GB∕T 43612-2023 碳化硅晶體材料缺陷圖譜（正式版）

碳化硅晶體材料缺陷圖譜2023-12-28發(fā)布國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T43612—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)和定義 4縮略語(yǔ) 25碳化硅晶體材料缺陷 25.1晶錠缺陷 25.2襯底缺陷 45.3外延缺陷 85.4工藝缺陷 6缺陷圖譜 6.1晶錠缺陷圖譜 6.2襯底缺陷圖譜 6.3外延缺陷圖譜 6.4工藝缺陷圖譜 參考文獻(xiàn) 索引 I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布結(jié)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC203)與全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)材料分技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC203/SC2)共同提出并歸口。本文件起草單位：廣東天域半導(dǎo)體股份有限公司、有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院有限責(zé)任公司、北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、山東天岳先進(jìn)科技股份有限公司、河北同光半導(dǎo)體股份有限公司、北京大學(xué)東莞光電研究院、山西爍科晶體有限公司、河北普興電子科技股份有限公司、北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、湖州東尼半導(dǎo)體科技有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所、中電化合物半導(dǎo)體有限公司、南京國(guó)盛電子有限公司、哈爾濱科友半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)裝備與技術(shù)研究院有限公司、新美光(蘇州)半導(dǎo)體科技有限公司、江蘇卓遠(yuǎn)半導(dǎo)體有限公司。碳化硅晶體材料缺陷圖譜本文件規(guī)定了導(dǎo)電型4H碳化硅(4H-SiC)晶體材料缺陷的形貌特征，產(chǎn)生原因和缺陷圖譜。本文件適用于半導(dǎo)體行業(yè)碳化硅(晶錠、襯底片、外延片及后續(xù)工藝)的研發(fā)、生產(chǎn)及檢測(cè)分析等環(huán)節(jié)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；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GB/T14264半導(dǎo)體材料術(shù)語(yǔ)3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T14264界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。4H-SiC晶錠在PVT法生長(zhǎng)過程中因籽晶自身缺陷延伸、偏離化學(xué)計(jì)量比、晶錠內(nèi)部應(yīng)力、雜質(zhì)而產(chǎn)生的缺陷。4H-SiC襯底中的結(jié)晶缺陷或結(jié)構(gòu)缺陷以及切、磨、拋加工后留在4H-SiC襯底表面上的缺陷。4H-SiC外延層中的結(jié)晶缺陷以及4H-SiC外延層表面上因采用臺(tái)階流動(dòng)控制外延生長(zhǎng)方法而產(chǎn)生的缺陷。器件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。注：包括4H-SiC晶錠和襯底中的點(diǎn)、線、面及體缺陷，以及4H-SiC外延層中的點(diǎn)、線、面缺陷。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、亞損傷層、外延生長(zhǎng)條件偏離等原因，在臺(tái)階流動(dòng)控制生長(zhǎng)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2表面不完整性形貌特征。注1:表面形貌缺陷借助強(qiáng)光束、顯微鏡或?qū)I(yè)檢測(cè)設(shè)備可以觀測(cè)到。注2:4H-SiC外延層典型的表面形貌缺陷包括：掉落顆粒物缺陷、三角形缺陷、胡蘿卜缺陷、凹坑、梯形缺陷、臺(tái)階聚集、外延凸起和乳凸等。不全位錯(cuò)partialdislocation;PD伯格斯(Burgers)矢量不等于單位點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò)。注：在4H-SiC中，不全位錯(cuò)構(gòu)成了層錯(cuò)的兩條終止邊界。