อะไรคือข้อบกพร่องของชั้นเยื่อบุผิวซิลิกอนคาร์ไบด์

เทคโนโลยีหลักสำหรับการเจริญเติบโตของSiC เอพิแทกเซียลวัสดุเป็นเทคโนโลยีการควบคุมข้อบกพร่องประการแรก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเทคโนโลยีควบคุมข้อบกพร่องที่มีแนวโน้มที่จะทำให้อุปกรณ์ทำงานล้มเหลวหรือเสื่อมความน่าเชื่อถือ การศึกษากลไกของข้อบกพร่องของสารตั้งต้นที่ขยายไปสู่ชั้น epitaxis ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของ epitaxis กฎการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องที่รอยต่อระหว่างสารตั้งต้นและชั้น epitaxis และกลไกการเกิดนิวเคลียสของข้อบกพร่องเป็นพื้นฐานสำหรับการชี้แจงความสัมพันธ์ระหว่าง ข้อบกพร่องของสารตั้งต้นและข้อบกพร่องทางโครงสร้าง epitax ซึ่งสามารถแนะนำการคัดกรองสารตั้งต้นและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ epitax ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อบกพร่องของชั้น epitaxis ของซิลิคอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่จะแบ่งออกเป็นสองประเภท: ข้อบกพร่องของคริสตัลและข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิว ข้อบกพร่องของคริสตัล รวมถึงข้อบกพร่องแบบจุด การเคลื่อนของสกรู ข้อบกพร่องของไมโครทิวบูล การเคลื่อนของขอบ ฯลฯ ส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดมาจากข้อบกพร่องบนพื้นผิว SiC และแพร่กระจายไปยังชั้นเอพิแทกเซียล ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวสามารถสังเกตได้โดยตรงด้วยตาเปล่าโดยใช้กล้องจุลทรรศน์และมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาทั่วไป ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวส่วนใหญ่ประกอบด้วย: รอยขีดข่วน ข้อบกพร่องสามเหลี่ยม ข้อบกพร่องแครอท การตกต่ำ และอนุภาค ดังแสดงในรูปที่ 4 ในระหว่างกระบวนการเอพิแอกเซียล อนุภาคแปลกปลอม ข้อบกพร่องของซับสเตรต ความเสียหายที่พื้นผิว และการเบี่ยงเบนของกระบวนการเอพิแอกเซียล ทั้งหมดอาจส่งผลต่อการไหลของขั้นตอนเฉพาะที่ โหมดการเจริญเติบโต ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิว

ตารางที่ 1 สาเหตุของการก่อตัวของข้อบกพร่องเมทริกซ์ทั่วไปและข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวในชั้น epitaxis ของ SiC

 

จุดบกพร่อง

จุดบกพร่องนั้นเกิดจากตำแหน่งว่างหรือช่องว่างที่จุดขัดแตะจุดเดียวหรือหลายจุด และจุดบกพร่องเหล่านี้ไม่มีส่วนขยายเชิงพื้นที่ จุดบกพร่องอาจเกิดขึ้นได้ในทุกกระบวนการผลิต โดยเฉพาะในการฝังไอออน อย่างไรก็ตาม ตรวจพบได้ยาก และความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของจุดบกพร่องและข้อบกพร่องอื่นๆ ก็ค่อนข้างซับซ้อนเช่นกัน

 

ท่อไมโครไพพ์ (MP)

ไมโครไพพ์คือการเคลื่อนของสกรูกลวงที่แพร่กระจายไปตามแกนการเติบโต โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์ <0001> เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อไมโครมีตั้งแต่เศษส่วนของไมครอนไปจนถึงหลายสิบไมครอน Microtubes แสดงลักษณะพื้นผิวคล้ายหลุมขนาดใหญ่บนพื้นผิวของเวเฟอร์ SiC โดยทั่วไปแล้ว ความหนาแน่นของไมโครทิวบ์จะอยู่ที่ประมาณ 0.1~1 ซม.-2 และยังคงลดลงอย่างต่อเนื่องในการตรวจสอบคุณภาพการผลิตเวเฟอร์เชิงพาณิชย์

