和Si晶體拉晶工藝類似，PVT法制備SiC單晶和切片形成晶圓過程中也會引入多種缺陷。這些缺陷主要包括：表面缺陷；引入深能級的點(diǎn)缺陷；位錯；堆垛層錯；以及碳包裹體和六方空洞等。其中和和Si晶體拉晶工藝不同的是，SiC容易形成多型體，所以也存在一種多型共生缺陷。其中表面缺陷主要有：劃傷，劃痕，亞表面損傷，微型裂痕等，目前多用強(qiáng)光燈下目檢來進(jìn)行檢測，碳包裹體和六方空洞也可以目檢實(shí)現(xiàn)，這里不多做介紹。以下主要介紹多型共生缺陷；點(diǎn)缺陷；位錯；堆垛層錯。

多型共生缺陷

多型共生缺陷是PVT法生長碳化硅晶體特有的一類結(jié)晶缺陷，它形成的根本原因是碳化硅晶體的各類多型體有著良好的結(jié)晶學(xué)相容性和相近的形成自由能。它可以來自籽晶本身的多型共生缺陷，從而復(fù)制到拉晶制備的碳化硅晶體中。但是即使對于不存在多型共生缺陷的籽晶，如果拉晶工藝條件沒有控制好，也會引入到碳化硅晶體中。比如溫度場的異常波動，就可以改變<0001>晶向上Si-C雙原子層的堆垛順序，從而導(dǎo)致晶型的改變。晶型的轉(zhuǎn)變不但會嚴(yán)重破壞碳化硅晶體的結(jié)晶完整性，改變材料的電學(xué)特性，也會誘發(fā)與衍生其他類型的缺陷，比如微管缺陷 。生產(chǎn)過程中，如何監(jiān)測并消除多型共生缺陷，是PVT法碳化硅晶體生長研究的一個重要任務(wù)。目前多型共生缺陷最主要的檢測手段是XRD，結(jié)晶質(zhì)量用XRD搖擺曲線的半高寬(FWHM)表示，工業(yè)級4H-SiC的FWHM應(yīng)滿足<30arcsec。

此外，拉曼散射光譜法也是測試多型共生缺陷的重要手段。我們以488nm激光作為激光源，收集到了不同晶型的拉曼散射光譜，以TO（橫向光學(xué)模）為例參看圖1 ，3C-SiC晶型的光譜位移峰在796cm^-1^位置，4H-SiC晶型的光譜位移峰在 776cm^-1^位置, 6H-SiC晶型的光譜位移峰在 767cm^-1^和789cm^-1^位置。通過對比位移峰的強(qiáng)度，也可以用來表征多型共生缺陷。

圖1. 不同晶型SiC的拉曼散射位移峰

點(diǎn)缺陷

在所有的半導(dǎo)體材料中都存在點(diǎn)缺陷 ，它們一般都會在禁帶中引入深能級，形成載流子的“陷阱”、“復(fù)合中心”，嚴(yán)重影響后續(xù)的半導(dǎo)體器件性能。

物理氣相傳輸法制備SiC晶錠過程中，不可避免地會大量的引入雜質(zhì)元素。比如來自于SiC粉末、坩堝設(shè)備，常見的元素有Ti, V, Cr, Fe, Co等。它們會在禁帶中產(chǎn)生深能級，圖2是在4H-SiC中這些元素的深能級位置 。除了這些雜質(zhì)元素引起的點(diǎn)缺陷以外，和硅晶體類似SiC單晶中也存在空位、間隙原子等不完美的晶體缺陷。這些空位或者間隙原子也會在禁帶中形成深能級，其中對器件性能影響最大的深能級有Z1/2, EH6/7。如圖3所示Z1/2深能級在導(dǎo)帶下0.6ev處，EH6/7深能級在導(dǎo)帶下1.6ev處。目前的研究認(rèn)為這兩種深能級和碳空位的相關(guān)性更強(qiáng)。如何優(yōu)化拉晶工藝來減少點(diǎn)缺陷的報(bào)道目前還較少。

圖2. 4H-SiC中金屬雜質(zhì)深能級位置

圖3. 4H-SiC中主要深能級的位置

由于深能級會形成有效復(fù)合中心，特別是對雙極性器件性能有著巨大影響，所以深能級的監(jiān)控和表征也是十分必要。目前常用的表征防范是深能級瞬態(tài)譜（DLTS）技術(shù)。因?yàn)镾iC的禁帶寬度達(dá)到了3.2ev，必須在寬溫度范圍內(nèi)（10-750K）下采集瞬態(tài)曲線來監(jiān)控深能級。一般通過電加熱和液氮制冷來達(dá)到此溫度范圍，目前常見的設(shè)備廠家如SEMILAB 。下圖為SEMILAB的DLTS設(shè)備在客戶端的測試曲線。