不全位錯(cuò)有肖克萊(Shockley)型和弗蘭克(Frank)型兩種，前者的Burgers矢量方向平行于層錯(cuò)面，而后者的Burgers矢量方向則垂直于層錯(cuò)面，因此，前者可滑移，而后者不可動(dòng)。下列縮略語(yǔ)適用于本文件。AFM:原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope)BPD:基平面位錯(cuò)(basalplanedislocation)CVD:化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition)EL:電致發(fā)光(electroluminescence)ICP:電感耦合等離子體(inductivelycoupledplasma)MOSFET:金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxidesemiconductorfieldeffecttransistor)MP:微管(micropipe)PVT:物理氣相傳輸(physicalvaportransport)RIE:反應(yīng)離子刻蝕(reactiveionetch)SEM:掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope)TED:穿透刃位錯(cuò)(threadingedgedislocation)TSD:穿透螺位錯(cuò)(threadingscrewdislocation)5碳化硅晶體材料缺陷5.1晶錠缺陷在4H-SiC晶體內(nèi)部生長(zhǎng)的貫穿型或部分穿透的裂紋，嚴(yán)重時(shí)可見晶體碎裂成塊，如圖1和圖2所示。晶體生長(zhǎng)、退火或加工過程中，由于引入晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力過大、晶體內(nèi)部缺陷過高或機(jī)械應(yīng)力過3在4H-SiC晶體內(nèi)部形成的多晶嵌入式生長(zhǎng)，如圖3所示。在晶體生長(zhǎng)過程中，由于包裹物或生長(zhǎng)條件劇烈波動(dòng)導(dǎo)致多晶成核長(zhǎng)大，從而形成與單晶取向存在較大偏差的多晶顆粒。邊緣多晶附著在4H-SiC晶體周圍，與內(nèi)部單晶之間存在明顯的襯度交界線，如圖4所示。在晶體生長(zhǎng)過程中，溫度場(chǎng)分布不合理造成籽晶邊緣升華，導(dǎo)致籽晶直徑減小，使得多晶在籽晶邊緣附著而形成；或是生長(zhǎng)初期籽晶處徑向溫度梯度過小，導(dǎo)致多晶附著在籽晶邊緣的籽晶托上而形成。5.1.4.1形貌特征在4H-SiC晶體中，形成了6H、15R或3C等異晶型。其中，6H、15R的顏色與4H晶型存在明顯的差異層狀分布，一般可通過多型分界線或顏色不同來區(qū)分(6H呈翠綠色，15R呈暗黃色),如圖5和圖6所示。在晶體生長(zhǎng)過程中，偏離了4H-SiC生長(zhǎng)的生長(zhǎng)窗口，而產(chǎn)生了有利于6H、15R或3C多型生長(zhǎng)的條件而形成；或是晶體生長(zhǎng)表面的污染物導(dǎo)致的異晶型成核生長(zhǎng)而形成。MP是一種微米級(jí)直徑的物理孔洞，本質(zhì)為Burgers矢量數(shù)倍于TSD的穿透位錯(cuò)，其終端延伸至晶體表面，從晶體自然面可觀察到小凹坑，如圖7所示。MP聚集區(qū)通常集中在晶錠邊緣區(qū)域，其對(duì)比度相比于無MP區(qū)域較為明顯，如圖8所示。MP通常起始于籽晶或接近籽晶的位置，由多型、碳包裹體、硅滴、籽晶背面升華等因素導(dǎo)致局部應(yīng)變和晶格畸變而形成。45.2襯底缺陷在4H-SiC晶體內(nèi)部形成的多晶嵌入式生長(zhǎng)，多晶與單晶之間存在明顯的襯度界線，如圖9和圖10在晶體生長(zhǎng)過程中，溫度場(chǎng)分布不合理或生長(zhǎng)條件劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致多晶成核長(zhǎng)大。在4H-SiC晶體中，形成了6H、15R或3C等異晶型。其中，6H、15R晶型的顏色與4H晶型存在明顯的層狀分布差異，一般可通過多型分界線或者顏色不同來區(qū)分(6H呈翠綠色，15R呈暗黃色),如圖11～圖13所示。在晶體生長(zhǎng)過程中，偏離了4H-SiC生長(zhǎng)的生長(zhǎng)窗口，而產(chǎn)生了有利于6H、15R或3C多型生長(zhǎng)的條件而形成；或是晶體生長(zhǎng)表面的污染物導(dǎo)致的異晶型成核生長(zhǎng)而形成。在4H-SiC晶體內(nèi)部形成的液滴形貌的硅組分夾雜，如圖14所示。在晶體生長(zhǎng)過程中，遠(yuǎn)離晶體生長(zhǎng)平衡態(tài)，硅組分分壓過高，在生長(zhǎng)界面形成Si單質(zhì)顆粒，進(jìn)而被后續(xù)生長(zhǎng)的4H-SiC單晶包裹而形成。由碳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15和圖16所示。