和Si晶體拉晶工藝類(lèi)似，PVT法制備SiC單晶和切片形成晶圓過(guò)程中也會(huì)引入多種缺陷。這些缺陷主要包括：表面缺陷；引入深能級(jí)的點(diǎn)缺陷；位錯(cuò)；堆垛層錯(cuò)；以及碳包裹體和六方空洞等。其中和和Si晶體拉晶工藝不同的是，SiC容易形成多型體，所以也存在一種多型共生缺陷。其中表面缺陷主要有：劃傷，劃痕，亞表面損傷，微型裂痕等，目前多用強(qiáng)光燈下目檢來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，碳包裹體和六方空洞也可以目檢實(shí)現(xiàn)，這里不多做介紹。以下主要介紹多型共生缺陷；點(diǎn)缺陷；位錯(cuò)；堆垛層錯(cuò)。

多型共生缺陷

多型共生缺陷是PVT法生長(zhǎng)碳化硅晶體特有的一類(lèi)結(jié)晶缺陷，它形成的根本原因是碳化硅晶體的各類(lèi)多型體有著良好的結(jié)晶學(xué)相容性和相近的形成自由能。它可以來(lái)自籽晶本身的多型共生缺陷，從而復(fù)制到拉晶制備的碳化硅晶體中。但是即使對(duì)于不存在多型共生缺陷的籽晶，如果拉晶工藝條件沒(méi)有控制好，也會(huì)引入到碳化硅晶體中。比如溫度場(chǎng)的異常波動(dòng)，就可以改變<0001>晶向上Si-C雙原子層的堆垛順序，從而導(dǎo)致晶型的改變。晶型的轉(zhuǎn)變不但會(huì)嚴(yán)重破壞碳化硅晶體的結(jié)晶完整性，改變材料的電學(xué)特性，也會(huì)誘發(fā)與衍生其他類(lèi)型的缺陷，比如微管缺陷 。生產(chǎn)過(guò)程中，如何監(jiān)測(cè)并消除多型共生缺陷，是PVT法碳化硅晶體生長(zhǎng)研究的一個(gè)重要任務(wù)。目前多型共生缺陷最主要的檢測(cè)手段是XRD，結(jié)晶質(zhì)量用XRD搖擺曲線的半高寬(FWHM)表示，工業(yè)級(jí)4H-SiC的FWHM應(yīng)滿足<30arcsec。

此外，拉曼散射光譜法也是測(cè)試多型共生缺陷的重要手段。我們以488nm激光作為激光源，收集到了不同晶型的拉曼散射光譜，以TO（橫向光學(xué)模）為例參看圖1 ，3C-SiC晶型的光譜位移峰在796cm^-1^位置，4H-SiC晶型的光譜位移峰在 776cm^-1^位置, 6H-SiC晶型的光譜位移峰在 767cm^-1^和789cm^-1^位置。通過(guò)對(duì)比位移峰的強(qiáng)度，也可以用來(lái)表征多型共生缺陷。

圖1. 不同晶型SiC的拉曼散射位移峰

點(diǎn)缺陷

在所有的半導(dǎo)體材料中都存在點(diǎn)缺陷 ，它們一般都會(huì)在禁帶中引入深能級(jí)，形成載流子的“陷阱”、“復(fù)合中心”，嚴(yán)重影響后續(xù)的半導(dǎo)體器件性能。

物理氣相傳輸法制備SiC晶錠過(guò)程中，不可避免地會(huì)大量的引入雜質(zhì)元素。比如來(lái)自于SiC粉末、坩堝設(shè)備，常見(jiàn)的元素有Ti, V, Cr, Fe, Co等。它們會(huì)在禁帶中產(chǎn)生深能級(jí)，圖2是在4H-SiC中這些元素的深能級(jí)位置 。除了這些雜質(zhì)元素引起的點(diǎn)缺陷以外，和硅晶體類(lèi)似SiC單晶中也存在空位、間隙原子等不完美的晶體缺陷。這些空位或者間隙原子也會(huì)在禁帶中形成深能級(jí)，其中對(duì)器件性能影響最大的深能級(jí)有Z1/2, EH6/7。如圖3所示Z1/2深能級(jí)在導(dǎo)帶下0.6ev處，EH6/7深能級(jí)在導(dǎo)帶下1.6ev處。目前的研究認(rèn)為這兩種深能級(jí)和碳空位的相關(guān)性更強(qiáng)。如何優(yōu)化拉晶工藝來(lái)減少點(diǎn)缺陷的報(bào)道目前還較少。

圖2. 4H-SiC中金屬雜質(zhì)深能級(jí)位置

圖3. 4H-SiC中主要深能級(jí)的位置

由于深能級(jí)會(huì)形成有效復(fù)合中心，特別是對(duì)雙極性器件性能有著巨大影響，所以深能級(jí)的監(jiān)控和表征也是十分必要。目前常用的表征防范是深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）技術(shù)。因?yàn)镾iC的禁帶寬度達(dá)到了3.2ev，必須在寬溫度范圍內(nèi)（10-750K）下采集瞬態(tài)曲線來(lái)監(jiān)控深能級(jí)。一般通過(guò)電加熱和液氮制冷來(lái)達(dá)到此溫度范圍，目前常見(jiàn)的設(shè)備廠家如SEMILAB 。下圖為SEMILAB的DLTS設(shè)備在客戶端的測(cè)試曲線。

