中國粉體網(wǎng)訊  近日，新加坡A-STAR微電子研究所和法國SOITEC發(fā)表了一篇文章，題為《SiC外延片邁向無缺陷》。

我們經(jīng)常說的SiC外延，指的是SiC材料的襯底上生長一層具有特定晶體取向的SiC單晶薄膜的過程。其可以制造各類功率器件，可用于新能源汽車、光伏儲能、航空航天等領(lǐng)域；氮化鎵外延可以制造各類射頻器件，用于5G通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。因此，SiC外延層的質(zhì)量直接影響器件的性能和可靠性，而SiC外延工藝不可避免地會形成各種缺陷，影響SiC功率器件的性能與可靠性，缺陷控制也是SiC外延的一大難題。

文中披露，目前市售的6英寸和8英寸襯底已經(jīng)可以做到無微管且位錯密度較低：基面位錯小于500個/cm²，穿刃位錯和螺位錯均低于5000個/cm²。但是為了制備高質(zhì)量的碳化硅器件，仍需要優(yōu)化碳化硅外延來進(jìn)一步降低缺陷密度，尤其是“致命缺陷”。

目前，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了2個突破：

• 碳面SiC外延：在6英寸碳面SiC襯底上生產(chǎn)了幾乎無缺陷的SiC外延，生長速率約為50微米/小時。該外延片表面光滑，均方根粗糙度略低于0.3nm，缺陷密度小于0.1個/cm²，5×5mm²器件的良率高達(dá)98.5%，為碳面SiC 器件帶來了顯著優(yōu)勢，尤其是在雙極器件等大尺寸器件架構(gòu)中。

• 硅面SiC外延：在硅面SiC襯底上生產(chǎn)了基面位錯密度小于0.05個/cm²的SiC外延。在8英寸碳化硅襯底上，通過在器件漂移層生長之前，將襯底中的基面位錯轉(zhuǎn)化為緩沖層中的穿刃位錯，采用襯底原位刻蝕技術(shù)，一批八片SiC襯底的基面位錯幾乎消除，密度小于0.05個/cm²，缺陷密度從典型的1.0個/cm²降至僅0.3-0.4個/cm²。

該研究突破了碳化硅外延缺陷控制的瓶頸，近無缺陷外延層可顯著降低SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻與開關(guān)損耗，提升雙極器件（如IGBT兼容結(jié)構(gòu)）的可靠性。50 微米/小時的高生長速率縮短外延時間，結(jié)合缺陷密度降低帶來的良率提升，有望推動SiC功率器件成本下降。

那么，SiC外延常見的缺陷有哪些？又是怎么形成的？

外延層的缺陷種類非常多，形成機(jī)制也很復(fù)雜，總體上可以分成三大類：晶體缺陷、表面形貌缺陷以及擴(kuò)展缺陷。

微管缺陷

微管缺陷是一個和螺型位錯高度相關(guān)的空核芯，螺型位錯的核芯周圍的應(yīng)變很高，通過化學(xué)鍵的斷裂形成微觀針孔。它是一個沿<0001>晶向擴(kuò)展穿過整個SiC晶圓的針孔，直徑范圍從幾分之一微米到幾十微米不等，通常密度約為0.1~1 cm^-2，在商業(yè)化晶圓生產(chǎn)中持續(xù)下降。

當(dāng)SiC器件存在這樣的一個微管時，注定會表現(xiàn)出高漏電和過早擊穿的現(xiàn)象。要避免這種現(xiàn)象，就是將一個螺型位錯從另一個螺型位錯中分離出來，這樣多次重復(fù)這個過程，一個微管缺陷就可以被徹底分解。

位錯

目前4H-SiC同質(zhì)外延層中的大多數(shù)位錯都來源于襯底位錯，襯底位錯中又包括了貫穿螺型位錯（TSD）、貫穿刃型位錯（TED）和基面位錯（BPD）。

螺位錯（TSD）：螺位錯是由晶體中原子排列螺旋狀偏離造成的。在碳化硅中，螺位錯的Burgers矢量為<0001>，這意味著它們沿著晶體的c軸（生長軸）運(yùn)行。螺位錯在晶體生長過程中可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性受損，影響電子遷移率和器件的整體性能。

刃位錯（TED）：刃位錯是由于晶體平面中原子排列的錯位造成的。在碳化硅中，刃位錯的Burgers矢量為1/3<11–20>，表明它們沿一個特定的晶面方向運(yùn)行。這種類型的位錯會導(dǎo)致晶體中局部應(yīng)力集中，影響器件的電學(xué)特性，可能導(dǎo)致器件在高電流或高溫下的不穩(wěn)定性。

基面位錯（BPDs）是碳化硅（SiC）晶體中一種重要的晶體缺陷，它們位于SiC晶體的基面上。BPDs在SiC晶圓表面不太常見，它們主要集中在襯底中，密度相對較高，通常在1500 cm^-2的量級，而在外延層中的密度則大大降低，通常只有約10 cm^-2。    

堆垛層錯（SF）是SiC基晶面中堆垛順序混亂的缺陷。它們可能通過繼承襯底中的SF出現(xiàn)在外延層，或與基晶面位錯和螺位錯的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)化有關(guān)。

胡蘿卜缺陷（Carrot Defect）是一種堆垛層錯復(fù)合體，兩端位于TSD和SF基晶面處，以Frank型位錯終止。形成胡蘿卜形狀，密度小于1 cm^-2。

三角形缺陷（Triangular Defect）可能由外延生長過程中SiC外延層表面的下墜顆粒產(chǎn)生。顆粒嵌入外延層并干擾生長，產(chǎn)生銳角三角形表面特征。

劃痕（Scratches）是SiC晶圓表面的機(jī)械損傷，可能在外延層內(nèi)產(chǎn)生高密度位錯或成為胡蘿卜缺陷形成的基礎(chǔ)。拋光過程中的劃痕會嚴(yán)重影響器件性能。 

在SiC的外延生長過程中，螺位錯（TSD）和刃位錯（TED）是兩種主要的位錯類型，它們從襯底延伸到晶圓表面，并可能導(dǎo)致一些特定的表面特征和缺陷。這些位錯在晶圓表面常表現(xiàn)為小的凹坑狀特征。在外延生長過程中，擴(kuò)展的螺位錯不僅可以延伸到外延層，而且可能轉(zhuǎn)化為其他類型的缺陷。這些螺位錯沿生長軸傳播，并有可能被轉(zhuǎn)化為堆垛層錯（SF）或胡蘿卜缺陷。

來源：

半導(dǎo)體信息：推薦|碳化硅外延層缺陷簡介

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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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