在晶體生長(zhǎng)過程中，多晶原料由于非化學(xué)計(jì)量比升華以及石墨部件腐蝕形成碳顆粒，碳顆粒在生長(zhǎng)組分輸運(yùn)的過程中運(yùn)動(dòng)至生長(zhǎng)界面，進(jìn)而被后續(xù)生長(zhǎng)的4H-SiC單晶包裹而形成。在4H-SiC晶體內(nèi)部多呈現(xiàn)為六邊形的空腔結(jié)構(gòu)，如圖17～圖19所示。5在晶體生長(zhǎng)過程中，籽晶粘接不良造成籽晶背部負(fù)生長(zhǎng)，在單晶內(nèi)形成了中空結(jié)構(gòu)。SF是指晶體中一定范圍內(nèi)晶面堆疊順序的錯(cuò)誤，范圍的邊界由PD構(gòu)成。4H-SiC中SF面通常為Shockley型SF可看作晶面的滑移，大多數(shù)Shockley型SF在PL圖像中呈三角形狀，如圖20所示；Frank型SF可看作增加或減少一個(gè)或多個(gè)晶面而形成堆垛錯(cuò)誤，在PL圖像中呈條形狀，如圖21所示。SF以及對(duì)應(yīng)PD的類型也可用同步輻射X射線拓?fù)鋱D像來進(jìn)行區(qū)分：Shockley型SF對(duì)應(yīng)的PD的Burgers矢量為1/3<1100>,其形貌如圖22所示；Frank型SF對(duì)應(yīng)的PD的Burgers矢量是c/4、c/2或3c/4,其形貌如圖23所示。Shockley型SF主要由于機(jī)械應(yīng)力、溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力，導(dǎo)致晶格失配、晶面錯(cuò)排，以及制備籽晶過程中遺留在其表面上的殘余劃痕而導(dǎo)致。Frank型SF由于TSD的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而形成。5.2.7穿透螺位錯(cuò)(TSD)在熔融KOH腐蝕后，TSD的蝕坑呈六邊形，該六邊形蝕坑是一個(gè)倒六面錐體，錐頂即蝕坑的底尖，底尖并不在六邊形蝕坑的中央，而是偏向[1120]方向，如圖24所示。在同步輻射X射線拓?fù)鋱D像中，TSD呈大尺寸的圓形亮點(diǎn)(相對(duì)于TED),如圖25所示。由于TSD為穿透位錯(cuò)，籽晶中的TSD會(huì)遺傳至所生長(zhǎng)的單晶襯底中；或是在生長(zhǎng)過程中籽晶粘接不良、溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理等因素在單晶內(nèi)引入內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變，導(dǎo)致部分晶格區(qū)域發(fā)生滑移，而造成TSD5.2.8穿透刃位錯(cuò)(TED)在熔融KOH腐蝕后，TED的蝕坑呈近圓形，由于TED的Burgers矢量小于TSD,所以TED的蝕坑尺寸也小于TSD,如圖26所示。同樣地，在同步輻射X射線拓?fù)鋱D像中，TED呈小尺寸的圓形亮點(diǎn)(相對(duì)于TSD),如圖27所示。注：TED的Burgers矢量為1/3<1120>,約為c/3。襯底TED的形成機(jī)制與TSD相似，由于TED為穿透位錯(cuò)，籽晶中的TED會(huì)遺傳至單晶襯底中而形成；或是在生長(zhǎng)過程中籽晶粘接不良、溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理等因素在單晶內(nèi)引入內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變，導(dǎo)致部6分晶格區(qū)域發(fā)生滑移，造成TED的形成、滑移和增殖。5.2.9基平面位錯(cuò)(BPD)BPD是4H-SiC晶體中位于基晶面內(nèi)的一種一維結(jié)晶缺陷，在熔融KOH腐蝕后，BPD的蝕坑呈貝殼狀，如圖28所示。在同步輻射X射線拓?fù)鋱D像中，BPD呈線狀，如圖29所示。注：BPD的Burgers矢量為1/3<1120),約為c/3,與TED相同，小于TSD。由于籽晶中的BPD遺傳至單晶襯底中而形成，或是晶體生長(zhǎng)過程工藝不穩(wěn)定、引入熱應(yīng)力和雜質(zhì)而形成。小角晶界是由高密度TED和BPD構(gòu)成的高應(yīng)變區(qū)域，在熔融KOH腐蝕后呈現(xiàn)出腐蝕坑直線排列的位錯(cuò)組態(tài)，如圖30所示。在同步輻射X射線透射拓?fù)鋱D像中呈現(xiàn)沿著[1100]方向的線條狀，如圖31所示。由于籽晶中的小角晶界傳播穿透至襯底表面而形成；或是晶體生長(zhǎng)過程中出現(xiàn)強(qiáng)烈干擾、工藝異常和工藝過度修正等原因?qū)е麓罅縏ED和BPD聚集而形成。MP是一種微米級(jí)直徑的物理孔洞，本質(zhì)為Burgers矢量數(shù)倍于TSD的穿透位錯(cuò)，其在SEM圖像、明場(chǎng)表面圖像和PL圖像的形貌，分別如圖32和圖33所示。在偏振光顯微圖像中，單個(gè)MP看起來像有四個(gè)明亮翅膀的蝴蝶，如圖34所示；MP聚集區(qū)通常集中在晶片邊緣區(qū)域，其對(duì)比度相較于無MP區(qū)域較明顯，如圖35和圖36所示。