T-CASAS 004.2-2018 4H碳化硅襯底及外延層缺陷圖譜

1、ICS 31.080H 80/84團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CASAS004.220184H碳化硅襯底及外延層缺陷圖譜The Metallographs Collection for Defects in both 4H-SiC Substrates and Epilayers版本：V01.002018-11-20發(fā)布2018-11-20實(shí)施第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布T/CASAS 004.2-2018目錄前言 .III1范圍.12規(guī)范性引用文件 .13術(shù)語和定義 .14 SiC襯底及外延 .14.1 4H碳化硅 .14.2晶型 .24.3物理氣相輸運(yùn)生長 .34.4 4H-SiC襯底 .54.5

2、 4H-SiC同質(zhì)外延及臺(tái)階控制外延生長 .64.6 4H-SiC外延層及外延晶片 .64.7 KOH腐蝕.75缺陷基本術(shù)語及分類 .96 4H-SiC襯底缺陷. 116.1位錯(cuò) . 116.2層錯(cuò) .146.3微管 .176.4碳包裹體 .206.5晶型包裹體 .216.6雙 Shockley型堆垛層錯(cuò).236.7螺位錯(cuò) .246.8刃位錯(cuò) .266.9基晶面位錯(cuò) .276.10小角晶界 .296.11劃痕 .306.12 CMP隱含劃痕.347 4H-SiC外延缺陷.367.1表面形貌缺陷 .367.2掉落顆粒物 .367.3三角形缺陷 .377.4彗星缺陷 .397.5胡蘿卜缺陷 .39

3、7.6直線型缺陷 .407.7小坑缺陷 .427.8梯形缺陷 .447.9臺(tái)階聚集 .467.10外延凸起 .497.11乳凸 .497.12界面位錯(cuò) .49IT/CASAS 004.2-20187.13原生型層錯(cuò) .507.14不全位錯(cuò) .537.15半環(huán)列陣 .557.16點(diǎn)缺陷 .557.17碳空位 .567.18外延層螺位錯(cuò) .567.19外延層刃位錯(cuò) .587.20外延層基晶面位錯(cuò) .588工藝缺陷.608.1高溫退火缺陷 .608.2氧化缺陷 .608.3電應(yīng)力誘導(dǎo)缺陷 .618.4電應(yīng)力誘導(dǎo)三角形層錯(cuò) .628.5電應(yīng)力誘導(dǎo)條形層錯(cuò) .638.6干法刻蝕缺陷 .64IIT/CAS

4、AS 004.2-2018前言由于 4H-SiC缺陷特別是 4H-SiC外延缺陷與常見的其它半導(dǎo)體缺陷形狀、類型、起因因外延生長模式的不同而有所不同或完全不同，而且目前尚未有適用的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，為了規(guī)范 4H-SiC缺陷術(shù)語和定義，特制定本標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CASAS）制定發(fā)布，版權(quán)歸 CASA所有，未經(jīng) CASA許可不得隨意復(fù)制；其他機(jī)構(gòu)采用本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容制定標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng) CASA允許；任何單位或個(gè)人引用本標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容需指明本標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。到本標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布為止，CASAS未收到任何有關(guān)本文件涉及專利的報(bào)告。CASAS不負(fù)責(zé)確認(rèn)本文件的某些內(nèi)容

5、是否還存在涉及專利的可能性。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位：東莞市天域半導(dǎo)體科技有限公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、中國科學(xué)院微電子研究所、株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司、山東天岳晶體材料有限公司、瀚天天成電子科技(廈門)有限公司、山東大學(xué)、臺(tái)州市一能科技有限公司、中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、深圳第三代半導(dǎo)體研究院。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：孫國勝、楊霏、柏松、許恒宇、李誠瞻、高玉強(qiáng)、馮淦、胡小波、張樂年、房玉龍。IIIT/CASAS 004.2-20184H碳化硅襯底及外延層缺陷圖譜1范圍本標(biāo)準(zhǔn)闡述了4H-SiC襯底及外延缺陷的圖譜，其中包括4H-SiC襯底缺陷、外延

6、缺陷以及工藝產(chǎn)生的缺陷。本標(biāo)準(zhǔn)給出了4H碳化硅（4H-SiC）襯底及外延層的主要缺陷、工藝與加工缺陷等方面的形貌特征圖譜，說明了缺陷的特點(diǎn)、性質(zhì)及其對(duì)外延生長或器件特征參數(shù)的影響，分析了產(chǎn)生的原因及消除方法，并進(jìn)行了分類。本標(biāo)準(zhǔn)適用于4H-SiC半導(dǎo)體材料生產(chǎn)、研究中各種缺陷的檢驗(yàn)， 4H-SiC器件的生產(chǎn)、研究也可參考本標(biāo)準(zhǔn)。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 14264半導(dǎo)體材料術(shù)語CASA 004.1 4H碳化硅襯底及外延層缺陷術(shù)語3術(shù)語和定

7、義GB/T 14264、CASA 004.1界定的術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。4 4H-SiC襯底及外延4.1結(jié)構(gòu)由Si原子層和C原子層構(gòu)成的基本Si-C雙原子層作為基本結(jié)構(gòu)層，如圖1圖3所示，以一定序列進(jìn)行堆放，由此形成的晶體稱為碳化硅，分子式為SiC，如圖4所示。圖3是以圖2（b）所示的球體緊密地堆集在一起而形成的一個(gè)C-Si雙原子層，其位置記為A，B和C分別代表兩個(gè)與A不等價(jià)的位置，在此稱為晶位。由C-Si雙原子層作為基本結(jié)構(gòu)層，以“ABCBABCB”序列沿垂直基本結(jié)構(gòu)層的方向（記為C方向）進(jìn)行堆垛，由此形成的SiC晶體稱為4H碳化硅，記為4H-SiC，其中數(shù)字4表示C-Si雙原子層沿C方向

8、的堆垛周期數(shù)，“H”代表六角晶型。由于4H晶型的各向異性較小，且禁帶寬度較大，因此成為功率電子領(lǐng)域最常用的一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料。1T/CASAS 004.2-2018圖1SiC晶體的基本結(jié)構(gòu)單元：Si-C4圖2（a）C、Si原子鍵合；（b）以一個(gè)球體代表一個(gè)鍵合的C、Si雙原子配位的四面體圖3 C-Si雙原子層及其三個(gè)不等價(jià)晶位4.2晶型圖4 6英寸PVT法生長的4H-SiC晶體對(duì)于SiC晶體的基本結(jié)構(gòu)層C-Si雙原子層，以不同序列進(jìn)行堆垛，可形成不同晶型的SiC晶體材料，不同晶型的SiC晶體具有不同的物理性質(zhì)。目前已知的SiC晶型（同素異構(gòu)體）有250多種，其中有三種最常見的晶型，它們分

9、別是3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，如圖5、圖6所示。在這些晶型中，具有立方晶型的3C-SiC只有一種。不同晶型不但具有相同的Si-C雙層密排面及其晶格排列，而且具有相同的化學(xué)和機(jī)械性能。所不同的是不同SiC晶型的某些物理性質(zhì)差異很大。2T/CASAS 004.2-2018圖5 3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的堆垛順序圖6 3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的堆垛順序4.3生長方法物理氣相輸運(yùn)生長是SiC晶體工業(yè)化生產(chǎn)常用方法，又稱為籽晶升華法或改良的 Lely方法。早期SiC晶體生長方法有Acheson方法、Lely方法等，如圖7所示，為了克服Lely方法中存在的問

