SiC | 外延缺陷

上篇我們聊到了 SiC 外延生長(zhǎng)的工藝，文末提到了其外延層仍然存在著缺陷，前面我們?cè)诹木纬?拋光晶片的制成過(guò)程)時(shí)也聊過(guò)一些晶體缺陷的內(nèi)容，今天我們就來(lái)聊聊外延層缺陷。

外延層缺陷
SiC 外延層形成過(guò)程中會(huì)形成不同的表面缺陷。在 SiC 器件的制造中，最重要的缺陷是被稱(chēng)為"微管"，特征尺寸為 30~40um 的三維微管或者稱(chēng)為"針孔"的缺陷。最常見(jiàn)的微管是尺寸為 0.1~5um 的小洞，其可以滲入外延層，微管密度為 10~103/cm2。大多數(shù)的微管是由聚集在一起的幾個(gè)螺形位錯(cuò)形成的，以上這些導(dǎo)致"微管"常被稱(chēng)為"器件殺手缺陷"，也是 SiC 器件研制過(guò)程的主要缺陷。下面是微管的幾張圖片(來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，較為模糊，請(qǐng)諒解)：

襯底上的微管缺陷是襯底在外延層生長(zhǎng)過(guò)程中形成的其他缺陷的來(lái)源，如空洞、各種多型體的包裹體、孿晶等，所以，高壓、高功率 SiC 器件的襯底材料生長(zhǎng)過(guò)程時(shí)最主要的便是減小體 SiC 晶體微管缺陷的形成，并且阻止其進(jìn)入外延層。

微管我們可以看成一個(gè)個(gè)小坑，通過(guò)工藝的條件優(yōu)化我們可以"填坑"來(lái)減小微管的密度。多項(xiàng)研究文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，蒸發(fā)外延生長(zhǎng)、CVD 生長(zhǎng)以及液相外延生長(zhǎng)都可以填充微管，減小其和位錯(cuò)的形成。

利用蒸發(fā)外延層生長(zhǎng)技術(shù)，可以減小襯底"微管"缺陷向生長(zhǎng)層的延伸，由研究顯示，在 300~600/cm2的襯底上，可以生長(zhǎng)出低于 80/cm2低微管密度的外延材料；同時(shí)化學(xué)氣相外延生長(zhǎng) CVD 技術(shù)同樣能夠進(jìn)行微管的填充，有研究表面可以減小為原來(lái)的 1/5。微管的填充點(diǎn)具有臺(tái)階螺旋結(jié)構(gòu)的小丘，為螺旋生長(zhǎng)為微管進(jìn)行填充的過(guò)程，如下圖：

除了蒸發(fā)外延和 CVD 外延，液相外延也是一種方法。同時(shí)，高溫退火對(duì)于 SiC 晶體中微管的愈合也有一定的效果。

當(dāng)然需要針對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程的相應(yīng)參數(shù)和條件進(jìn)行優(yōu)化(當(dāng)然這并不容易)，才能達(dá)到所期望的結(jié)果。

襯底表面預(yù)處理
上面我們聊了 SiC 器件研制過(guò)程中對(duì)外延層影響較為重要的"微管"缺陷，下面我們?cè)趤?lái)聊聊整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié) -- 外延生長(zhǎng)前對(duì)襯底表面的預(yù)處理，對(duì)于改善襯底結(jié)果特性具有重要意義，俗話說(shuō)"磨刀不誤砍柴工"。

我們知道，在將晶體切割成晶片時(shí)，進(jìn)一步的研磨和拋光會(huì)產(chǎn)生損傷層、應(yīng)力、劃痕、吸收層、雜質(zhì)顆粒并堆積在襯底表面。表面損傷會(huì)影響整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中的晶向產(chǎn)生缺陷。對(duì)襯底表面進(jìn)行化學(xué)處理可以去除哪些引起位錯(cuò)的殘留物，所以預(yù)先的處理是非常有必要的。常規(guī)的 SiC 襯底表面預(yù)處理工藝有：濕法化學(xué)刻蝕、蒸發(fā)刻蝕、氧化、等離子刻蝕和預(yù)生長(zhǎng)原位 H2 刻蝕。

干法刻蝕是半導(dǎo)體表面處理和成形一種較為標(biāo)準(zhǔn)的方法，SiC 表面的機(jī)械處理將產(chǎn)生較厚的損傷層，等離子體刻蝕約在 8um 之后會(huì)開(kāi)始改善 SiC 的表面質(zhì)量。這個(gè)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)"小平面"的微結(jié)構(gòu)，襯底中也可以看到類(lèi)似微管的缺陷。

通過(guò)氧化也可以改善機(jī)械處理后的襯底表面，一般為了去除多余的材料需要進(jìn)行多次氧化，并進(jìn)行 10%的氫氟酸(HF)刻蝕。有一種較為先進(jìn)的是在襯底加熱到生長(zhǎng)溫度時(shí)，直接去掉爐中的氧化層，但不會(huì)獲得具有低粗糙度表面的 SiC 襯底。

CVD 反應(yīng)器的溫度處于正常生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行氫刻蝕也能夠很好地改善 SiC 襯底的表面，能夠有效地去除襯底劃痕、顆粒以及大大降低微管密度。我們可以通過(guò)下圖明顯地看出：

氫刻蝕能夠改善 CVD 外延層的質(zhì)量，SiC 晶體的質(zhì)量也可以通過(guò)生長(zhǎng)之前的氫刻蝕得到改善。目前，氫刻蝕改善的 CVD 外延在 SiC 高壓高功率器件的研制中具有比較好的地位。

SiC 異與 Si 的特性，使得其在很多方面(設(shè)備、工藝等)還需要不停地摸索和改進(jìn)，這也是限制 SiC"爆發(fā)"的一個(gè)重要因素。