多型、碳包裹體、硅滴、籽晶背面升華等缺陷，導(dǎo)致局部應(yīng)變和晶格畸變而形成；或是籽晶中的MP延伸至單晶襯底中而形成。襯底表面的一種凹陷，具有一定形狀的凹面，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下可見凹陷點(diǎn)，如圖37所示。由拋光階段KMnO?腐蝕引起；或是拋光貼蠟時(shí)，顆粒磨損襯底表面而形成。7局部邊緣破損，并不貫穿襯底正、背表面，存在于襯底表面邊緣區(qū)域，如圖38所示。由于切割線擺動(dòng)、研磨、拋光或倒角時(shí)，襯底局部承受壓力過大、操作不當(dāng)而形成；或是退火過程中溫度變化引起晶體內(nèi)部應(yīng)力改變而形成。局部邊緣破損，貫穿襯底正、背表面，存在于襯底邊緣區(qū)域，如圖39所示。由于切割線擺動(dòng)、研磨、拋光或倒角時(shí)，襯底局部承受壓力過大、操作不當(dāng)而形成。襯底內(nèi)部至表面的解理或斷裂，它不貫穿整個(gè)表面，易沿晶體的解理面產(chǎn)生，如圖40所示。由于研磨、拋光過程中，磨料顆粒形狀不規(guī)則，造成局部壓強(qiáng)過大而形成；或是超聲波清洗時(shí)，液體與襯底表面存在空化作用，局部存在劇烈的壓力、溫度變化而導(dǎo)致。襯底表面上的一種宏觀無規(guī)則較淺的細(xì)溝槽，其長(zhǎng)寬比大于5:1,如圖41～圖44所示。由于研磨和拋光時(shí)，研磨機(jī)磨盤質(zhì)量不佳、磨料顆粒形狀不規(guī)則、拋光液中混有硬質(zhì)顆?；驋伖夤に嚟h(huán)境不滿足潔凈度要求，造成襯底局部壓強(qiáng)過大而形成。沾污存在于襯底表面，由于其來源不同而有不同的表現(xiàn)，表面沾污包括水跡、污跡、溶劑殘留等，區(qū)域沾污包括吸盤印、塵埃、指紋印記等，如圖45和圖46所示。由拋光后清潔處理不徹底所引起。85.3外延缺陷5.3.1掉落顆粒物缺陷掉落顆粒物缺陷有兩種典型形貌，一是孤立出現(xiàn)的大型點(diǎn)狀形貌，如圖47和圖48所示；二是以點(diǎn)狀顆粒物為頭部，并伴隨出現(xiàn)三角形缺陷，如圖49和圖50所示。掉落顆粒物缺陷一般可借助強(qiáng)光束用肉眼直接觀察到，如圖51所示。在放片、傳輸、生長(zhǎng)等過程中，反應(yīng)室、傳片腔體等內(nèi)壁上的不定形碳、SiC小顆粒物或其他塵埃顆粒物，掉落在襯底或外延層表面上而形成。三角形缺陷起始于外延層/襯底界面處，從基晶面內(nèi)延伸到外延層表面，在外延層明場(chǎng)表面圖像和PL圖像上均可觀察到三角形圖案的部分或整體，三角形缺陷沿[1120]方向的長(zhǎng)度(L)按公式(1)進(jìn)行計(jì)算。圖52和圖53、圖54和圖55、圖56和圖57、圖58和圖59,分別給出了由掉落顆粒物缺陷、TSD、乳凸和劃痕引起三角形缺陷的典型形貌。式中：L——三角形缺陷沿[1120]方向的長(zhǎng)度，單位為微米(μm);外延生長(zhǎng)過程中，由于掉落顆粒物、乳凸等外來物，襯底表面劃痕及TSD等缺陷影響了原子臺(tái)階流動(dòng)而形成。注：三角形缺陷屬表面形貌缺陷，其本質(zhì)是由變形的4H-SiC晶型邊界和含有3C晶型夾層的三角形區(qū)域構(gòu)成，在(0001)晶面上形成3C-SiC區(qū)域，所以在PL圖像中呈三角形圖案。在明場(chǎng)表面圖像和PL圖像中呈現(xiàn)出彗星狀圖案，通常有獨(dú)立的“腦袋”和“尾巴”,如圖60和圖61所示，彗星缺陷平行于[1120]方向，其長(zhǎng)度隨外延層厚度的增加而增大，且滿足公式(1)。外延生長(zhǎng)過程中，由外來物影響了原子臺(tái)階流動(dòng)并在化學(xué)計(jì)量偏向富硅的外延工藝條件下，容易形成彗星缺陷。起始于外延層/襯底界面處，在外延層明場(chǎng)表面圖像上呈胡蘿卜狀圖案，在PL圖像上呈線形圖9案，沿[1120]方向延伸，其長(zhǎng)度隨著外延層厚度的增加而增大，且滿足公式(1)。由TSD引起的胡蘿卜缺陷，其典型形貌如圖62和圖63所示；由劃痕引起的胡蘿卜缺陷，其典型形貌如圖64所示。注：胡蘿卜缺陷由三個(gè)缺陷組成，即基平面層錯(cuò)、棱柱面層錯(cuò)和兩者交界處的階梯桿狀位錯(cuò)?；骄鎸渝e(cuò)是插入一個(gè)雙原子層的Frank型層錯(cuò)，層錯(cuò)的一個(gè)邊界為Frank型不全位錯(cuò)，層錯(cuò)堆垛序列為(2232),而棱柱面層錯(cuò)與3C-SiC包裹體相同，與外延層表面相交形成胡蘿卜形形貌。由襯底中的TSD和襯底表面上的劃痕所引起。在明場(chǎng)表面圖像可觀察到小凹陷或小坑狀的形貌，在PL圖像上觀察不到圖案，如圖65和圖66所示。通過KOH腐蝕外延層前、后的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，外延層的凹坑分布與襯底TSD分布接近，如圖67和圖68所示。由襯底中的凹坑、TSD和TED貫穿到外延層而形成。注：一般情況下，外延層厚度在30μm以下，主要觀察到的是由襯底凹坑和TSD引起的外延凹坑；外延層厚度在30μm以上，可以同時(shí)觀察到由襯底凹坑、TSD和TED引起的外延凹坑。