4H-SiC 外延層中堆垛層錯與襯底缺陷的關(guān)聯(lián)性研究

本研究探討了同質(zhì)外延生長的4H-SiC晶片表面堆垛層錯(SF)的形貌特征和起因。依據(jù)表面缺陷檢測設(shè)備KLA-Tencor CS920的光致發(fā)光(PL)通道和形貌通道的特點(diǎn), 將SF分為五類。其中I類SF在PL通道圖中顯示為梯形, 在形貌圖中不顯示; II類SF在PL通道圖中顯示為三角形, 且與I類SF重合, 在形貌圖中顯示為胡蘿卜形貌。III-V類SF在PL通道圖中均顯示為三角形, 在形貌圖中分別顯示為胡蘿卜、無對應(yīng)圖像或三角形。研究結(jié)果表明, I類SF起源于襯底的基平面位錯(BPD)連線, 該連線平行于<1ˉ100>方向, 在生長過程中沿著<11ˉ20>方向移動, 形成基平面SF。II類和大部分的III-IV類SF起源于襯底的BPD, 其中一個BPD在外延過程中首先轉(zhuǎn)化為刃位錯(TED), 并在外延過程中延<0001>軸傳播, 其余BPD或由TED分解形成的不全位錯(PDs)在(0001)面內(nèi)傳播形成三角形基平面SF。其余的III-V類SF起源于襯底的TED或其它。II-III類SF在形貌通道中顯示為胡蘿卜, 而IV類SF不顯示, 主要區(qū)別在于外延過程中是否有垂直于(0001)面的棱鏡面SF與表面相交。上述研究說明減少襯底的BPD, 對減少外延層中的SF尤為重要。

SiC是目前受到廣范關(guān)注的半導(dǎo)體材料, 具有寬帶隙、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度和高導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能, 是制作高溫、高頻、大功率和低損耗器件的優(yōu)良材料[1,2,3]。然而, 在SiC襯底中, 存在各種缺陷[4,5,6,7,8], 如螺位錯(TSD)、刃位錯(TED)、基平面位錯(BPD)和堆垛層錯(SF)。這些缺陷在外延過程中繁衍, 使得器件性能和可靠性降低[9,10]。

SiC外延層中的堆垛層錯是一種面缺陷, 會增大二極管的反向漏電流以及降低擊穿電壓[11,12,13,14], 嚴(yán)重影響了SiC器件的性能, 目前的研究認(rèn)為六方SiC的堆垛層錯主要起源于襯底缺陷。Yamamoto等[15,16]用X射線形貌法(X-ray Topography)證明了SiC外延層的SF起源于襯底的SF。Zhang等[10]報道了外延層中的兩種SF, 一種SF在(0001)面內(nèi)傳播形成基平面SF, 另外一種在垂直于(0001)的晶面內(nèi)傳播形成棱鏡面SF, 它們起源于襯底的BPD、TED或TSD。Zhou等[17]的研究證實(shí)SiC外延層中3C-SF起源于襯底的TSD, TED或者應(yīng)力, 在形貌上表現(xiàn)為三角形。Hassan等[18]報道SiC PiN二極管中,襯底的BPD在外延過程中分解為兩個不全位錯(PDs), 在兩個不全位錯之間形成肖特基型SF。Lijima等[19]也報道襯底的BPD在外延時產(chǎn)生SF, 并且將外延層中SF的形貌與襯底中BPD的結(jié)構(gòu)做了關(guān)聯(lián)性研究。Stahlbush等[20]通過紫外光激發(fā)電子-空穴對的方法, 間接證實(shí)了外延過程中BPD的移動產(chǎn)生了SF。Okojie等[21]報道了在N摻雜的4H-SiC外延層中, 應(yīng)力是SF的主要起因。

為改進(jìn)SiC外延材料質(zhì)量, SiC外延層中層錯缺陷的特征和起因需要進(jìn)一步研究。本文使用KLA- Tencor CS920和光學(xué)顯微鏡檢測、氫氧化鉀腐蝕結(jié)合外延層減薄的方法, 詳細(xì)研究了同質(zhì)外延生長的4H-SiC中SF的形貌特征和起因, 指導(dǎo)4H-SiC晶體質(zhì)量的改進(jìn)方向。

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1 實(shí)驗方法

首先制備一片4英寸偏<11[Math Processing Error]2ˉ0>方向4°的4H-SiC單晶襯底, 應(yīng)用外延生長爐, 在上述SiC襯底的Si面外延生長一層6 μm厚的SiC外延層, 用KLA- Tencor公司的Candela CS920型表面缺陷檢測儀形貌通道和PL通道對外延層進(jìn)行了測量。PL通道選用波長為355 nm的激發(fā)光, 在波長為370 nm到410 nm范圍內(nèi)檢測發(fā)射光強(qiáng)度的變化。當(dāng)PL激發(fā)光照射到無缺陷的SiC表面時, 瑾在SiC的本征帶隙385 nm處發(fā)生吸收, 并以此發(fā)光強(qiáng)度作為背景, 在圖像中均勻顯示; 當(dāng)PL激發(fā)光照射到有缺陷的SiC表面時, 除了本征帶隙的吸收, 還會有其他特定波長范圍的光被吸收, 檢測到的光強(qiáng)變?nèi)? 圖像顏色變暗, 以此檢測SiC外延層中的缺陷[22,23]。PL Mapping的方法一般用于檢測載流子濃度低的SiC外延層中的缺陷。SiC襯底中因為通過氮摻雜提高載流子濃度, 在PL譜中產(chǎn)生吸收峰, 因此很難用PL Mapping的方法檢測缺陷。

