想了解SiC外延常见的缺陷和成因，读这篇文章就够了
2024.10.08
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作为一个大众消费者，你可能不是很了解碳化硅（SiC）这个材料，但一定见过或者切身使用过由SiC器件制成的产品。SiC器件因其独特的物理和化学特性，在许多消费电子产品中发挥着重要作用。作为第三代半导体材料的佼佼者，SiC近年来在科技领域取得了令人瞩目的进展。但你知道吗？在SiC晶体的生长过程中，可能会产生一些缺陷，这些缺陷不仅影响着材料的电学和机械性能，还可能限制其在高性能电子和光电子器件中的应用潜力。
而我们经常说的SiC外延，指的是SiC材料的衬底上生长一层具有特定晶体取向的SiC单晶薄膜的过程。这种外延层通常用于制造高性能的电力电子器件，如肖特基二极管、MOSFET、IGBT等。SiC外延层的质量直接影响器件的性能和可靠性，因此对生长技术和工艺控制有很高的要求。因此，SiC外延工艺不可避免地会形成各种缺陷，影响SiC功率器件的性能与可靠性。
外延层的缺陷种类非常多，形成机制也很复杂，总体上可以分成三大类：晶体缺陷、表面形貌缺陷以及扩展缺陷。其中扩展缺陷指的是从衬底贯穿到外延层或随外延层厚度增大而延伸的结晶缺陷和表面形貌缺陷。
微管是一种沿生长方向延伸的管状空洞缺陷。这些缺陷的直径通常在亚微米到几十微米不等。在SiC晶圆的表面，微管的存在具有明显的凹陷特征。微管的密度一般介于0.1到1个每平方厘米，随着晶圆生产过程中质量控制的不断改进，这一数值还在持续降低。（清软微视研发的Omega机台检测到的Micropipe缺陷，从左到右分别为明场、PL及暗场通道下的缺陷图）SiC外延层在生长过程中，反应室的上壁和侧壁可能会有颗粒脱落，导致缺陷，如下图所示。为了减少这种情况，可以通过改进反应室石墨耗材的定期维护程序来实现。
（清软微视研发的Omega机台检测到的Downfall缺陷，从左到右分别为明场、PL及暗场通道下的缺陷图）如下图所示，此类缺陷可能是在外延生长过程中，由于掉落颗粒物缺陷、乳凸等外来物，或衬底表面划痕、TSD等缺陷影响了原子台阶流动所形成的。（清软微视研发的Omega机台检测到的Triangle缺陷，从左到右分别为明场、PL及暗场通道下的缺陷图）胡萝卜缺陷是一种由堆垛层错构成的复合缺陷，如下图所示。其两端分别位于TSD和SF的基面位置，并以Frank位错的形式结束。这种缺陷的尺寸通常与棱柱面层错的尺寸相关联。这些特征的集合构成了胡萝卜缺陷特有的表面形态，其形态特征让人联想到胡萝卜的形状。胡萝卜缺陷倾向于在抛光过程中产生的刮痕、TSD或衬底的缺陷处形成。（清软微视研发的Omega机台检测到的Carrot缺陷，从左到右分别为明场、PL及暗场通道下的缺陷图）划痕是在SiC晶圆制造过程中由于机械作用而产生的一种表面损伤，如下图所示。这些存在于SiC衬底上的划痕有可能对外延层的生长造成干扰，导致在外延层表面形成一系列高密度的位错，或者成为胡萝卜状缺陷发展的起点。因此，对SiC晶圆进行恰当的抛光处理是极其重要的步骤，因为一旦这些划痕出现在器件的活跃区域，就可能显著影响器件的性能表现。（清软微视研发的Omega机台检测到的Scratch缺陷，从左到右分别为明场、PL及暗场通道下的缺陷图）通常表现为一系列平行线，如下图所示。这些缺陷主要是由于生长过程中表面划痕或潜在的划痕所引起的。（清软微视研发的Omega机台检测到的StepBunching缺陷，从左到右分别为明场、PL及暗场通道下的缺陷图）
简单来说，上述的这些缺陷对后续的器件性能都会有影响。如果按照影响的大小来分类，这些缺陷又可以分为Killer Defect（致命性缺陷）和Non-Killer Defect（非致命性缺陷）。Killer Defect顾名思义，对于芯片的影响是很严重且致命的，这类缺陷包括三角形缺陷、掉落物，微管等，对包括二极管、MOSFET、双极性器件所有类型器件都有影响，它们可以使击穿电压减少20%甚至到90%，一个晶圆中一旦出现致命性缺陷，也就意味着这张晶圆很有可能废掉；而Non-Killer Defect如TSD（螺位错）和TED（刃位错），对二极管可能没有影响，但会影响双极型器件的寿命并最终影响器件的加工合格率。
所以在半导体芯片领域，攻克缺陷问题是我国突破技术瓶颈、实现自主创新的关键。半导体材料和器件的性能提升，关键在于对缺陷的良率控制。以清软微视为代表的国产缺陷检测设备厂商正致力于攻克半导体“卡脖子”关键检测技术，其研发生产的无图形晶圆缺陷检测设备Omega系列可针对4、6、8吋SiC的衬底和外延片表面缺陷和晶格缺陷进行高效率、高精度的无损检测，且支持多种成像方式。与两款国外对标机台相比，Omega 9880 在硬件上集合了两款设备的典型优势，在软件上既提供简单易上手的图形化操作界面，又提供丰富的自定义规则功能满足客制化需求。国产厂商的技术革新有助于提高国内半导体产业的整体竞争力，并推动中国在这一领域的技术发展与创新。
此外，随着SiC材料科学及其工艺技术的持续演进，SiC功率器件的性能与可靠性预计将进一步增强。尽管对外延层缺陷的控制依然是一个充满复杂性和挑战的任务，但凭借不懈的研究与技术创新，我们有充分的理由相信，SiC功率器件将在未来的电力电子及能量转换应用中占据更为关键的位置。
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