10、題，1978年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Tairov和Tsvetkov首先提出了通過引入籽晶的升華法來生長SiC單晶，締造了大面積生長SiC晶體生長的先驅(qū)性工作。由于PVT方法是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以又稱為籽晶升華法或改良的Lely方法，如圖8圖13所示。PVT法是SiC晶體生長最常用的方法，該方法利用了SiC沒有液相，將固態(tài)SiC在高溫區(qū)進(jìn)行升華，然后在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶的物理過程。所謂升華是指物質(zhì)從固態(tài)直接變成氣態(tài)的相變過程。對(duì)于SiC二元化合物，在升華過程中發(fā)生了分解，氣相組分不但有氣態(tài)的原子，也會(huì)有不同形式的氣態(tài)化合物。根據(jù)市場(chǎng)需求及SiC晶體生長技術(shù)發(fā)展方向，先后又開發(fā)出H

11、TCVD方法、重復(fù)a面生長（RAF）方法以及液相生長（LPE）方法。利用上述生長方法獲得的4H-SiC晶體如圖14圖16所示。圖7 Lely法生長的6H-SiC晶片圖8 n型PVT法生長的4H-SiC晶體3T/CASAS 004.2-2018圖9 PVT法在 a晶面生長的1英寸圖10 PVT法在m晶面生長的1英寸4H-SiC晶體4H-SiC晶體圖11 PVT法在c晶面生長的1英寸4H-SiC晶體圖12 PVT法生長的8英寸4H-SiC晶體圖13 PVT法生長的8英寸4H-SiC晶體圖14 RAF法生長的1英寸4H-SiC晶體4T/CASAS 004.2-2018圖15 HTCVD晶體（2英寸）

12、4.4襯底通過切、磨、拋工藝，將4H-SiC晶體加工成適合于外延生長的晶片材料，如圖17-20所圖16 HTCVD晶體（3英寸）示。功率器件用4H-SiC襯底是N重?fù)诫s的電阻率為15-28mcm的n型4H-SiC晶片。商業(yè)化+襯底表面含有各種缺陷，這些缺陷會(huì)干擾外延層生長，影響后續(xù)器件性能。圖18 2-4英寸4H-SiC晶片圖17 6英寸RAF 4H-SiC晶片圖19 2-3英寸4H-SiC襯底晶片圖20 PVT法生長的4英寸n型4H-SiC導(dǎo)電襯底5T/CASAS 004.2-20184.5同質(zhì)外延及外延生長4H-SiC同質(zhì)外延生長已成為4H-SiC器件制造不可缺少的關(guān)鍵工藝。常見的外延生長

13、技術(shù)有化學(xué)氣相沉積技術(shù)（ CVD）、液相外延技術(shù)（LPE）和分子束外延技術(shù)（MBE）等，相比之下，CVD具有可以在較高生長速率下獲得高質(zhì)量外延層，可以對(duì)SiC外延層的厚度實(shí)現(xiàn)精確控制，并且能可控實(shí)現(xiàn)SiC原位摻雜等多種優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為業(yè)界SiC外延生長的主流技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用。外延層質(zhì)量不僅取決于CVD生長條件，還取決于襯底質(zhì)量。由于SiC具有多晶型特點(diǎn)，為了能夠控制SiC外延層的晶型，日本京都大學(xué)Matusnami教授研究小組首先提出了臺(tái)階流動(dòng)控制外延生長方法，該方法的本質(zhì)就是使用偏晶向SiC襯底，即SiC表面法線方向朝一固定晶向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，與 0001晶向有一小夾角，通過控制襯底表面上的

14、原子臺(tái)階流動(dòng)，來進(jìn)行SiC外延層的生長。臺(tái)階流動(dòng)控制外延生長與傳統(tǒng)的 CVD外延生長機(jī)理完全不同，該方法不但有效地控制了SiC外延層的晶型，保證與襯底晶型一致，而且也降低了SiC外延生長溫度。對(duì)于目前常用的4英寸（100mm）和6英寸（150mm）偏晶向4H-SiC襯底，偏轉(zhuǎn)角度均為4，偏轉(zhuǎn)方向?yàn)榫?。雖然偏晶向襯底上4H-SiC外延生長能夠降低襯底溫度，提高外延層結(jié)晶質(zhì)量，但是也帶來了不同于正晶向襯底上外延生長的各種類型的外延層表面形貌缺陷，對(duì)功率半導(dǎo)體器件成品率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。4.6外延層及外延晶片在4H-SiC襯底（晶片）上外延生長的4H-SiC單晶薄層，其晶型與襯底相同，如圖21圖22所

15、示，由于外延層與襯底兩者的電子濃度不同，其界面具有明顯的分界線。包含 4H-SiC襯底及其外延層在內(nèi)的SiC晶片，稱為4H-SiC外延晶片。通常情況下，4H-SiC外延層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于襯底厚度，且摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于襯底的摻雜濃度，所以 4H-SiC外延晶片顏色與襯底相同或接近，如圖23-圖24所示。另外，在4H-SiC晶體中，有兩種不同的晶格位置（晶位），即立方晶位和六角晶位，各占50%。雜質(zhì)進(jìn)入SiC后，可能占據(jù)立方晶位，也可能占據(jù)六角晶位，雜質(zhì)占據(jù)的晶位不同，其表現(xiàn)出的雜質(zhì)性能也不盡相同，尤其是雜質(zhì)的激活能。4H-SiC有一個(gè)較好的V族施主雜質(zhì)原子N，其在立方與六角晶位上的電離能分別為 124

16、meV和66meV，也存在激活能可以接受的III族受主原子Al，其在立方與六角晶位上的電離能均為191meV。6T/CASAS 004.2-2018圖21厚度為30m的4H-SiC外延層SEM圖22厚度為93m的4H-SiC外延層SEM截面圖像截面圖像圖23 4英寸4H-SiC外延層表面圖像4.7 KOH腐蝕圖24 6英寸4H-SiC外延晶片照片（外延層厚度12m）用熔融KOH液體侵蝕4H-SiC表面數(shù)分鐘，在晶體表面的位錯(cuò)應(yīng)力區(qū)域，有選擇性地局部腐蝕，產(chǎn)生一種界限清晰、形狀規(guī)則的腐蝕坑，以揭示與 4H-SiC襯底或外延層表面相交的結(jié)晶缺陷。腐蝕坑圖像如圖25圖28所示。4H-SiC晶體中有三

17、種主要的線位錯(cuò)缺陷，它們分別是螺位錯(cuò)TSD、刃位錯(cuò)TED和基晶面位錯(cuò)BPD，另外SiC還有一種特有的微管MP缺陷，它Burgers矢量幾倍于TSD的巨大螺位錯(cuò)。結(jié)晶缺陷的類型可根據(jù)腐蝕坑（或蝕坑）的形狀來判斷，其中 MP、TSD和TED蝕坑因偏晶向而呈現(xiàn)不對(duì)稱的六角形，有時(shí) TED蝕坑呈現(xiàn)圓形。由于TSD位錯(cuò)的Burgers矢量大于TED的Burgers矢量，所以TSD位錯(cuò)蝕坑尺寸大于TED位錯(cuò)蝕坑，MP蝕坑尺寸最大，如圖25圖30所示。4H-SiC襯底或外延晶片的結(jié)晶缺陷密度可用腐蝕坑密度來計(jì)算，同一晶片上不同位置的蝕坑密度不同，表示晶片內(nèi)結(jié)晶缺陷密度分布不均勻。通常情況下，晶片邊緣區(qū)域有高