在明場(chǎng)表面圖像上呈梯形狀，在PL圖像上觀察不到圖案，如圖69～圖71所示。其由平行于[1100]方向且長(zhǎng)度不等的兩條底邊構(gòu)成，短底邊處于[1120]方向的上游，長(zhǎng)底邊處于[1120]方向的下游，兩底邊的間距隨外延層厚度增加而增大，按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。D=T/tan(4°)………(2)式中：D——梯形缺陷兩底邊的間距，單位為微米(μm);由于BPD、TED、TSD和劃痕周圍的位錯(cuò)環(huán)，在H?刻蝕過程中影響了原子臺(tái)階流動(dòng)，而產(chǎn)生底邊，而后因團(tuán)簇效應(yīng)使底邊間距變大形成梯形缺陷。在外延層表面上平行于[1100]方向的多個(gè)原子臺(tái)階匯聚在一起而形成的平行線簇，如圖72～圖74所示。臺(tái)階聚集是一種表面形貌缺陷，自身不存在結(jié)晶缺陷，所以在PL圖像中一般不會(huì)出現(xiàn)形狀或圖案。由于襯底結(jié)晶缺陷、襯底劃痕等原因阻礙了原子流動(dòng)而形成臺(tái)階，并在H?刻蝕過程使原子臺(tái)階變外延晶片邊緣高度凸起，形貌如圖75所示。由于外延晶片上游端邊緣區(qū)域無原子臺(tái)階補(bǔ)充，或是晶片邊緣應(yīng)力引起三角形缺陷團(tuán)簇，導(dǎo)致外延層表面高度與晶片邊緣出現(xiàn)高度差。在明場(chǎng)表面圖像上呈現(xiàn)為凸點(diǎn)或凸起狀，但表面觀察不到明顯的異物，一般會(huì)伴隨一條沿[1100]方向貫穿其中心的豎線，在PL圖像上一般觀察不到任何圖案，如圖76和圖77所示。小尺寸微小顆粒、3C-SiC顆粒、碳包裹體等在外延生長(zhǎng)前階段掉落在晶片表面而形成。在明場(chǎng)表面圖像中呈凹坑狀，且在PL圖像中呈數(shù)倍于表面凹坑直徑的螺旋紋圖案，如圖78所示。5.3.10.2產(chǎn)生原因由于襯底MP貫穿到外延層而形成。外延層的SF根據(jù)形貌特征可分為三類：第一類是SF的一條或兩條邊界在外延層表面形成可觀察的形貌，且在PL圖像中呈三角形圖案，如圖79～圖82所示；第二類是明場(chǎng)表面圖像中觀察不到相應(yīng)的形貌，但在PL圖像中呈三角形圖案，如圖83和圖84所示；第三類是在PL圖像中呈現(xiàn)條形圖案，如圖85和圖86所示。第一類和第二類SF是外延層的原生型SF,由CVD生長(zhǎng)室清潔度、襯底表面狀態(tài)、外延工藝穩(wěn)定性和襯底位錯(cuò)滑移等微小擾動(dòng)引起堆垛序列的錯(cuò)誤而形成。第三類是由襯底Frank型SF向外延層的貫穿而形成。5.3.12穿透螺位錯(cuò)(TSD)外延層的TSD在沒有引起其他缺陷的情況下，明場(chǎng)表面圖像觀察不到其相應(yīng)的形貌特征，如圖87a)所示，但在熔融KOH腐蝕后，TSD的蝕坑呈較大尺寸(相對(duì)于TED)的六邊形或橢圓形，如圖87b)所示。注1:TSD經(jīng)常在外延層表面引起凹坑，小部分TSD會(huì)引起胡蘿卜缺陷、臺(tái)階聚集或三角形缺陷。注2:TSD蝕坑的形狀取決于KOH的腐蝕程度，隨著程度的增加，由六邊形向圓形轉(zhuǎn)變。主要由于襯底TSD向外延層的貫穿而形成，其密度與襯底TSD密度接近。5.3.13穿透刃位錯(cuò)(TED)外延層的TED在沒有引起其他缺陷的情況下，明場(chǎng)表面圖像觀察不到其相應(yīng)的形貌和特征，如圖87a)所示，但在熔融KOH腐蝕后，TED的蝕坑呈較小尺寸(相對(duì)于TSD)的六邊形或橢圓形，如圖87b)所示。由于襯底TED貫穿到外延層而形成；或是非平行于[1120]方向的襯底的BPD在外延生長(zhǎng)初期鏡像力的作用下轉(zhuǎn)化為TED。5.3.14基平面位錯(cuò)(BPD)外延層的BPD在明場(chǎng)表面圖像中觀察不到形貌特征，但在PL圖像中呈現(xiàn)平行于[1120]方向的線形圖案，如圖88a)和圖88b)所示。在熔融KOH腐蝕后，BPD的蝕坑呈貝殼狀，如圖88c)和圖88d)所示。注：BPD在外延晶片的分布特點(diǎn)與其產(chǎn)生原因密切相關(guān)：由襯底貫穿的BPD一般是孤立出現(xiàn)，且長(zhǎng)度基本滿足公式(1),如圖89所示；由三角形缺陷和MP等大尺寸缺陷引起的BPD,會(huì)以缺陷為中心，沿著<1100>方向多對(duì)出現(xiàn)且呈對(duì)稱分布，如圖90和圖91所示；由晶片邊緣應(yīng)力引起的BPD,沿著<1100)方向分布密集且數(shù)量巨大，如圖92所示；由熱應(yīng)力引起的BPD,沿著<1100>方向成對(duì)出現(xiàn)，兩個(gè)BPD之間的地方經(jīng)常會(huì)伴隨HLA的出現(xiàn)，如圖93所示。