SiC 晶圓制造的發(fā)展已經(jīng)完成了從100毫米（4英寸）到150毫米（6英寸）晶圓的艱難過渡，正在向8英寸邁進(jìn)。SiC 需要在高溫環(huán)境下生長，同時具有高剛性和化學(xué)穩(wěn)定性，這導(dǎo)致生長的 SiC 晶片中晶體和表面缺陷的密度很高，導(dǎo)致襯底質(zhì)量和隨后制造的外延層質(zhì)量差 。

本篇文章主要總結(jié)了 SiC 生長過程及各步驟造成的缺陷。

SiC 晶片中的缺陷通常分為兩大類：

· 晶片內(nèi)的晶體缺陷

· 晶片表面處或附近的表面缺陷

正如我們熟知的那樣，晶體缺陷包括基面位錯 (BPD)、堆垛層錯 (SF)、螺紋刃位錯 (TED)、螺紋位錯 (TSD)、微管和晶界等。

SiC 的外延層生長參數(shù)對晶片的質(zhì)量非常關(guān)鍵。生長過程中的晶體缺陷和污染可能會延伸到外延層和晶圓表面，形成各種表面缺陷，包括胡蘿卜缺陷、多型夾雜物、劃痕等，甚至?xí)催^來產(chǎn)生其他缺陷，導(dǎo)致對最終的 SiC 器件產(chǎn)生不利影響。

SiC晶圓中出現(xiàn)的各種缺陷。（a）碳化硅缺陷的橫截面示意圖和（b）TEDs和TSDs、（c）BPDs、（d）微管、（e）SFs、（f）胡蘿卜缺陷、（g）多型夾雜物、（h）劃痕的圖像

晶體缺陷

● 螺紋刃位錯 (TED) 和螺紋位錯 (TSD)

SiC 中的位錯是電子器件劣化和故障的主要來源。螺紋位錯 (TSDs) 和螺紋刃位錯 (TEDs) 均沿 [0001] 生長軸運行，具有不同的 Burgers 矢量，分別為 <0001> 和 1/3<11-20>。

TSDs 和 TEDs 都可以從襯底延伸到晶片表面，并產(chǎn)生小的坑狀表面特征。通常，TED 的密度約為 8000–10,000 1/cm2，幾乎是 TSD 的 10 倍。

在 SiC 外延生長過程中，TSD 從襯底延伸到外延層的擴(kuò)展 TSD 可能會轉(zhuǎn)變?yōu)榛灼矫嫔系钠渌毕莶⒀厣L軸傳播。

有研究表明，在 SiC 外延生長過程中，TSD 轉(zhuǎn)化為基底平面上的堆垛層錯 (SF) 或胡蘿卜缺陷，而外延層中的 TED 被證明是由外延生長過程中從基底上繼承的 BPD 轉(zhuǎn)化而來。

● 基面位錯 (BPD)

另一種類型的位錯是基面位錯 (BPD)，它位于 SiC 晶體的 [0001] 平面內(nèi)，Burgers 矢量為1/3 11-20 。

BPDs 很少出現(xiàn)在 SiC 晶片的表面。這些通常以 1500 1/cm2 的密度集中在襯底上，而它們在外延層中的密度僅為約 10 1/cm2。

據(jù)了解，BPD的密度隨著SiC襯底厚度的增加而降低。當(dāng)使用光致發(fā)光 (PL) 檢查時，BPD 顯示出線形特征。在 SiC 外延生長過程中，擴(kuò)展的 BPD 可能會轉(zhuǎn)變?yōu)?SF 或 TED。

● 微管

在 SiC 中觀察到的常見位錯是所謂的微管，它是沿 [0001] 生長軸傳播的空心螺紋位錯，具有較大的 Burgers 矢量 <0001> 分量。

微管的直徑范圍從幾分之一微米到幾十微米。微管在 SiC 晶片表面顯示出大的坑狀表面特征。

從微管發(fā)出的螺旋，表現(xiàn)為螺旋位錯。通常，微管的密度約為 0.1–1 1/cm2，并且在商業(yè)晶片中持續(xù)下降。

● 堆垛層錯 (SFs)