18、密度的蝕坑，最高密度比其它區(qū)域甚至高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖31圖32所示。7T/CASAS 004.2-2018圖25 4偏角的n+型4H-SiC襯底（0001）圖26 4偏角的n+型4H-SiC襯底（0001）SiSi面KOH腐蝕坑圖像（500，20分鐘）面KOH腐蝕坑圖像（500，20分鐘）圖27 4偏角的p型4H-SiC襯底（0001）圖28 4偏角的p型4H-SiC襯底（0001）SiSi面KOH腐蝕坑圖像（500，20分鐘）面KOH腐蝕坑圖像（500，20分鐘）圖29偏晶向4H-SiC晶片中典型的位錯(cuò)腐圖30正晶向4H-SiC晶片中典型的位錯(cuò)腐蝕蝕坑示意圖坑示意圖8T/CASAS 004

19、.2-2018圖31 4H-SiC外延層表面KOH腐蝕圖像（500，20分鐘）圖32 4H-SiC外延層表面KOH腐蝕圖像（500，20分鐘）注：同一外延晶片上低位錯(cuò)密度區(qū)域注：同一外延晶片上含有小角晶界的高位錯(cuò)密度區(qū)域5缺陷基本術(shù)語及分類5.1 4H-SiC缺陷4H-SiC晶體中及晶體表面存在的晶格不完整性或具有規(guī)則和不規(guī)則形狀和形貌的區(qū)域。4H-SiC缺陷可分解為兩部分，一是 4H-SiC襯底缺陷，二是4H-SiC外延缺陷。其中襯底包括兩部分，一是結(jié)晶缺陷（點(diǎn)、線、面、體），二是襯底表面 CMP工藝缺陷（劃痕與亞損傷層）；外延缺陷也包括兩部分，一是結(jié)晶缺陷（點(diǎn)、線、面），二是表面形貌缺陷。

20、5.2襯底缺陷4H-SiC襯底中的結(jié)晶缺陷或結(jié)構(gòu)缺陷以及切、磨、拋加工后遺留在 4H-SiC襯底表面上的CMP工藝缺陷。PVT法是4H-SiC晶體生長的常用方法，4H-SiC晶體中的結(jié)晶缺陷一部分是從籽晶中遺傳下來的，另一部分則是由生長過程中晶體內(nèi)部應(yīng)力及雜質(zhì)產(chǎn)生的。4H-SiC襯底缺陷的存在對(duì)后續(xù)外延生長產(chǎn)生影響，如外延層結(jié)晶缺陷及表面形貌缺陷等。5.3外延缺陷4H-SiC外延層中的結(jié)晶缺陷與4H-SiC外延層表面上因采用臺(tái)階流動(dòng)控制外延生長方法而產(chǎn)生的表面形貌缺陷。4H-SiC外延生長主要要求就是要盡可能地減少 SiC外延層中的結(jié)晶缺陷密度以及可能地降低外延層表面形貌缺陷密度。雖然外延層質(zhì)

21、量在過去幾年里由于諸如“臺(tái)階控制外延”或“氯化物基化學(xué)”等幾項(xiàng)技術(shù)突破而大幅改善，但是外延層中仍存在一些缺陷：主要是堆垛層錯(cuò)（ SF），位錯(cuò)（基面位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)）和點(diǎn)缺陷。9T/CASAS 004.2-2018另外，在臺(tái)階流動(dòng)控制外延生長過程中，因襯底表面存在晶格不完整性、外來顆粒異物、以及襯底表面損傷等，造成臺(tái)階流動(dòng)模式發(fā)生變化而產(chǎn)生的借助顯微鏡可用肉眼直接觀察的形狀規(guī)則或不規(guī)則的表面形貌缺陷。根據(jù)缺陷尺寸隨外延層厚度的變化規(guī)律，表面形貌缺陷又可分為大缺陷和小缺陷。大缺陷的特點(diǎn)是隨著4H-SiC外延層厚度的增大，沿11-20方向的缺陷尺寸呈現(xiàn)規(guī)律性的增大，缺陷長度L可以表示為L=d/S

22、in()，其中d為4H-SiC外延層厚度，為4H-SiC襯底表面沿11-20方向的偏轉(zhuǎn)角度，這個(gè)關(guān)系說明大缺陷起源于襯底與外延層界面處。小缺陷的特點(diǎn)是其尺寸一般小于10微米，且不隨4H-SiC外延層厚度的增大而發(fā)生較大變化。大缺陷對(duì)于4H-SiC功率器件的危害性最大，通常被稱為器件“殺手”級(jí)缺陷，造成器件失效，也是限制4H-SiC功率器件性能與成品率的關(guān)鍵因素。小缺陷對(duì) 4H-SiC器件的危害性較小，當(dāng)小缺陷密度較大時(shí)，會(huì)增大器件的漏電流，影響器件的可靠性。5.4結(jié)晶缺陷結(jié)晶缺陷也稱為晶體缺陷（crystal defect）或結(jié)構(gòu)缺陷（structural defect）。4H-SiC襯底中的

23、結(jié)晶缺陷包括點(diǎn)、線、面及體缺陷，其中點(diǎn)缺陷包括雜質(zhì)原子、空位、間隙原子及其復(fù)合體等，線缺陷包括微管（ MP）、螺位錯(cuò)（TSD）、刃位錯(cuò)（TED）及基晶面位錯(cuò)（BPD），面缺陷包括晶界及堆垛層錯(cuò)等，體缺陷包括碳（C）包裹體和晶型包裹體。4H-SiC外延層中的結(jié)晶缺陷包括點(diǎn)、線、面（晶界、堆垛層錯(cuò)）缺陷，其內(nèi)容與4H-SiC襯底結(jié)晶缺陷相同。5.5擴(kuò)展缺陷從襯底貫穿到外延層，或隨外延層厚度增大而延伸的結(jié)晶缺陷和表面形貌缺陷。擴(kuò)展缺陷包含位錯(cuò)缺陷和其它類型的缺陷，位錯(cuò)缺陷有螺位錯(cuò)（TSD）、刃位錯(cuò)（TED）和基晶面位錯(cuò)（BPD），其它類型的缺陷有胡蘿卜、基晶面Frank型層錯(cuò)、3C包裹體、8H層錯(cuò)等

24、。位錯(cuò)不僅具有貫穿性，還具有轉(zhuǎn)化性，如在外延生長中，襯底中的TSD和TED位錯(cuò)會(huì)貫穿到外延層中，而襯底中99%以上的BPD位錯(cuò)在外延生長中轉(zhuǎn)化為TED位錯(cuò)。外延層中不同類型的擴(kuò)展缺陷通常成核于外延層/襯底界面處。擴(kuò)展缺陷易受生長條件的影響。如在快速生長條件下，諸如BPD、SSF和胡蘿卜等擴(kuò)展缺陷會(huì)發(fā)生閉合，其密度得到降低。對(duì)于BPD位錯(cuò)，提高生長速率，可降低BPD密度。不同結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展缺陷，其對(duì)器件的影響也不同，如位錯(cuò)及層錯(cuò)會(huì)降低功率器件的電壓阻斷性能，也會(huì)影響器件的可靠性。因此，降低擴(kuò)展缺陷密度是制造大面積 4H-SiC功率器件的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)兩個(gè)不全位錯(cuò)相遇并結(jié)合成為一個(gè)完美的BPD后，會(huì)增強(qiáng)