圖4. SEMILAB DLTS 設(shè)備在客戶端實(shí)際測(cè)試曲線

位錯(cuò)

SiC晶圓中位錯(cuò)缺陷主要包括：微管缺陷(Micropipes)；螺型位錯(cuò)(TSD)；刃型位錯(cuò)(TED)；基矢面位錯(cuò)(BPD)。

在PVT法制備工藝中，螺型位錯(cuò)(TSD)一般是沿著<0001>晶向傳播，即晶體的垂直c軸方向，參考圖5。它的來(lái)源主要來(lái)自于籽晶，如果能夠得到零位錯(cuò)的籽晶，并在穩(wěn)定條件下生長(zhǎng)就可以極大地減少螺型位錯(cuò)。

微管缺陷(Micropipes)可以被看做特殊的螺型位錯(cuò)。當(dāng)螺型位錯(cuò)Burgers矢量非常大時(shí)，位錯(cuò)核心周邊的應(yīng)變場(chǎng)也會(huì)很高，通過(guò)化學(xué)鍵的斷裂形成微觀針孔，直徑為幾微米左右。微管缺陷一般會(huì)沿著<0001>晶向貫穿整個(gè)晶圓，對(duì)器件性能損害極大，要在生長(zhǎng)過(guò)程中消除。和螺型位錯(cuò)一樣，可以使用零微管的籽晶，并在穩(wěn)定條件下生長(zhǎng)就可以極大的減少微管缺陷。

圖5. 螺型位錯(cuò)(TSD)形成示意圖

SiC晶體中，刃型位錯(cuò)(TED)和基矢面位錯(cuò)(BPD)具有相同的Burgers矢量，<11-20>/3。如圖6所示，在晶體中引入一層半原子面，這種情況下一個(gè)有著B(niǎo)urgers矢量為<11-20>/3的位錯(cuò)將會(huì)出現(xiàn)。位于基矢面內(nèi)的位錯(cuò)（AB線段）定義為一個(gè)“BPD”;沿著<0001>晶向的位錯(cuò)（BC線段）定義為一個(gè)“TED”。籽晶中的TED和BPD都會(huì)復(fù)制到晶圓中，所以利用零位錯(cuò)的籽晶進(jìn)行拉晶生長(zhǎng)是減少位錯(cuò)的關(guān)鍵工藝。

圖6. 刃型位錯(cuò)(TED)和基矢面位錯(cuò)(BPD)形成示意圖

監(jiān)控位錯(cuò)最傳統(tǒng)和成熟的手段是化學(xué)腐蝕+光學(xué)顯微鏡/掃描電鏡SEM。SiC是非常惰性的材料，但是可以在450-600℃下用熔融的KOH, NaOH, Na2O2進(jìn)行刻蝕。SiC表面的氧化物會(huì)在刻蝕過(guò)程中被去除。因?yàn)槲诲e(cuò)處和沒(méi)有位錯(cuò)處應(yīng)力不同，所以刻蝕速率也不同，會(huì)產(chǎn)生誘生位錯(cuò)腐蝕坑。如圖7所示，最大六邊形坑而且中間為一個(gè)空洞的是微管缺陷；較小六邊形坑中間有一個(gè)黑點(diǎn)的為T(mén)SD；邊長(zhǎng)不規(guī)則圖像對(duì)比度差的為BPD。圖8所示為化學(xué)腐蝕后的顯微鏡視野圖，和SEM類(lèi)似，其中最大六角形坑對(duì)應(yīng)著TSD; 較小六角形坑對(duì)應(yīng)著TED; 邊長(zhǎng)模糊的稻殼型對(duì)應(yīng)著B(niǎo)PD。

圖7. 化學(xué)腐蝕后SEM圖

圖8. 化學(xué)腐蝕后光學(xué)顯微鏡圖

堆垛層錯(cuò)

對(duì)于碳化硅晶體來(lái)說(shuō)，堆垛層錯(cuò)（SF）是指沿著長(zhǎng)晶的c軸方向，硅碳雙原子層之間的堆接次序發(fā)生了錯(cuò)排。4H-SiC的堆垛層錯(cuò)能約為14mJ/m^2^，所以在PVT的高溫工藝中很難避免。堆垛層錯(cuò)是碳化硅晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)外長(zhǎng)變化的一個(gè)響應(yīng)，或者是釋放晶體中形成其他類(lèi)型結(jié)晶缺陷而在相鄰區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)變能的一個(gè)途徑。也可以使用化學(xué)腐蝕+光學(xué)顯微鏡的辦法監(jiān)測(cè)堆垛層錯(cuò)缺陷。SF與表面相交時(shí)，通過(guò)刻蝕工藝后會(huì)形成凹槽，見(jiàn)圖9中Intersection Line(SF)白色箭頭位置。同時(shí)在凹槽一端會(huì)形成部分位錯(cuò)的橢圓形腐蝕坑。

圖9. 化學(xué)腐蝕后SF與表面相交形成凹槽的光學(xué)顯微鏡圖

來(lái)源：瑟米萊伯

審核編輯：湯梓紅