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                SiC生長(cháng)過(guò)程及各步驟造成的缺陷

                發(fā)布時(shí)間:2023-12-19
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                眾所周知,提高 SiC 晶圓質(zhì)量對制造商來(lái)說(shuō)非常重要,因為它直接決定了 SiC 器件的性能,從而決定了生產(chǎn)成本。然而,具有低缺陷密度的 SiC 晶圓的生長(cháng)仍然非常具有挑戰性。

                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(guò)渡,正在向8英寸邁進(jìn)。SiC需要在高溫環(huán)境下生長(cháng),同時(shí)具有高剛性和化學(xué)穩定性,這導致生長(cháng)的SiC晶片中晶體和表面缺陷的密度很高,導致襯底質(zhì)量和隨后制造的外延層質(zhì)量差 .

                SiC 晶片中的缺陷通常分為兩大類(lèi):

                (1) 晶片內的晶體缺陷

                (2) 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(cháng)參數對晶片的質(zhì)量非常關(guān)鍵。生長(cháng)過(guò)程中的晶體缺陷和污染可能會(huì )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,甚至會(huì )反過(guò)來(lái)產(chǎn)生其他缺陷,導致對最終的SiC器件產(chǎn)生不利影響。


                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(lái)源。螺紋位錯 (TSDs) 和螺紋刃位錯 (TEDs) 均沿 [0001] 生長(cháng)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(cháng)過(guò)程中,TSD 從襯底延伸到外延層的擴展 TSD 可能會(huì )轉變?yōu)榛灼矫嫔系钠渌毕莶⒀厣L(cháng)軸傳播。

                有研究表明,在SiC外延生長(cháng)過(guò)程中,TSD 轉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(cháng)過(guò)程中從基底上繼承的BPD轉化而來(lái)。


                ● 基面位錯 (BPD)


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


                BPDs很少出現在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。


                據了解,BPD的密度隨著(zhù)SiC襯底厚度的增加而降低。當使用光致發(fā)光 (PL) 檢查時(shí),BPD 顯示出線(xiàn)形特征。在 SiC 外延生長(cháng)過(guò)程中,擴展的 BPD 可能會(huì )轉變?yōu)?SF 或 TED。


                ● 微管


                在 SiC 中觀(guān)察到的常見(jiàn)位錯是所謂的微管,它是沿 [0001] 生長(cháng)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(guò)繼承襯底中的SFs而出現在外延層內部,或者與擴展BPDs和擴展TSDs的變換有關(guān)。


                通常,SF 的密度低于每平方厘米 1 個(gè),并且通過(guò)使用 PL 檢測顯示出三角形特征,如圖 3e 所示。然而,在 SiC 中可以形成各種類(lèi)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(wú)序可能導致堆疊順序的相當大的不規則性。


                ● 點(diǎn)缺陷


                點(diǎn)缺陷是由單個(gè)晶格點(diǎn)或幾個(gè)晶格點(diǎn)的空位或間隙形成的,它沒(méi)有空間擴展。點(diǎn)缺陷可能發(fā)生在每個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,特別是在離子注入中。然而,它們很難被檢測到,并且點(diǎn)缺陷與其他缺陷的轉換之間的相互關(guān)系也是相當的復雜。


                ● 其他晶體缺陷


                除了上述各小節所述的缺陷外,還存在一些其他類(lèi)型的缺陷。晶界是兩種不同的 SiC 晶體類(lèi)型在相交時(shí)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 晶片內有一個(gè)六邊形空腔,它已被證明是導致高壓 SiC 器件失效的微管缺陷的來(lái)源之一。顆粒夾雜物是由生長(cháng)過(guò)程中下落的顆粒引起的,通過(guò)適當的清潔、仔細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合體,其長(cháng)度表示兩端的TSD和SFs在基底平面上的位置?;讛鄬右訤rank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(guān)類(lèi)似于胡蘿卜的形狀,密度小于每平方厘米1個(gè)。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(chēng)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(cháng)過(guò)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(cháng)過(guò)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,顆粒位于三角形區域的頂點(diǎn)。


                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(cháng)過(guò)程的不當參數。

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