BPD的產(chǎn)生原因包括以下四種：a)平行于[1120]方向的襯底BPD向外延層貫穿；b)三角形缺陷和MP等大尺寸缺陷造成周邊晶格應(yīng)變，需要通過形成BPD來釋放應(yīng)力；c)晶片邊緣由于機(jī)械磨拋加工和外延生長(zhǎng)過程中的邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)力引起大量BPD的形成；d)在晶格失配的前提下，較大的溫度不均勻引起熱應(yīng)力與晶格失配應(yīng)力方向一致時(shí)，作用力的疊加使已經(jīng)存在的BPD產(chǎn)生滑移，增殖形成多個(gè)BPD。5.3.15半環(huán)列陣(HLA)HLA在PL圖像觀察到出現(xiàn)在兩對(duì)BPD之間的點(diǎn)狀或短線圖案，沿[1100]方向列陣組成，如圖94a)所示。注：通過熔融KOH后發(fā)現(xiàn)，HLA的本質(zhì)就是BPD的滑移過程中沿途留下的BPD碎片列陣，如圖94b)所示。在外延生長(zhǎng)過程中，由于MP、三角形缺陷和熱應(yīng)力引起的BPD滑移而形成。5.4工藝缺陷高溫氧化過程會(huì)誘導(dǎo)形成深能級(jí)中心或1SSF型層錯(cuò)缺陷，如圖95所示，該層錯(cuò)的不全位錯(cuò)邊界會(huì)向[1100]或[1100]方向發(fā)生形變，如圖96所示。5.4.1.2產(chǎn)生原因4H-SiC的熱氧化過程中，硅和碳原子容易發(fā)生相分離而形成硅團(tuán)簇和碳團(tuán)簇。在氧化環(huán)境下，硅團(tuán)簇不穩(wěn)定，很容易被氧化生成SiO?。而與硅團(tuán)簇相比，碳團(tuán)簇比較穩(wěn)定，只有部分碳團(tuán)簇能夠被氧化形成COx氣體，但COx氣體并不能完全被排出，從而導(dǎo)致SiC/SiO?界面碳團(tuán)簇的形成。碳團(tuán)簇形成的同時(shí)也形成了碳空位，這些都是深能級(jí)。生長(zhǎng)的SiO?薄層在高溫氧化環(huán)境下引起體積膨脹，形成界5.4.2電應(yīng)力誘導(dǎo)三角形層錯(cuò)電應(yīng)力誘導(dǎo)的三角形層錯(cuò)，屬于單Shockley型層錯(cuò)，其PL圖像和EL圖像分別如圖97和圖98所示。從襯底貫穿到外延層中的BPD是電應(yīng)力誘導(dǎo)三角形層錯(cuò)的主要原因，由于漂移層中BPD或位錯(cuò)環(huán)在電子空穴復(fù)合驅(qū)動(dòng)下分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)并滑移擴(kuò)展成為Shockley型層錯(cuò)，激活能約為0.27eV,會(huì)形成電應(yīng)力誘導(dǎo)三角形層錯(cuò)。5.4.3電應(yīng)力誘導(dǎo)條形層錯(cuò)電應(yīng)力誘導(dǎo)的條形層錯(cuò)，其擴(kuò)展速度大，幾乎是三角形層錯(cuò)的4倍，因此條形層錯(cuò)的面積一般會(huì)遠(yuǎn)大于三角形層錯(cuò)，其PL圖像和EL圖像分別如圖99和圖100所示。外延層/襯底界面由BPD轉(zhuǎn)化而形成的TED是電應(yīng)力誘導(dǎo)條形層錯(cuò)產(chǎn)生的主要來源，激活能約為0.23eV,會(huì)誘導(dǎo)條形層錯(cuò)的擴(kuò)展，擴(kuò)展開始時(shí)，層錯(cuò)呈現(xiàn)等腰三角形形狀，當(dāng)層錯(cuò)與PN界面接觸后，轉(zhuǎn)化成梯形或條形層錯(cuò)，并隨電應(yīng)力沿[1100]方向繼續(xù)擴(kuò)展，最終長(zhǎng)度可達(dá)器件有源區(qū)寬度。5.4.4干法刻蝕缺陷5.4.4.1形貌特征刻蝕工藝在4H-SiC外延層表面和側(cè)壁產(chǎn)生不可逆的結(jié)晶缺陷，缺陷會(huì)在應(yīng)力下發(fā)生擴(kuò)展，如圖101所示。5.4.4.2產(chǎn)生原因CF?基RIE和ICP刻蝕等制造臺(tái)面二極管和溝槽MOSFET的基本刻蝕工藝，在4H-SiC外延層表面和側(cè)壁產(chǎn)生點(diǎn)缺陷或位錯(cuò)環(huán)，形成位錯(cuò)對(duì)，引起局部應(yīng)變，在PN結(jié)處的局部應(yīng)變或熱應(yīng)力下誘發(fā)層錯(cuò)及其擴(kuò)展。6缺陷圖譜6.1晶錠缺陷圖譜晶錠缺陷圖譜見圖1～圖8。圖1裂紋(強(qiáng)光手電光照，肉眼觀察)圖2加工裂紋(強(qiáng)光手電光照，肉眼觀察)圖3雜晶(日光，肉眼觀察)圖4邊緣多晶(日光，肉眼觀察)GB/T43612—2023圖5多型(日光，肉眼觀察)圖6多型縱切片(強(qiáng)光手電光照，肉眼觀察)圖7微管(強(qiáng)光手電光照，肉眼觀察)6.2襯底缺陷圖譜襯底缺陷圖譜見圖9～圖46。