25、BPD向TED的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也會(huì)降低SSF層錯(cuò)密度。當(dāng)BPD分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生SSF，如已證實(shí)電子-空穴對(duì)復(fù)合能夠提供BPD分解及SSF擴(kuò)展所需要的能量，這就是復(fù)合增強(qiáng)位錯(cuò)滑移機(jī)理。與襯底表面相交的缺陷將在外延生長期間會(huì)擴(kuò)展到同質(zhì)外延層中，本能地影響器件性能。在4H-SiC中，與其它晶型一樣，較低的堆垛層錯(cuò)能（ SF）導(dǎo)致基晶面內(nèi)SF的形成。在后生10T/CASAS 004.2-2018長過程中，如單Shockley層錯(cuò)、雙Shockley層錯(cuò)和六角星形層錯(cuò)，可以通過不全位錯(cuò)的滑移形成SF，或者通過無序臺(tái)階流動(dòng)形成本征Frank型層錯(cuò)、8H層錯(cuò)和V形缺陷。5.6工藝缺陷工藝缺陷是指器件

26、制造或材料改性工藝過程中引入到 4H-SiC晶體中的深能級(jí)中心或非本征結(jié)晶缺陷，這些深能級(jí)可能是雜質(zhì)原子、間隙原子、空位或其復(fù)合體等，起復(fù)合中心作用。其中主要器件制造工藝包括離子注入、高溫氧化、高溫退火、反應(yīng)離子刻蝕等，材料改性工藝包括中子輻照、電子輻照、質(zhì)子輻照、離子輻照等。SiC器件制造幾乎經(jīng)歷了30年，同為族元素，4H-SiC器件制造工藝的許多基本技術(shù)都與Si器件相同或相似，如基于RCA的晶片清洗程序、本征氧化層SiO2熱生長、基于F基離子的干法刻蝕、利用犧牲氧化層的方法消除損傷層等；除這些相同點(diǎn)外， 4H-SiC器件制造所使用的離子注入、氧化物界面缺陷控制以及雙極型器件壽命增強(qiáng)工藝等卻

27、顯示出鮮明的差異；另外，Si為單質(zhì)材料，而SiC為二元化合物，在晶體生長或離子注入等工藝過程中形成的起因于兩種元素的點(diǎn)缺陷或更為復(fù)雜。在這些相同或不同的器件制造工藝都有可能在 4H-SiC晶體中引入深能級(jí)缺陷。雖然SiC可形成與Si相同的SiO2介質(zhì)膜，但是兩者的熱氧化溫度不同，且SiC/SiO2界面態(tài)密度較高，其后果是嚴(yán)重限制了溝道遷移率。雖然 Si懸掛鍵可通過H2退火來補(bǔ)償，但對(duì)于SiC/SiO2界面卻沒有效果。氧化后N2退火或在N氣氛中氧化是降低SiC/SiO2界面態(tài)密度的有效方法，其機(jī)制是在界面處飽和了C懸掛鍵或形成了C-N絡(luò)合物。與Si相比，大多數(shù)元素在SiC中的擴(kuò)散常數(shù)都非常小，基

28、于這一原因，需要在生長過程中或者是利用離子注入和激活退火工藝引入雜質(zhì)，為了改善摻雜效率，離子注入后的退火溫度在1400C和2000C范圍內(nèi)，溫度越高，載流子濃度就會(huì)越高，然而當(dāng)退火溫度接近SiC的形成溫度時(shí)，C以及Si可能在晶體中擴(kuò)散，形成對(duì)載流子壽命有害的活性中心。離子注入是4H-SiC選區(qū)摻雜、歐姆接觸層制造及器件終端結(jié)構(gòu)制造的常用工藝。離子注入即可控制注入深度，也可控制注入濃度的是一個(gè)器件關(guān)鍵技術(shù)，其缺點(diǎn)是會(huì)在 4H-SiC注入層引入晶體缺陷。6 4H-SiC襯底缺陷6.1位錯(cuò)6.1.1特征4H-SiC晶體或襯底中有三種典型的位錯(cuò)，即螺位錯(cuò)（TSD）、刃位錯(cuò)（TED）和基晶面位錯(cuò)（BPD

29、），其中TED和TSD是穿透型位錯(cuò)，如圖33圖38所示。4H-SiC襯底中還有一種常見的微管缺陷，微管是一種柏氏矢量較大的貫穿型螺位錯(cuò)，被公認(rèn)為4H-SiC晶體中最有危害的缺陷之一。隨著 4H-SiC晶體生長工藝的持續(xù)改善，大尺寸、“零”微管密度的4H-SiC襯底已商業(yè)化，微管已不是影響4H-SiC器件性能的主要缺陷，但是BPD、TSD和TED仍然具有較高的密度，其中TED密度最大，平均值通常大于1.010 cm，4 -2TSD和BPD的平均密度較低，平均值為102-103cm。-211T/CASAS 004.2-2018白光X-射線形貌圖像可用于確定位錯(cuò)的類型，如圖 39所示，但常用KOH腐

30、蝕方法來揭示晶體中的位錯(cuò)類型、分布及平均密度，如圖40所示。SiC中位錯(cuò)類型可用蝕坑的形狀來區(qū)分，蝕坑形狀的不同，說明蝕坑起因于不同的位錯(cuò)類型，大六角形蝕坑對(duì)應(yīng)于TSD位錯(cuò)，小六角形或圓形蝕坑對(duì)應(yīng)于 TED位錯(cuò)，貝殼狀蝕坑則對(duì)應(yīng)于 BPD位錯(cuò)。蝕坑的尺寸取決于burgers矢量的大小，burgers矢量不同，意味著缺陷類型不同。在一定的腐蝕時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)大小不一的六角形蝕坑，大六角蝕坑對(duì)應(yīng)于TSD位錯(cuò)，而小六角蝕坑對(duì)應(yīng)于TED位錯(cuò)。利用KOH腐蝕方法，在4H-SiC外延層表面觀察到的幾種位錯(cuò)分布形態(tài)如圖41圖44所示。6.1.2產(chǎn)生原因4H-SiC籽晶中的C包裹體、溫度場(chǎng)應(yīng)力、原料中各種雜質(zhì)原

31、子等都會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，甚至微管。6.1.3對(duì)晶體生長、外延及器件的影響螺位錯(cuò)在共晶面晶體生長機(jī)制中具有重要地位與作用。SiC晶體表面上的螺旋線是PVT條件下SiC晶體生長完全按照螺位錯(cuò)機(jī)制生長的最好證明。螺位錯(cuò)晶體生長機(jī)制的缺點(diǎn)是表面粗糙。襯底中大部分BPD在外延生長初期轉(zhuǎn)化為TED位錯(cuò)，少數(shù)貫穿到外延層的BPD會(huì)對(duì)雙極型器件（如pin二極管、BJT和IGBT）穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。TSD易在外延層表面引發(fā)小坑缺陷、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷及臺(tái)階聚集，增大反向漏電流，對(duì)器件性能、成品率及可靠性產(chǎn)生影響。TED則通常對(duì)器件性能影響較小。6.1.4消除方法提高籽晶的徑向溫度均勻性，提高原材料純度，選擇高質(zhì)量

