碳化硅缺陷分类与原因

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一、碳化硅晶体材料中的缺陷到底是什么？

碳化硅晶体材料中的缺陷是指在晶体生长、加工或使用过程中出现的不完美结构。

这些缺陷可能表现为晶体内部的裂纹、表面的凹坑、原子排列的错误等。

虽然缺陷看起来微不足道，但它们却可能对晶体的电学、热学和机械性能产生重大影响。

例如：

• 电学性能：缺陷会引入额外的电荷陷阱，影响载流子的迁移率和寿命，从而降低器件的开关速度和功率效率。
• 热学性能：缺陷会导致热导率降低，影响器件的散热性能。
• 机械性能：缺陷会降低晶体的强度和韧性，影响器件的可靠性。

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二、缺陷是如何分类的？

根据国家标准，碳化硅晶体材料的缺陷主要分为四大类：

晶锭缺陷、衬底缺陷、外延缺陷和工艺缺陷。

接下来，我们将逐一介绍每一类缺陷的典型特征及其产生原因。

（一）晶锭缺陷

晶锭是碳化硅晶体生长的初始阶段，其质量直接影响后续加工和器件性能。晶锭缺陷主要包括以下几种：

1. 1. 裂纹

   • 特征：晶体内部有贯穿型或部分穿透的裂纹，严重时晶体可能碎裂成块。

   • 产生原因：在晶体生长、退火或加工过程中，热应力过大或机械应力超过晶体耐受阈值，导致晶体开裂。

     

2. 2. 杂晶

   • 特征：晶体内部形成的多晶嵌入式生长，与单晶之间存在明显衬度界线。

   • 产生原因：生长过程中包裹物或生长条件剧烈波动，导致多晶成核长大。

     

3. 3. 边缘多晶

   • 特征：多晶附着在晶体边缘，与内部单晶之间存在明显交界线。

   • 产生原因：温度场分布不合理导致籽晶边缘升华，或生长初期籽晶处径向温度梯度过小。

     

4. 4. 多型

   • 特征：晶体中出现6H、15R或3C等异晶型，颜色与4H晶型存在明显差异。

   • 产生原因：偏离4H-SiC生长窗口，或生长表面污染物导致异晶型成核生长。

     

5. 5. 微管

6. • 特征：微米级直径的物理孔洞，终端延伸至晶体表面，形成小凹坑。

   • 产生原因：多型、碳包裹体、硅滴等因素导致局部应变和晶格畸变。

     

（二）衬底缺陷

衬底是外延生长的基础，其质量至关重要。衬底缺陷主要包括以下几种：

1. 1. 多晶

   • 特征：多晶与单晶之间存在明显衬度界线。

   • 产生原因：温度场分布不合理或生长条件剧烈波动。

     

2. 2. 多型

   • 特征：晶体中出现6H、15R或3C等异晶型，颜色与4H晶型存在明显差异。

   • 产生原因：偏离4H-SiC生长窗口，或生长表面污染物导致异晶型成核生长。

     

1. 3. 硅滴包裹体

   • 特征：液滴形貌的硅组份夹杂。

   • 产生原因：生长过程中硅组分分压过高，形成Si单质颗粒被后续生长的单晶包裹。

     

2. 4. 碳包裹体

   • 特征：由碳元素组成的固相原子团簇或小颗粒体。

   • 产生原因：多晶原料非化学计量比升华或石墨部件腐蚀形成碳颗粒。

     

3. 5. 六方空洞

   

   • 特征：六边形的空腔结构。

   • 产生原因：籽晶粘接不良导致籽晶背部负生长。

     

4. 6. 层错

   • 特征：晶面堆叠顺序的错误，分为Shockley型和Frank型。

   • 产生原因：机械应力、温度分布不均匀或制备籽晶过程中遗留在其表面上的残余划痕。

     

5. 7. 穿透螺位错

   • 特征：蚀坑呈六边形。

   • 产生原因：籽晶中的TSD遗传至单晶衬底中，或生长过程中引入内应力及应变。

     

6. 8. 穿透刃位错

   • 特征：蚀坑呈近圆形。

   • 产生原因：籽晶中的TED遗传至单晶衬底中，或生长过程中引入内应力及应变。

     

7. 9. 基平面位错

   • 特征：蚀坑呈贝壳状。

   • 产生原因：籽晶中的BPD遗传至单晶衬底中，或生长过程中引入热应力和杂质。

     

（三）外延缺陷

外延生长是在衬底上形成高质量晶体薄膜的关键步骤。

外延缺陷主要包括以下几种：

1. 1. 掉落颗粒物缺陷

   • 特征：孤立出现的大型点状形貌，或以点状颗粒物为头部并伴随出现三角形形貌。

   • 产生原因：反应室内颗粒物掉落在衬底或外延层表面。

     

1. 2. 三角形缺陷

   • 特征：从基晶面内延伸到外延层表面的三角形图案。

   • 产生原因：掉落颗粒物、乳凸、划痕或TSD影响原子台阶流动。

     

     

1. 3. 彗星缺陷

   • 特征：明场表面图像和PL图像中呈现彗星状图案。

   • 产生原因：外来物影响原子台阶流动，在富硅的外延工艺条件下形成。

     

1. 4. 胡萝卜缺陷

2. • 特征：明场表面图像上呈胡萝卜状图案，PL图像上呈线型图案。

   • 产生原因：衬底中的TSD和表面划痕引起。

     

1. 5. 凹坑

   • 特征：小凹陷或小坑状的形貌。

   • 产生原因：衬底中的凹坑、TSD和TED贯穿到外延层。

     

1. 6. 梯形缺陷

   • 特征：明场表面图像上呈梯形状。

   • 产生原因：BPD、TED、TSD和划痕周围的位错环影响原子台阶流动。

     

1. 7. 台阶聚集

   • 特征：多个原子台阶汇聚在一起形成的平行线簇。

   • 产生原因：衬底结晶缺陷或划痕阻碍原子流动。

     

1. 8. 外延凸起

   • 特征：晶片边缘高度凸起。

   • 产生原因：晶片边缘应力引起三角形缺陷团簇。

     

2. 9. 乳凸

   • 特征：表面呈现为凸点或凸起状。

   • 产生原因：小尺寸颗粒在外延生长前阶段掉落在晶片表面。

     

1. 10. 微管

   

   • 特征：明场表面图像中呈凹坑状，PL图像中呈螺旋纹图案。

   • 产生原因：衬底MP贯穿到外延层。

     

（四）工艺缺陷

在器件制造或材料改性工艺过程中，可能会引入一些深能级中心或非本征结晶缺陷。工艺缺陷主要包括以下几种：

1. 1. 氧化缺陷

   • 特征：高温氧化过程中形成的深能级中心或层错。

   • 产生原因：硅和碳原子相分离，形成硅团簇和碳团簇，导致界面碳团簇的形成和位错迁移。

     

2. 2. 电应力诱导三角形层错

   • 特征：PL图像和EL图像中呈现三角形图案。

   • 产生原因：衬底中的BPD在电子空穴复合驱动下分解为两个不全位错并滑移扩展。

     

3. 3. 电应力诱导条形层错
   • 特征：PL图像和EL图像中呈现条形图案。
   • 产生原因：外延层/衬底界面由BPD转化而形成的TED诱导条形层错扩展。
4. 4. 干法刻蚀缺陷

   • 特征：刻蚀工艺在4H-SiC外延层表面和侧壁产生不可逆的结晶缺陷。

   • 产生原因：刻蚀工艺在表面和侧壁产生点缺陷或位错环，诱发层错及其扩展。