 

การเคลื่อนตัวของสกรู (TSD) และการเคลื่อนตัวของขอบ (TED)

ความคลาดเคลื่อนใน SiC เป็นสาเหตุหลักของความเสื่อมและความล้มเหลวของอุปกรณ์ ทั้งการเคลื่อนที่ของสกรู (TSD) และการเคลื่อนที่ของขอบ (TED) วิ่งไปตามแกนการเติบโต โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์ <0001> และ 1/3 <11–20> ตามลำดับ

การเคลื่อนของสกรู (TSD) และการเคลื่อนของขอบ (TED) สามารถขยายจากพื้นผิวไปยังพื้นผิวเวเฟอร์ และทำให้เกิดลักษณะพื้นผิวคล้ายหลุมขนาดเล็ก (รูปที่ 4b) โดยทั่วไป ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ของขอบจะอยู่ที่ประมาณ 10 เท่าของการเคลื่อนที่ของสกรู การเคลื่อนตัวของสกรูแบบขยาย กล่าวคือ ขยายจากสารตั้งต้นไปยังชั้นกำจัดขน อาจเปลี่ยนเป็นข้อบกพร่องอื่นๆ และแพร่กระจายไปตามแกนการเจริญเติบโต ในระหว่างSiC เอพิแทกเซียลการเจริญเติบโต การเคลื่อนของสกรูจะถูกแปลงเป็นความผิดพลาดในการซ้อน (SF) หรือข้อบกพร่องของแครอท ในขณะที่การเคลื่อนของขอบในชั้น epilayers แสดงให้เห็นว่าถูกแปลงจากการเคลื่อนที่ของระนาบฐาน (BPD) ที่สืบทอดมาจากสารตั้งต้นในระหว่างการเจริญเติบโตของ epitaxis

 

ความคลาดเคลื่อนของเครื่องบินขั้นพื้นฐาน (BPD)

ตั้งอยู่บนระนาบฐาน SiC โดยมีเวกเตอร์เบอร์เกอร์เท่ากับ 1/3 <11–20> BPD ไม่ค่อยปรากฏบนพื้นผิวของเวเฟอร์ SiC โดยปกติแล้วจะมุ่งความสนใจไปที่สารตั้งต้นที่มีความหนาแน่น 1,500 ซม.-2 ในขณะที่ความหนาแน่นในชั้นหนังกำพร้าอยู่ที่ประมาณ 10 ซม.-2 เท่านั้น การตรวจจับ BPD โดยใช้โฟโตลูมิเนสเซนซ์ (PL) แสดงคุณสมบัติเชิงเส้น ดังแสดงในรูปที่ 4c ในระหว่างSiC เอพิแทกเซียลการเจริญเติบโต BPD ที่ขยายออกไปอาจถูกแปลงเป็นความผิดพลาดในการซ้อน (SF) หรือการเคลื่อนที่ของขอบ (TED)

 

ข้อผิดพลาดในการซ้อน (SF)

ข้อบกพร่องในลำดับการซ้อนของระนาบฐาน SiC ข้อผิดพลาดในการซ้อนสามารถปรากฏในชั้นอีพิแทกเซียลได้โดยการสืบทอด SF ในซับสเตรต หรือเกี่ยวข้องกับการขยายและการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนที่ของระนาบฐาน (BPD) และการเคลื่อนของสกรูเกลียว (TSD) โดยทั่วไป ความหนาแน่นของ SFs จะน้อยกว่า 1 cm-2 และพวกมันจะแสดงลักษณะสามเหลี่ยมเมื่อตรวจพบโดยใช้ PL ดังแสดงในรูปที่ 4e อย่างไรก็ตาม ข้อผิดพลาดในการซ้อนซ้อนประเภทต่างๆ สามารถเกิดขึ้นได้ใน SiC เช่น ประเภท Shockley และประเภท Frank เนื่องจากแม้แต่ความผิดปกติของพลังงานในการซ้อนระหว่างระนาบเพียงเล็กน้อยก็สามารถนำไปสู่ความผิดปกติอย่างมากในลำดับการซ้อนได้