圖4. SEMILAB DLTS 設(shè)備在客戶端實(shí)際測試曲線

位錯

SiC晶圓中位錯缺陷主要包括：微管缺陷(Micropipes)；螺型位錯(TSD)；刃型位錯(TED)；基矢面位錯(BPD)。

在PVT法制備工藝中，螺型位錯(TSD)一般是沿著<0001>晶向傳播，即晶體的垂直c軸方向，參考圖5。它的來源主要來自于籽晶，如果能夠得到零位錯的籽晶，并在穩(wěn)定條件下生長就可以極大地減少螺型位錯。

微管缺陷(Micropipes)可以被看做特殊的螺型位錯。當(dāng)螺型位錯Burgers矢量非常大時，位錯核心周邊的應(yīng)變場也會很高，通過化學(xué)鍵的斷裂形成微觀針孔，直徑為幾微米左右。微管缺陷一般會沿著<0001>晶向貫穿整個晶圓，對器件性能損害極大，要在生長過程中消除。和螺型位錯一樣，可以使用零微管的籽晶，并在穩(wěn)定條件下生長就可以極大的減少微管缺陷。

圖5. 螺型位錯(TSD)形成示意圖

SiC晶體中，刃型位錯(TED)和基矢面位錯(BPD)具有相同的Burgers矢量，<11-20>/3。如圖6所示，在晶體中引入一層半原子面，這種情況下一個有著Burgers矢量為<11-20>/3的位錯將會出現(xiàn)。位于基矢面內(nèi)的位錯（AB線段）定義為一個“BPD”;沿著<0001>晶向的位錯（BC線段）定義為一個“TED”。籽晶中的TED和BPD都會復(fù)制到晶圓中，所以利用零位錯的籽晶進(jìn)行拉晶生長是減少位錯的關(guān)鍵工藝。

圖6. 刃型位錯(TED)和基矢面位錯(BPD)形成示意圖

監(jiān)控位錯最傳統(tǒng)和成熟的手段是化學(xué)腐蝕+光學(xué)顯微鏡/掃描電鏡SEM。SiC是非常惰性的材料，但是可以在450-600℃下用熔融的KOH, NaOH, Na2O2進(jìn)行刻蝕。SiC表面的氧化物會在刻蝕過程中被去除。因?yàn)槲诲e處和沒有位錯處應(yīng)力不同，所以刻蝕速率也不同，會產(chǎn)生誘生位錯腐蝕坑。如圖7所示，最大六邊形坑而且中間為一個空洞的是微管缺陷；較小六邊形坑中間有一個黑點(diǎn)的為TSD；邊長不規(guī)則圖像對比度差的為BPD。圖8所示為化學(xué)腐蝕后的顯微鏡視野圖，和SEM類似，其中最大六角形坑對應(yīng)著TSD; 較小六角形坑對應(yīng)著TED; 邊長模糊的稻殼型對應(yīng)著BPD。

圖7. 化學(xué)腐蝕后SEM圖

圖8. 化學(xué)腐蝕后光學(xué)顯微鏡圖

堆垛層錯

對于碳化硅晶體來說，堆垛層錯（SF）是指沿著長晶的c軸方向，硅碳雙原子層之間的堆接次序發(fā)生了錯排。4H-SiC的堆垛層錯能約為14mJ/m^2^，所以在PVT的高溫工藝中很難避免。堆垛層錯是碳化硅晶體在生長過程中對外長變化的一個響應(yīng)，或者是釋放晶體中形成其他類型結(jié)晶缺陷而在相鄰區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)變能的一個途徑。也可以使用化學(xué)腐蝕+光學(xué)顯微鏡的辦法監(jiān)測堆垛層錯缺陷。SF與表面相交時，通過刻蝕工藝后會形成凹槽，見圖9中Intersection Line(SF)白色箭頭位置。同時在凹槽一端會形成部分位錯的橢圓形腐蝕坑。

圖9. 化學(xué)腐蝕后SF與表面相交形成凹槽的光學(xué)顯微鏡圖

來源：瑟米萊伯

審核編輯：湯梓紅