圖8微管聚集區(qū)(強(qiáng)光手電光照，肉眼觀察)圖9多晶1(光學(xué)顯微圖像)圖10多晶2(光學(xué)顯微圖像)GB/T43612—2023圖11襯底中心多型(光學(xué)圖像)圖12襯底邊緣多型1(光學(xué)顯微圖像)圖13襯底邊緣多型2(光學(xué)顯微圖像)圖14硅滴包裹體(光學(xué)顯微圖像)圖15碳包裹體1(光學(xué)顯微圖像)圖16碳包裹體2(光學(xué)顯微圖像)圖17六方空洞1(光學(xué)顯微圖像)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖18六方空洞2(光學(xué)顯微圖像)六方空洞GB/T43612—2023圖22Shockley型SF(同步輻射X射線形貌術(shù)圖像)圖23Frank型SF(同步輻射X射線形貌術(shù)圖像)圖24襯底TSD(光學(xué)顯微圖像，KOH腐蝕后)圖25襯底TSD(同步輻射X射線拓?fù)鋱D像)圖26襯底TED(光學(xué)顯微圖像，KOH腐蝕后)圖27襯底TED(同步輻射X射線拓?fù)鋱D像)圖28襯底BPD(光學(xué)顯微圖像，KOH腐蝕后)圖29襯底BPD(同步輻射X射線拓?fù)鋱D像)圖30小角晶界(光學(xué)顯微圖像，KOH腐蝕后)圖31小角晶界(同步輻射X射線拓?fù)鋱D像)圖32襯底MP(SEM圖像)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖33襯底MP圖34襯底MP(偏振光顯微圖像)圖35襯底MP聚集區(qū)(偏振光顯微圖像)圖36襯底MP聚集區(qū)(應(yīng)力透射偏振光圖像)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖37凹坑圖38崩邊(光學(xué)顯微圖像)圖39缺口(光學(xué)顯微圖像)圖40裂紋(光學(xué)顯微圖像)圖41劃痕(光學(xué)顯微圖像)圖42劃痕(AFM圖像)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖43劃痕圖44劃痕(暗場(chǎng)表面圖像，ScN通道，激光散射法)圖45水跡沾污(光學(xué)圖像)圖46沾污(光學(xué)顯微圖像)6.3外延缺陷圖譜外延缺陷圖譜見圖47～圖94。a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖47孤立出現(xiàn)的掉落顆粒物缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)c)PL圖像圖48孤立出現(xiàn)的掉落顆粒物缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖49引起三角形缺陷的掉落顆粒物缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)c)PL圖像圖50引起三角形缺陷的掉落顆粒物缺陷2GB/T43612—2023圖51掉落顆粒物缺陷(強(qiáng)光手電筒光照，肉眼觀察)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖52掉落顆粒物缺陷引起的三角形缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(OZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖53掉落顆粒物缺陷引起的三角形缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖54TSD引起的三角形缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖55TSD引起的三角形缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖56乳凸引起的三角形缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖57乳凸引起的三角形缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖58劃痕引起的三角形缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖59劃痕引起的三角形缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖60彗星缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖61彗星缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖63TSD引起的胡蘿卜缺陷2a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖64劃痕引起的胡蘿卜缺陷a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕前)b)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕后)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕前)b)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕后)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖69梯形缺陷1a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖70梯形缺陷2b)PL圖像a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖71梯形缺陷3a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖73劃痕引起的臺(tái)階聚集1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)c)PL圖像圖74劃痕引起的臺(tái)階聚集2圖75外延凸起(明場(chǎng)表面圖像，微分干涉法)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法圖76乳凸1a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖78a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)外延層MPb)PL圖像圖79表面有一條邊界的SF1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖80表面有一條邊界的SF2c)PL圖像圖80表面有一條邊界的SF2(續(xù))a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖81表面有兩條邊界的SF1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)圖82表面有兩條邊界的SF2圖82表面有兩條邊界的SF2(續(xù))a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖83表面無邊界的SF1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)圖84b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)表面無邊界的SF2圖84表面無邊界的SF2(續(xù))a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)圖85PL呈條狀的SF1a)明場(chǎng)表面圖像(QZrO通道，激光散射法)圖86b)暗場(chǎng)表面圖像(ScN通道，激光散射法)PL呈條狀的SF2c)PL圖像a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕前)b)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕后)圖87外延層TSD和TEDa)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕前)c)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕后)b)PL圖像(KOH腐蝕前)d)PL圖像(KOH腐蝕后)圖89襯底貫穿到外延層的BPD(PL圖像)a)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖90三角形缺陷引起的外延層BPDa)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖91MP引起的外延層BPDa)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖92晶片邊緣應(yīng)力引起的外延層BPDa)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法)b)PL圖像圖93熱應(yīng)力引起的外延層BPDa)PL圖像(KOH腐蝕前)b)明場(chǎng)表面圖像(微分干涉法，KOH腐蝕后)6.4工藝缺陷圖譜工藝缺陷圖譜見圖95～圖101。GB/T43612—2023圖95高溫氧化誘導(dǎo)層錯(cuò)[高分辨TEM圖，Zhdanov標(biāo)記為(1,3),1SSF層錯(cuò)]圖96高溫氧化誘導(dǎo)層錯(cuò)(PL圖像)電流應(yīng)力后PiN二極管中三角形層錯(cuò)(PL圖像)電流應(yīng)力后SiC雙極性器件三角形層錯(cuò)(EL圖像)圖99電流應(yīng)力后PiN二極管中條形層錯(cuò)(PL圖像)圖100薄緩沖層PiN中條形層錯(cuò)(EL圖像)圖101源于臺(tái)面?zhèn)缺诘娜毕輦鞑1]T/CASAS004.2—20184H碳化硅襯底及外延層缺陷圖譜[2]夏經(jīng)華.碳化硅技術(shù)基本原理——生長(zhǎng)、表征、器件和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，45A凹坑………………5.2.12,5.3.5,5.3.10.1,6.2,圖37,圖65,圖66,圖67,圖68B半環(huán)列陣…………………第4章，5.3.15,6.3,圖94崩邊……………………