度の転位の列を生成したり、傷がキャロット欠陥の形成の基礎となる可能性があります。したがって、これらの傷がデバイスのアクティブ領域に現れると、デバイスの性能に重大な影響を与える可能性があるため、SiC ウェーハを適切に研磨することが重要です。

その他の表面形態欠陥

ステップバンチングは、SiC エピタキシャル成長プロセス中に形成される表面欠陥で、SiC エピ層の表面に鈍角三角形または台形の特徴が生じます。表面のくぼみ、隆起、汚れなど、他にも多くの表面欠陥があります。これらの欠陥は通常、最適化されていない成長プロセスや研磨損傷の不完全な除去によって引き起こされ、デバイスの性能に悪影響を及ぼします。