將晶片進(jìn)一步切割成10 mm×10 mm的小片, 對應(yīng)CS920檢測圖中不同位置的圖像。在540 ℃熔融態(tài)的KOH中腐蝕20 min, 采用光學(xué)顯微鏡觀測SF的形貌; 拋光去除一定厚度的外延層, 在熔融態(tài)的KOH中重新腐蝕, 用光學(xué)顯微鏡觀察SF的形貌變化特征; 繼續(xù)采用拋光、腐蝕和光學(xué)顯微鏡觀察的方法, 觀察具有不同形貌的SF的起因, 直至到達(dá)外延-襯底界面處或襯底內(nèi)部。

2 結(jié)果與討論

圖1(a)是用CS920中激發(fā)光波長為355 nm的PL通道檢測的SiC外延層的位錯圖, 圖1(b)是對應(yīng)區(qū)域的形貌圖。從圖中可以看到, SF在PL通道中顯示為梯形和三角形兩種形貌。它們的一條邊都平行于(112ˉ0)晶面, 與外延生長的臺階流方向垂直。三角形SF起源于一個點(diǎn), 梯形SF起源于一條線。梯形SF在形貌通道中不顯示, 標(biāo)記為I; 三角形SF在形貌圖中顯示胡蘿卜(在PL通道中位于梯形內(nèi)部)、單獨(dú)的胡蘿卜、不顯示和三角形, 分別標(biāo)記為II、III、IV和V。其中V類SF為三角形3C相變, 在其它文獻(xiàn)中有過詳細(xì)報道[24,25], 可能起源于襯底的TSD、TED、BPD、劃痕、應(yīng)力或其它。下面主要討論I-IV類SF的起因。

圖 1. CS920檢測SF的圖像(a)激發(fā)波長為355nm的PL通道圖和(b)形貌通道圖

Fig. 1. SF images tested by CS920 (a) PL images excited by 355 nm wavelength; (b) morphology images

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圖1中I類和II類SF重合, 如圖中紅色方框標(biāo)記。觀察I-II類SF的起因, 記錄在圖2中。圖2(a)、(d)和(g)是外延層表面腐蝕后的顯微鏡照片, I類層錯的尾部對應(yīng)圖中平行于(112ˉ0)晶面的直線(以下簡稱平行條紋), 直線上分布著貝殼形的BPD[8]。平行條紋的上臺階方向有一個胡蘿卜形缺陷, 即II類SF。(a)~(c)、(d)~(f)和(g)~(i)分別依次將外延層去除了一定的厚度H, 直至剝離到襯底表面以下, H的具體數(shù)值標(biāo)記在圖片的左側(cè)。將外延表面到襯底相同區(qū)域的圖片縱向排列, 紅色箭頭標(biāo)識出在外延生長過程中具有貫穿性的螺位錯, 用來指引視線找到相同的位錯區(qū)域。

圖 2. I類和II類SF的起因和繁衍特征, <112ˉ0>方向是晶體生長的下臺階方向, D1~D6標(biāo)記平行條紋的移動距離, H1~H6標(biāo)記外延層的去除厚度

Fig. 2. Originations and propagations of SF I and SF II<112ˉ0> is the direction of lower steps of crystal growth. D1-D6 are the moving distances of BPD lines. H1-H6 are the removing thickness of epitaxial layers

圖2的腐蝕結(jié)果發(fā)現(xiàn), 反復(fù)拋光去除一定的外延層厚度后, I類層錯的尾部, 即平行條紋沿著<11[Math Processing Error]2ˉ0>晶向向著晶體生長的上臺階流方向移動。記錄每次平行條紋移動的距離D和拋光去除厚度H, 如表1所示, 發(fā)現(xiàn)他們滿足如下的關(guān)系式:

D =    H

tan 4°

因為襯底表面與(0001)晶面的夾角是4°, 因此由上述結(jié)果可知, 在外延生長過程中, 平行于(112ˉ0)晶面的BPD連線在(0001)晶面內(nèi)沿著下臺階流方向移動, 形成了基平面SF。進(jìn)一步拋光至襯底以下, BPD連線仍然按照公式(1)的規(guī)律移動, 說明這種SF來自SiC襯底。只是因為導(dǎo)電SiC襯底的N含量偏高, 圖1的PL譜中只顯示外延層中的I類SF[21]。襯底和外延層中的N含量記錄在表2中, 其中外延層中的N含量小于檢測設(shè)備的下限。在(11ˉ00)晶面方向觀察I類SF的繁衍規(guī)律, 如圖3(a)所示?；矫嫘蚐F是相鄰BPD在熱應(yīng)力的作用下滑移而產(chǎn)生的[26,27]。一般認(rèn)為SiC晶體中的基平面SF形成能很小, 約為14.7 mJ/m2, 導(dǎo)致這種位錯缺陷很容易產(chǎn)生[28]。

圖 3. (a) SF I; (b) SF II; (c)~(d) SF III; (e)~(f) SF IV的繁衍規(guī)律示意圖

Fig. 3. Propagation diagrams of (a) SF I, (b) SF II, (c)-(d) SF III, and (e)-(f) SF IV

圖2的腐蝕結(jié)果同時發(fā)現(xiàn), 在反復(fù)拋光去除外延層至襯底的過程中, 隨著平行條紋在(0001)晶面內(nèi)向著上臺階方向移動, II類SF中胡蘿卜的長度也逐漸減小至消失。胡蘿卜的頭部對應(yīng)著一個TED,尾部對應(yīng)著一個BPD。當(dāng)拋光至襯底表面時, 頭部TED消失, 緊鄰位置對應(yīng)著平行條紋上的BPD, 如（未完待續(xù)）...

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