32、4H-SiC籽晶，可有效降低位錯(cuò)密度。圖33 TSD位錯(cuò)圖34 TSD位錯(cuò)12T/CASAS 004.2-2018圖35 TED位錯(cuò)圖36 TED位錯(cuò)圖37 BPD位錯(cuò)圖38 BPD位錯(cuò)圖39 PVT法生長的小尺寸N-Al共摻雜n型4H-SiC襯底的同步輻射X-射線形貌圖像（g=-1-128）圖40 KOH腐蝕圖像（500C，5分鐘；4偏角4H-SiC襯底）13T/CASAS 004.2-2018圖41 4H-SiC外延層位錯(cuò)圖42 4H-SiC外延層位錯(cuò)（KOH腐蝕，630倍）（KOH腐蝕，630倍）圖43 4H-SiC外延層小角晶界（KOH腐蝕，100倍）圖44 4H-SiC外延層小角晶界

33、（KOH腐蝕，630倍）6.2層錯(cuò)6.2.1特征層錯(cuò)是一種二維面結(jié)晶缺陷，它由于晶體內(nèi)原子偏離了正常的堆垛秩序所致，即晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某二層間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致附近原子的錯(cuò)誤排布。4H-SiC晶體中的層錯(cuò)面通常為0001晶面。PVT法生長的4H-SiC晶體中存在各種類型的SF，存在各種Shockley型SF，也存在起因于TSD的Frank型SF，如圖45圖48所示。偏晶向方向的C晶面襯底可在PVT法生長4H-SiC晶體中穩(wěn)定晶型，但堆垛層錯(cuò)密度卻較正晶向晶體大，如圖49圖51所示。1-3mcm的超低電阻率4H-SiC襯底是一個(gè)發(fā)展方向，但由于高N濃度摻雜的4H-SiC襯底

34、結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，在高溫處理（1000C）中易形成雙Shockley型層錯(cuò)（DSSF）并擴(kuò)展，引起4H-SiC晶體發(fā)生從4H晶型到3C晶型的結(jié)構(gòu)變化，如圖52圖54所示。6.2.2產(chǎn)生的原因14T/CASAS 004.2-2018SF的形成起因于通過TSD的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，如Zadanov標(biāo)記為(433)的層錯(cuò)由5個(gè)層錯(cuò)構(gòu)建而成，即4個(gè)連續(xù)的Frank型層錯(cuò)和一個(gè)Shockley型層錯(cuò)。N重?fù)诫s的n+型4H-SiC襯底中，層錯(cuò)擴(kuò)展的動(dòng)力就是量子阱作用機(jī)制，即電子進(jìn)入量子阱降低了系統(tǒng)能量。6.2.3對(duì)外延及器件的影響襯底中的層錯(cuò)會(huì)貫穿到外延層，有助于增大器件的導(dǎo)通電阻，使SiC器件性能劣化。6.2.4消除

35、方法提高籽晶質(zhì)量，消除因制備籽晶而遺留在表面上的殘余劃痕。在高N濃度摻雜的4H-SiC晶體中采用N-Al共摻雜方法。圖454H-SiC晶體（000-1）晶面層錯(cuò)的反射圖46標(biāo)記為（60）的雙Shockley型層錯(cuò)的X-射線形貌圖像HRTEM圖像注：該層錯(cuò)是由兩個(gè)相鄰晶面內(nèi)的主導(dǎo)型不全位錯(cuò)的滑移所致。圖47PVT法生長的4H-SiC晶體(11-20)晶面圖48PVT法生長的4H-SiC晶體(11-20)晶面層錯(cuò)（低分辨TEM圖像） 層錯(cuò)（高分辨TEM圖像）15T/CASAS 004.2-2018圖49 4H-SiC退火晶體的低分辨TEM圖象和圖50由Burgers矢量方向的不全高分辨TEM圖象（

36、晶體中N摻雜濃度為310位錯(cuò)為邊界的菱形Shockley型層錯(cuò)的透射形19/cm3）貌圖像圖51偏角為7.7的4H-SiC晶體的KOH腐圖52偏角為7.7的4H-SiC晶體的SEM圖蝕圖像像（尺度：300微米）圖53偏角為7.7的4H-SiC晶體的SEM圖像（尺度：5微米）圖54層錯(cuò)圖像16T/CASAS 004.2-20186.3微管6.3.1特征4H-SiC晶體中的微管缺陷（MP）是一種直徑為微米級(jí)的物理孔洞，即一種Burgers矢量數(shù)倍于TSD位錯(cuò)Burgers矢量1c的穿透型螺位錯(cuò)，如圖55圖58所示。在SiC晶片的應(yīng)力雙折射圖像中，單個(gè)微管具有蝴蝶狀圖案，即微管看起來像有四個(gè)明亮翅膀

37、的蝴蝶，如圖59圖60所示，無微管區(qū)域，其色差無明顯差異，但是微管聚集區(qū)或高應(yīng)力區(qū)域，對(duì)比度則比較明顯，這些微管聚集區(qū)域通常集中在晶片邊緣區(qū)域，如圖61圖68所示。微管缺陷是SiC晶體中特有的一種缺陷，在晶體中可以延伸很長距離，甚至貫穿整個(gè)晶體。隨著4H-SiC晶體生長工藝的持續(xù)改進(jìn)，大尺寸“零微管”密度的4H-SiC襯底已經(jīng)問世，微管已不是影響4H-SiC器件性能和成品率的主要缺陷。目前4英寸（100mm）4H-SiC襯底的平均微管密度已降低到1cm以下，最低達(dá)到0.1cm甚至更低。-2 -26.3.2產(chǎn)生的原因MP通常起始于籽晶或接近籽晶的位置，其形成的主要原因是應(yīng)力弛豫所致。微管的形成有

38、三種主要原因，一是Si滴，二是C包裹體（C簇），三是晶型包裹體。如圖69圖71所示。另外籽晶背面升華也可誘發(fā)微管。6.3.3對(duì)外延及器件的影響MP從襯底貫穿到外延層，如圖72所示，是4H-SiC功率器件中危害性最大的一種缺陷，微管會(huì)導(dǎo)致器件反向偏壓失效，直至擊穿。6.3.4消除方法消除C包裹體，減小籽晶徑向的溫度梯度，降低雜質(zhì)含量，提高源材料的均質(zhì)性，可有效減少微管缺陷。圖55 4H-SiC襯底中微管缺陷顯微圖像圖56雙微管的SEM顯微圖像17T/CASAS 004.2-2018圖57小尺寸微管的透射偏振光圖像圖58大尺寸微管的透射偏振光圖像圖59 4H-SiC襯底的偏振光雙折射圖像，單圖60