堆垛層錯 (SFs) 是 SiC 基底平面中堆垛順序混亂的缺陷。SFs可能通過繼承襯底中的SFs而出現(xiàn)在外延層內(nèi)部，或者與擴(kuò)展BPDs和擴(kuò)展TSDs的變換有關(guān)。

通常，SF 的密度低于每平方厘米 1 個，并且通過使用 PL 檢測顯示出三角形特征。然而，在 SiC 中可以形成各種類型的 SFs，例如 Shockley 型 SFs 和 Frank 型 SFs 等，因為晶面之間只要有少量的堆疊能量無序可能導(dǎo)致堆疊順序的相當(dāng)大的不規(guī)則性。

● 點缺陷

點缺陷是由單個晶格點或幾個晶格點的空位或間隙形成的，它沒有空間擴(kuò)展。點缺陷可能發(fā)生在每個生產(chǎn)過程中，特別是在離子注入中。然而，它們很難被檢測到，并且點缺陷與其他缺陷的轉(zhuǎn)換之間的相互關(guān)系也是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。

● 其他晶體缺陷

除了上述各小節(jié)所述的缺陷外，還存在一些其他類型的缺陷。晶界是兩種不同的 SiC 晶體類型在相交時晶格失配引起的明顯邊界。六邊形空洞是一種晶體缺陷，在 SiC 晶片內(nèi)有一個六邊形空腔，它已被證明是導(dǎo)致高壓 SiC 器件失效的微管缺陷的來源之一。顆粒夾雜物是由生長過程中下落的顆粒引起的，通過適當(dāng)?shù)那鍧?、仔?xì)的泵送操作和氣流程序的控制，它們的密度可以大大降低。

表面缺陷

● 胡蘿卜缺陷

通常，表面缺陷是由擴(kuò)展的晶體缺陷和污染形成的。胡蘿卜缺陷是一種堆垛層錯復(fù)合體，其長度表示兩端的 TSD 和 SFs 在基底平面上的位置?；讛鄬右?Frank 部分位錯終止，胡蘿卜缺陷的大小與棱柱形層錯有關(guān)。這些特征的組合形成了胡蘿卜缺陷的表面形貌，其外觀類似于胡蘿卜的形狀，密度小于每平方厘米 1 個。胡蘿卜缺陷很容易在拋光劃痕、TSD 或基材缺陷處形成。

● 多型夾雜物

多型夾雜物，通常稱為三角形缺陷，是一種 3C-SiC 多型夾雜物，沿基底平面方向延伸至SiC外延層表面。

它可能是由外延生長過程中 SiC 外延層表面上的下墜顆粒產(chǎn)生的。顆粒嵌入外延層并干擾生長過程，產(chǎn)生了 3C-SiC 多型夾雜物，該夾雜物顯示出銳角三角形表面特征，顆粒位于三角形區(qū)域的頂點。

許多研究還將多型夾雜物的起源歸因于表面劃痕、微管和生長過程的不當(dāng)參數(shù)。

● 劃痕

劃痕是在生產(chǎn)過程中形成的 SiC 晶片表面的機(jī)械損傷。裸 SiC 襯底上的劃痕可能會干擾外延層的生長，在外延層內(nèi)產(chǎn)生一排高密度位錯，稱為劃痕，或者劃痕可能成為胡蘿卜缺陷形成的基礎(chǔ)。因此，正確拋光 SiC 晶圓至關(guān)重要，因為當(dāng)這些劃痕出現(xiàn)在器件的有源區(qū)時，會對器件性能產(chǎn)生重大影響。

● 其他表面缺陷

臺階聚束是 SiC 外延生長過程中形成的表面缺陷，在 SiC 外延層表面產(chǎn)生鈍角三角形或梯形特征。還有許多其他的表面缺陷，如表面凹坑、凹凸和污點。這些缺陷通常是由未優(yōu)化的生長工藝和不完全去除拋光損傷造成的，從而對器件性能造成重大不利影響。