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SiC | 外延缺陷

2020/01/20
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上篇我們聊到了 SiC 外延生長的工藝,文末提到了其外延層仍然存在著缺陷,前面我們在聊晶片形成(拋光晶片的制成過程)時也聊過一些晶體缺陷的內容,今天我們就來聊聊外延層缺陷。

外延層缺陷
SiC 外延層形成過程中會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為"微管",特征尺寸為 30~40um 的三維微管或者稱為"針孔"的缺陷。最常見的微管是尺寸為 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螺形位錯形成的,以上這些導致"微管"常被稱為"器件殺手缺陷",也是 SiC 器件研制過程的主要缺陷。下面是微管的幾張圖片(來源網(wǎng)絡,較為模糊,請諒解):

襯底上的微管缺陷是襯底在外延層生長過程中形成的其他缺陷的來源,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過程時最主要的便是減小體 SiC 晶體微管缺陷的形成,并且阻止其進入外延層。

微管我們可以看成一個個小坑,通過工藝的條件優(yōu)化我們可以"填坑"來減小微管的密度。多項研究文獻和實驗數(shù)據(jù)顯示,蒸發(fā)外延生長、CVD 生長以及液相外延生長都可以填充微管,減小其和位錯的形成。

利用蒸發(fā)外延層生長技術,可以減小襯底"微管"缺陷向生長層的延伸,由研究顯示,在 300~600/cm2的襯底上,可以生長出低于 80/cm2低微管密度的外延材料;同時化學氣相外延生長 CVD 技術同樣能夠進行微管的填充,有研究表面可以減小為原來的 1/5。微管的填充點具有臺階螺旋結構的小丘,為螺旋生長為微管進行填充的過程,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,高溫退火對于 SiC 晶體中微管的愈合也有一定的效果。

當然需要針對生長過程的相應參數(shù)和條件進行優(yōu)化(當然這并不容易),才能達到所期望的結果。

襯底表面預處理
上面我們聊了 SiC 器件研制過程中對外延層影響較為重要的"微管"缺陷,下面我們在來聊聊整個生長過程中比較重要的一個環(huán)節(jié) -- 外延生長前對襯底表面的預處理,對于改善襯底結果特性具有重要意義,俗話說"磨刀不誤砍柴工"。

我們知道,在將晶體切割成晶片時,進一步的研磨和拋光會產生損傷層、應力、劃痕、吸收層、雜質顆粒并堆積在襯底表面。表面損傷會影響整個生長過程中的晶向產生缺陷。對襯底表面進行化學處理可以去除哪些引起位錯的殘留物,所以預先的處理是非常有必要的。常規(guī)的 SiC 襯底表面預處理工藝有:濕法化學刻蝕、蒸發(fā)刻蝕、氧化、等離子刻蝕和預生長原位 H2 刻蝕。

干法刻蝕是半導體表面處理和成形一種較為標準的方法,SiC 表面的機械處理將產生較厚的損傷層,等離子體刻蝕約在 8um 之后會開始改善 SiC 的表面質量。這個過程中也會出現(xiàn)"小平面"的微結構,襯底中也可以看到類似微管的缺陷。

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

CVD 反應器的溫度處于正常生長溫度范圍內進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。我們可以通過下圖明顯地看出:

氫刻蝕能夠改善 CVD 外延層的質量,SiC 晶體的質量也可以通過生長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(設備、工藝等)還需要不停地摸索和改進,這也是限制 SiC"爆發(fā)"的一個重要因素。

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公眾號“功率半導體那些事兒”主筆,熱衷于功率半導體行業(yè),并且從事相關工作,喜歡關于相關行業(yè)的各種信息,知識和應用。珍惜時光,自由在高處。