39、 4H-SiC襯底中單個(gè)微管缺陷的偏振光個(gè)微管呈現(xiàn)蝴蝶狀圖案雙折射圖像圖61 4H-SiC襯底高密度微管聚集區(qū)的偏振圖62 4英寸4H-SiC（0001）Si面微管聚集光雙折射圖像區(qū)的偏振光雙折射圖像18T/CASAS 004.2-2018圖63 4英寸4H-SiC襯底中微管與應(yīng)力透射圖64 4英寸4H-SiC襯底中微管與應(yīng)力透射偏振光雙折射圖像（低密度微管缺陷）偏振光雙折射圖像（高密度微管缺陷）圖65 4英寸（100mm）偏晶向4H-SiC襯底圖66 6英寸（150mm）偏晶向4H-SiC襯底晶片的偏振光雙折射圖像（微管聚集區(qū)靠近晶片邊緣）微管及應(yīng)力雙折射圖像（微管聚集區(qū)靠近晶片邊緣）圖67

40、 3英寸4H-SiC襯底微管偏振光透射圖圖68PVT方法生長的SiC晶體表面光學(xué)照片像（殘余應(yīng)力集中在晶片邊緣）19T/CASAS 004.2-2018圖69 Si滴引起的微管缺陷（0001）剖面圖圖70晶體生長表面C包裹體引起的微管缺像陷聚集區(qū)照片圖71晶型包裹體引起的微管缺陷（0001）剖圖72 4H-SiC晶體中微管聚集區(qū)貫穿到外延面圖像 層表面的形貌缺陷圖像（600倍）6.4碳包裹體4H-SiC晶體中，由C元素組成的固相原子團(tuán)簇或小顆粒體，其形狀和大小各異，如圖73圖74所示。C包裹體產(chǎn)生的主要原因是PVT生長過程中源材料不均勻所致。籽晶中的 C包裹體易在晶體生長中產(chǎn)生微管缺陷，導(dǎo)致晶

41、體質(zhì)量下降。襯底中的C包裹體易在4H-SiC外延層表面誘發(fā)表面形貌缺陷，如三角形缺陷、巨型小坑缺陷等，如圖 75圖76所示。消除C包裹體，需要改善籽晶質(zhì)量，使用超精細(xì)源材料，提高原材料的均勻性。20T/CASAS 004.2-2018圖73 PVT法生長的4H-SiC晶體中碳包裹體圖74 PVT法生長的4H-SiC晶體中碳包裹體光學(xué)圖像光學(xué)圖像圖75C包裹體引起的表面形貌缺陷（600倍）圖76C包裹體引起的表面形貌缺陷（600倍）6.5晶型包裹體4H-SiC晶體中諸如六角或三角包括體是不同晶型的包括體，如圖77圖80所示。4H-SiC晶體中的主要晶型包裹體有 3C-SiC、6H-SiC和15R

42、-SiC，如圖81圖86所示。晶型包裹體的產(chǎn)生與籽晶性質(zhì)與工藝參數(shù)有關(guān)，對(duì)晶體生長及外延生長有較大影響，如晶型包裹體易產(chǎn)生微管缺陷，甚至貫穿到整個(gè)晶體中；外延生長時(shí)，晶型包裹體會(huì)在外延層表面誘發(fā)形貌缺陷。圖77 4H-SiC晶體中的晶型包裹體圖78 4H-SiC晶體中的晶型包裹體21T/CASAS 004.2-2018圖79六角或三角包括體的光學(xué)圖像圖80六角型包括體的光學(xué)圖像圖81共晶面（0001）襯底上4H-SiC外延層的UVPL圖像（黑色區(qū)域：3C包裹體）圖82偏振光顯微照片，4偏角的C晶面4H-SiC晶體（黃色是15R包裹體，黑色是周期性N摻雜標(biāo)記）圖83含有15R晶型包裹體的4H-S

43、iC晶體圖84含有晶型包裹體的4H-SiC晶體圖85含晶型包裹體（不同顏色表示不同SiC圖86含晶型包裹體（不同顏色表示不同SiC晶型）晶型）22T/CASAS 004.2-20186.6雙Shockley型堆垛層錯(cuò)6.6.1特征堆垛序列或Zhdanov標(biāo)記為（6，2）的層錯(cuò)缺陷。該層錯(cuò)像是2個(gè)周期的3C夾層，其能帶結(jié)構(gòu)可以用量子阱模型來描述，如圖87圖88所示。2SSF層錯(cuò)的形成能約21mJ/m2，略大于1SSF的形成能18mJ/m2。由于2SSF形成能低，極；（2）1000C易在以下幾種情況下產(chǎn)生：（1）4H-SiC晶體中的N摻雜濃度大于210 cm19 -3以上高溫下退火；（3）晶體表面

44、存在劃痕或其它損傷，如圖89所示。對(duì)于N摻雜的 4H-SiC晶體， DSSF的擴(kuò)展速率為 20m/h-100m/h，對(duì)于 N-Al共摻雜的4H-SiC晶體，DSSF的擴(kuò)展速率為20m/h-40m/h，DSSF的擴(kuò)展速率均隨NN-NAl濃度的增大而增大，如圖90所示。6.6.2產(chǎn)生的原因重?fù)诫s晶體生長、包括外延生長、氧化和退火等在內(nèi)的高溫處理（1000C）、表面劃痕等都會(huì)產(chǎn)生雙Shockley型堆垛層錯(cuò)。6.6.3對(duì)外延的影響襯底中的層錯(cuò)會(huì)擴(kuò)展到外延層中，如圖91圖94所示。6.6.4消除方法采用N-Al共摻雜法、改善籽晶質(zhì)量及表面狀態(tài)、改善籽晶的粘結(jié)方法和質(zhì)量。圖87 2SSF層錯(cuò)結(jié)構(gòu)HRTE

45、M圖像圖88起因于劃痕的2SSF及其PL發(fā)光23T/CASAS 004.2-2018圖89起因于劃痕的2SSF的SIM圖像圖90 n型4H-SiC襯底中的菱形層錯(cuò)+圖91襯底的PL發(fā)光圖像圖92外延層的PL發(fā)光圖像圖93襯底的PL發(fā)光圖像6.7螺位錯(cuò)圖94外延層的PL發(fā)光圖像4H-SiC晶體中TSD位錯(cuò)很難直接被觀察到，但可用熔融 KOH（T450）腐蝕方法來表征。如圖95圖96所示，也可用X-射線形貌圖像來觀察，如圖97圖98所示。24T/CASAS 004.2-2018TSD位錯(cuò)蝕坑呈現(xiàn)六角形。六角形蝕坑是一個(gè)倒六面錐體，錐頂即是蝕坑底部。六角形蝕坑尖底并不在六角形蝕坑的中央，而是偏向方向

46、。TSD位錯(cuò)的Burgers矢量為1c。TSD位錯(cuò)密度通常在10 10 cm量級(jí)。2 3 -2籽晶中的TSD位錯(cuò)會(huì)貫穿到晶體中，同樣4H-SiC襯底中的TSD也會(huì)貫穿到外延層中，使得器件的反向漏電流增長；同時(shí)TSD還可能會(huì)導(dǎo)致外延層形成諸如三角型缺陷和胡蘿卜缺陷等對(duì)器件性能有危害的形貌缺陷。晶體中位錯(cuò)密度的降低方法，采用化學(xué)腐蝕方法形成的具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)的籽晶，突出區(qū)域的位錯(cuò)密度為510 cm，比臺(tái)面籽晶上生長的晶體中總位錯(cuò)密度約為810 cm低一個(gè)數(shù)2 -2 3 -2量級(jí)；利用改良的籽晶粘結(jié)方法，如籽晶與石墨坩堝蓋之間界面存在孔隙，會(huì)使晶體質(zhì)量劣化，在孔隙區(qū)域可能產(chǎn)生缺陷簇。當(dāng)界面出現(xiàn)平面缺陷時(shí)