 

ความหายนะ

ข้อบกพร่องจากการตกต่ำส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดมาจากการลดลงของอนุภาคบนผนังด้านบนและด้านข้างของห้องปฏิกิริยาในระหว่างกระบวนการเติบโต ซึ่งสามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยการปรับกระบวนการบำรุงรักษาเป็นระยะของวัสดุสิ้นเปลืองกราไฟท์ของห้องปฏิกิริยา

 

ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม

มันคือการรวมโพลีไทป์ 3C-SiC ที่ขยายไปยังพื้นผิวของเครื่องกำจัดขน SiC ไปตามทิศทางระนาบฐาน ดังแสดงในรูปที่ 4g อาจเกิดจากอนุภาคที่ตกลงมาบนพื้นผิวของเครื่องกำจัดขน SiC ในระหว่างการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว อนุภาคถูกฝังอยู่ในชั้นหนังกำพร้าและรบกวนกระบวนการเจริญเติบโต ส่งผลให้เกิดการรวมโพลีไทป์ 3C-SiC ซึ่งแสดงลักษณะพื้นผิวสามเหลี่ยมมุมแหลมโดยมีอนุภาคอยู่ที่จุดยอดของบริเวณสามเหลี่ยม การศึกษาจำนวนมากยังได้กล่าวถึงที่มาของการรวมโพลีไทป์เข้ากับรอยขีดข่วนบนพื้นผิว ไมโครไปป์ และพารามิเตอร์ที่ไม่เหมาะสมของกระบวนการเติบโต

 

ข้อบกพร่องของแครอท

ข้อบกพร่องของแครอทเป็นข้อบกพร่องแบบซ้อนซ้อนที่มีปลายทั้งสองข้างอยู่ที่ระนาบคริสตัลฐาน TSD และ SF ซึ่งสิ้นสุดด้วยการเคลื่อนตัวแบบ Frank และขนาดของข้อบกพร่องของแครอทสัมพันธ์กับข้อบกพร่องของการซ้อนแบบแท่งปริซึม การรวมกันของคุณสมบัติเหล่านี้ก่อให้เกิดสัณฐานวิทยาพื้นผิวของข้อบกพร่องของแครอท ซึ่งดูเหมือนรูปร่างแครอทที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า 1 cm-2 ดังแสดงในรูปที่ 4f ข้อบกพร่องของแครอทเกิดขึ้นได้ง่ายจากการขัดรอยขีดข่วน TSD หรือข้อบกพร่องของวัสดุพิมพ์

 

รอยขีดข่วน

รอยขีดข่วนคือความเสียหายทางกลบนพื้นผิวของเวเฟอร์ SiC ที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิต ดังแสดงในรูปที่ 4 ชม. รอยขีดข่วนบนพื้นผิว SiC อาจรบกวนการเจริญเติบโตของเครื่องกำจัดขน ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนที่มีความหนาแน่นสูงภายในเครื่องกำจัดขน หรือรอยขีดข่วนอาจกลายเป็นพื้นฐานสำหรับการก่อตัวของข้อบกพร่องของแครอท ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องขัดเวเฟอร์ SiC อย่างเหมาะสม เนื่องจากรอยขีดข่วนเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เมื่อปรากฏขึ้นในพื้นที่ทำงานของอุปกรณ์

 

ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาพื้นผิวอื่น ๆ

การพันกันเป็นขั้นเป็นข้อบกพร่องที่พื้นผิวที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว SiC ซึ่งทำให้เกิดรูปสามเหลี่ยมป้านหรือลักษณะสี่เหลี่ยมคางหมูบนพื้นผิวของชั้นกำจัดขน SiC มีข้อบกพร่องบนพื้นผิวอื่นๆ อีกมากมาย เช่น หลุมบนพื้นผิว การกระแทก และคราบสกปรก ข้อบกพร่องเหล่านี้มักเกิดจากกระบวนการเติบโตที่ไม่เหมาะสมและการกำจัดความเสียหายจากการขัดเงาที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์