47、會(huì)影響晶體質(zhì)量?？紫秴^(qū)域可能產(chǎn)生缺陷簇。利用H2刻蝕籽晶降低位錯(cuò)密度，較傳統(tǒng)機(jī)械拋光MP方法降低一個(gè)數(shù)量級(jí)；RAF法生長的晶體質(zhì)量很高，但是工藝不清楚。進(jìn)一步降低擴(kuò)展缺陷，特別是晶體中位錯(cuò)，可根本改善器件性能與可靠性。圖95 4H-SiC襯底的KOH腐蝕圖像圖96 150mm 4H-SiC晶片TSD密度分布圖圖97同步輻射X射線形貌圖像(g=-1-128)N-Al共摻雜晶體圖98同步加速器X射線形貌圖像(g=0004)PVT晶體25T/CASAS 004.2-2018圖99KOH腐蝕位錯(cuò)密度分布圖（籽晶具有臺(tái)圖100螺位錯(cuò)TEM圖像面結(jié)構(gòu)）圖101團(tuán)簇狀缺陷區(qū)（傳統(tǒng)方法）圖102層狀缺陷區(qū)（傳

48、統(tǒng)方法）圖103改良粘結(jié)方法6.8刃位錯(cuò)圖104改良粘結(jié)方法4H-SiC晶體中TED位錯(cuò)很難直接被觀察到，但可用熔融 KOH（T450）腐蝕方法來表征。26T/CASAS 004.2-2018與TSD蝕坑形狀一樣，TED位錯(cuò)蝕坑也呈現(xiàn)六角形。TED位錯(cuò)的Burgers矢量為1/311-20，遠(yuǎn)小于TSD的Burgers矢量，大約是1c矢量的1/3，所以TED的六角形蝕坑尺寸也小于TSD位錯(cuò)，如圖105圖107所示。TED位錯(cuò)密度通常在10 cm量級(jí)，TED位錯(cuò)對(duì)雙極型功率器件性能影響最小，不會(huì)導(dǎo)致4 -2VF漂移。4H-SiC外延層中的TED位錯(cuò)主要來自于襯底TED位錯(cuò)在外延生長過程向外延層中

49、的貫穿。在X-射線形貌圖像中，也很容易地將TED與TSD區(qū)分開來，如圖108所示。圖105 TED位錯(cuò)及BPD位錯(cuò)圖106 TED位錯(cuò)及BPD位錯(cuò)圖107 TED位錯(cuò)及BPD位錯(cuò)6.9基晶面位錯(cuò)圖108 TED位錯(cuò)的X-射線形貌圖像6.9.1特征BPD是4H-SiC晶體中位于基晶面內(nèi)的一種常見的一維結(jié)晶缺陷。 BPD位錯(cuò)的Burgers矢量為1/311-20，與TED位錯(cuò)相同，但遠(yuǎn)小于TSD的Burgers矢量，大約是1c矢量的1/3。BPD的KOH蝕坑呈現(xiàn)殼形形狀，如圖109圖110所示，襯底中的BPD位錯(cuò)密度及其分布可用熔融KOH腐蝕方法來表征，如圖111圖112所示。在X-射線形貌圖像中

50、，BPD呈現(xiàn)線狀圖像，如圖113圖114所示。6.9.2產(chǎn)生原因27T/CASAS 004.2-2018產(chǎn)生BPD位錯(cuò)的原因有兩個(gè)，一個(gè)是由于晶體生長中存在熱應(yīng)力，另一個(gè)是籽晶中的位錯(cuò)向晶體中的貫穿。另外，生長過程中工藝的不穩(wěn)定以及外延雜質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致BPD位錯(cuò)的產(chǎn)生。6.9.3對(duì)外延及器件的影響4H-SiC襯底中大部分BPD位錯(cuò)在外延過程中會(huì)轉(zhuǎn)化為TED位錯(cuò)，對(duì)于4偏角襯底，轉(zhuǎn)化效率達(dá)99%以上，只有1%左右的BPD會(huì)貫穿到外延層中并達(dá)到外延層表面。在后續(xù)器件制造中，BPD主要影響雙極型器件的穩(wěn)定性，如出現(xiàn)雙極型衰退現(xiàn)象。6.9.4消除方法減小工藝中徑向溫度梯度，改良籽晶與生長室壁之間的接觸，尤

51、其降低晶體外圍區(qū)域的熱應(yīng)力。在晶體生長減少干擾，采用高質(zhì)量籽晶材料。圖109 BPD位錯(cuò)蝕坑圖110 BPD位錯(cuò)蝕坑圖111 150mm 4H-SiC晶片BPD腐蝕坑分布圖圖112 150mm 4H-SiC晶片BPD密度分布圖28T/CASAS 004.2-2018圖114X-射線形貌圖像（白色箭頭指向BPD，襯底偏角方向?yàn)?-100方向）圖113 SWBXT穿透形貌圖像6.10小角晶界特征6.10.1晶粒間界是指固體中不同取向的晶粒間相接觸的界面，簡稱晶界。晶界只有幾個(gè)原子的厚度，相鄰區(qū)域晶向差別在幾分之1到1范圍內(nèi)。KOH化學(xué)腐蝕后呈現(xiàn)出腐蝕坑直線排列的位錯(cuò)組態(tài)，如圖115圖120所示。常

52、觀察到兩種典型的LAGB，一是晶片邊緣包裹小的高應(yīng)變晶粒區(qū)域，二是晶片中央沿方向由高密度 TED和BPD位錯(cuò)構(gòu)成的星形狀 LAGB區(qū)域，兩者的 Burgers矢量均為1/3。應(yīng)力雙折射圖像中的明亮對(duì)比圖像顯示襯底中由應(yīng)力、 LAGB或MP引起的晶格紊亂。該缺陷一旦形成，難以消除或愈合。6.10.2產(chǎn)生原因LAGB通常起源于籽晶，在晶體生長中會(huì)一直傳播，甚至?xí)┩傅骄w表面。晶體生長過程中出現(xiàn)強(qiáng)烈干擾或工藝異常，甚至工藝的過渡修正等，都會(huì)產(chǎn)生LAGB。6.10.3對(duì)外延生長的影響襯底中的LAGB會(huì)擴(kuò)展到外延層中，并穿透到外延層表面。6.10.4消除方法采用高質(zhì)量籽晶，穩(wěn)定生長工藝。29T/CAS

53、AS 004.2-2018圖116晶片邊緣以BPD和TED構(gòu)成的LAGB圖115沿11-20方向排列的腐蝕坑圖像圖像圖117中央以方向組成的星形缺陷圖118襯底的應(yīng)力雙折射圖像（具有高密度的位錯(cuò)）圖1206英寸（150mm）襯底中小角晶界的局圖1196英寸（150mm）襯底中小角晶界部放大圖像6.11劃痕特征6.11.130T/CASAS 004.2-2018在4H-SiC襯底表面加工中，遺留在襯底表面上的一種未完全消除的切、磨、拋遺留的隨機(jī)分布的線狀或點(diǎn)狀劃痕，或由 CMP引起的線狀劃痕，可用 AFM觀察，如圖121圖124所示?；瘜W(xué)機(jī)械拋光（CMP）可基本去除由機(jī)械拋光（MP）遺留的劃痕缺

54、陷，表面光滑，如圖125圖126所示。但是，包括CMP在內(nèi)的拋光工藝都有可能在4H-SiC襯底表面引入損傷層。一般情況下，劃痕寬度很窄，僅有100nm左右，很難用光學(xué)方法來表征。但是由劃痕引起的晶格損傷區(qū)卻很寬，可達(dá)到800nm左右，這些損傷主要是形成了BPD位錯(cuò)環(huán)，具有很強(qiáng)的移動(dòng)性，如圖127圖132所示。6.11.2產(chǎn)生原因SiC表面機(jī)械拋光（MP）主要是通過亞微觀尺度的脆性微創(chuàng)方式進(jìn)行的，由于使用金剛石粉拋光漿料，襯底表面上有大量隨機(jī)分布的劃痕。6.11.3對(duì)外延及器件的影響襯底表面劃痕在蝕刻和生長過程中會(huì)阻止平滑臺(tái)階流動(dòng)表面的形成，并對(duì)外延生長影響，一是形成與劃痕的方向有關(guān)的帶狀表面粗

55、糙區(qū)或臺(tái)階聚集區(qū)，并在劃痕附近產(chǎn)生高密度的TED位錯(cuò)缺陷；二是在較深的劃痕處形成諸如三角形、胡蘿卜及巨觀小坑等表面形貌缺陷，如圖133圖144所示。6.11.4消除方法CMP拋光、H2刻蝕或Si氣相刻蝕可有效消除襯底表面的劃痕，但外延后時(shí)常會(huì)觀察到個(gè)別遺留劃痕及其產(chǎn)生的表面形貌特征。圖121劃痕（150 mm 4H-SiC）圖122劃痕（100 mm 4H-SiC）31T/CASAS 004.2-2018圖123 AFM圖像圖124 AFM圖像圖125 4英寸4H-SiC晶體中劃痕的ScN圖像圖126 4英寸4H-SiC晶體中劃痕的ScN圖像圖127襯底表面劃痕的SEM圖像圖128襯底表面劃痕

56、的TEM透射圖像圖129襯底表面劃痕的截面SEM圖像圖130襯底表面劃痕附近BPD位錯(cuò)32T/CASAS 004.2-2018圖131襯底表面劃痕附近BPD位錯(cuò)圖132襯底表面劃痕附近BPD位錯(cuò)圖133襯底表面劃痕X-射線形貌圖134襯底表面劃痕X-射線形貌圖135襯底表面劃痕X-射線形貌圖136 H2刻蝕后的襯底表面劃痕圖138劃痕引起的外延層表面粗糙區(qū)域或巨圖137劃痕引起的外延層表面形貌觀臺(tái)階聚集區(qū)域33T/CASAS 004.2-2018圖139劃痕引起的外延層表面粗糙區(qū)域或巨圖140劃痕引起的外延層表面粗糙區(qū)域或巨觀臺(tái)階聚集區(qū)域觀臺(tái)階聚集區(qū)域圖141劃痕引起的三角形缺陷圖142劃痕引

57、起的三角形缺陷圖143劃痕引起的巨觀小坑缺陷圖144劃痕引起的胡蘿卜缺陷6.12CMP隱含劃痕6.12.1特征在SiC晶片表面加工過程中，由CMP誘發(fā)的殘余線狀劃痕，或未完全消除的切、磨、拋劃痕，該類劃痕具有亞微米尺度，不易用光學(xué)或微分干涉顯微技術(shù)觀測(cè)，經(jīng)過一定工藝后顯現(xiàn)，如高溫H2刻蝕，如圖145圖146所示。6.12.2對(duì)外延及器件的影響34T/CASAS 004.2-2018在外延生長過程中，易引起外延層結(jié)晶缺陷。圖145 CMP表面隱含劃痕圖146無劃痕表面6.13亞表面損傷在襯底表面亞微米深度區(qū)域內(nèi)，因晶片加工而導(dǎo)致的非本征結(jié)晶缺陷，如BPD位錯(cuò)及其團(tuán)簇等，如圖147圖150所示。包

58、括常規(guī)化學(xué)機(jī)械拋光（ CMP）在內(nèi)的各種機(jī)械加工工藝，都有可能在SiC襯底表面和亞表面引入損傷層。亞損傷層會(huì)在4H-SiC外延層表面產(chǎn)生各種形貌的臺(tái)階聚集線區(qū)、表面無形貌特征的原生型層錯(cuò)等缺陷。圖147劃痕TEM圖像圖148亞表面損傷層圖149襯底表面劃痕附近BPD位錯(cuò)圖150襯底表面劃痕附近BPD位錯(cuò)35T/CASAS 004.2-20187 4H-SiC外延缺陷7.1表面形貌缺陷外延生長結(jié)束后，因偏晶向 4H-SiC襯底表面存在外來顆粒物、襯底結(jié)晶缺陷、襯底表面拋光劃痕或亞損傷層，在臺(tái)階流動(dòng)控制生長機(jī)理下而在 4H-SiC外延層表面形成的規(guī)則或不規(guī)則形狀的表面不完整性形貌特征，借助強(qiáng)光束或

59、顯微鏡可直接用肉眼觀察，如圖 151圖152所示。圖151 4H-SiC外延層表面上的高密度形貌圖152 4英寸4H-SiC外延晶片表面上的形缺陷區(qū)的光學(xué)顯微圖像貌缺陷分布圖像（VIS-PL圖像，黑色點(diǎn)為三角形缺陷）7.2掉落顆粒物7.2.1特征掉落顆粒物是外延生長前或生長過程中掉落在襯底表面上的黑色無定形碳、SiC或其它塵埃顆粒，在外延生長結(jié)束之后局部或全部地陷于 4H-SiC外延層中，形成大小不一、形狀各異的外延形貌缺陷，如圖153圖156所示。掉落顆粒物缺陷有兩種典型形貌，一是大型點(diǎn)狀形貌，二是以顆粒物為頭的三角形形貌，如圖4所示，掉落顆粒物缺陷可借助強(qiáng)光束或顯微鏡用肉眼直接觀察。7.2

60、.2產(chǎn)生的原因4H-SiC外延生長前或生長過程中，從反應(yīng)生長室內(nèi)壁上掉落在襯底或外延層表面上的黑色不定形碳、SiC小顆粒物或其它塵埃顆粒物。7.2.3對(duì)器件的影響掉落顆粒物缺陷對(duì)4H-SiC功率器件性能及成品率影響較大，可能會(huì)導(dǎo)致器件失效，因此掉落顆粒物缺陷是4H-SiC功率器件的致命性缺陷。7.2.4消除方法36T/CASAS 004.2-2018定期清理反應(yīng)室部件，避免使用易脫落顆粒物部件。圖153深陷于4H-SiC外延層內(nèi)的掉落顆粒物顯微鏡圖象（100倍）圖154深陷于4H-SiC外延層內(nèi)的掉落顆粒物顯微鏡圖象圖155附著在4H-SiC外延層表面上的掉落顆粒物顯微鏡圖象（100倍）圖15