4H-SiC 外延層中堆垛層錯與襯底缺陷的關聯性研究

本研究探討了同質外延生長的4H-SiC晶片表面堆垛層錯(SF)的形貌特征和起因。依據表面缺陷檢測設備KLA-Tencor CS920的光致發光(PL)通道和形貌通道的特點, 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、無對應圖像或三角形。研究結果表明, 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是目前受到廣范關注的半導體材料, 具有寬帶隙、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度和高導熱性等優異性能, 是制作高溫、高頻、大功率和低損耗器件的優良材料[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], 嚴重影響了SiC器件的性能, 目前的研究認為六方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)面內傳播形成基平面SF, 另外一種在垂直于(0001)的晶面內傳播形成棱鏡面SF, 它們起源于襯底的BPD、TED或TSD。Zhou等[17]的研究證實SiC外延層中3C-SF起源于襯底的TSD, TED或者應力, 在形貌上表現為三角形。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在外延時產生SF, 并且將外延層中SF的形貌與襯底中BPD的結構做了關聯性研究。Stahlbush等[20]通過紫外光激發電子-空穴對的方法, 間接證實了外延過程中BPD的移動產生了SF。Okojie等[21]報道了在N摻雜的4H-SiC外延層中, 應力是SF的主要起因。

為改進SiC外延材料質量, SiC外延層中層錯缺陷的特征和起因需要進一步研究。本文使用KLA- Tencor CS920和光學顯微鏡檢測、氫氧化鉀腐蝕結合外延層減薄的方法, 詳細研究了同質外延生長的4H-SiC中SF的形貌特征和起因, 指導4H-SiC晶體質量的改進方向。

1 實驗方法

首先制備一片4英寸偏<11[math 0="" processing="">方向4°的4H-SiC單晶襯底, 應用外延生長爐, 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通道對外延層進行了測量。PL通道選用波長為355 nm的激發光, 在波長為370 nm到410 nm范圍內檢測發射光強度的變化。當PL激發光照射到無缺陷的SiC表面時, 瑾在SiC的本征帶隙385 nm處發生吸收, 并以此發光強度作為背景, 在圖像中均勻顯示; 當PL激發光照射到有缺陷的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, 檢測到的光強變弱, 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譜中產生吸收峰, 因此很難用PL Mapping的方法檢測缺陷。

將晶片進一步切割成10 mm×10 mm的小片, 對應CS920檢測圖中不同位置的圖像。在540 ℃熔融態的KOH中腐蝕20 min, 采用光學顯微鏡觀測SF的形貌; 拋光去除一定厚度的外延層, 在熔融態的KOH中重新腐蝕, 用光學顯微鏡觀察SF的形貌變化特征; 繼續采用拋光、腐蝕和光學顯微鏡觀察的方法, 觀察具有不同形貌的SF的起因, 直至到達外延-襯底界面處或襯底內部。

2 結果與討論

圖1(a)是用CS920中激發光波長為355 nm的PL通道檢測的SiC外延層的位錯圖, 圖1(b)是對應區域的形貌圖。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, 梯形SF起源于一條線。梯形SF在形貌通道中不顯示, 標記為I; 三角形SF在形貌圖中顯示胡蘿卜(在PL通道中位于梯形內部)、單獨的胡蘿卜、不顯示和三角形, 分別標記為II、III、IV和V。其中V類SF為三角形3C相變, 在其它文獻中有過詳細報道[24,25], 可能起源于襯底的TSD、TED、BPD、劃痕、應力或其它。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

圖1中I類和II類SF重合, 如圖中紅色方框標記。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的具體數值標記在圖片的左側。將外延表面到襯底相同區域的圖片縱向排列, 紅色箭頭標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標記平行條紋的移動距離, H1~H6標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的腐蝕結果發現, 反復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 0="" processing="">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, 發現他們滿足如下的關系式:

(1)

D =    H

tan 4°

D=Htan4°

因為襯底表面與(0001)晶面的夾角是4°, 因此由上述結果可知, 在外延生長過程中, 平行于(112ˉ0)晶面的BPD連線在(0001)晶面內沿著下臺階流方向移動, 形成了基平面SF。進一步拋光至襯底以下, BPD連線仍然按照公式(1)的規律移動, 說明這種SF來自SiC襯底。只是因為導電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含量小于檢測設備的下限。在(11ˉ00)晶面方向觀察I類SF的繁衍規律, 如圖3(a)所示。基平面型SF是相鄰BPD在熱應力的作用下滑移而產生的[26,27]。一般認為SiC晶體中的基平面SF形成能很小, 約為14.7 mJ/m2, 導致這種位錯缺陷很容易產生[28]。

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

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

圖2的腐蝕結果同時發現, 在反復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。胡蘿卜的頭部對應著一個TED,尾部對應著一個BPD。當拋光至襯底表面時, 頭部TED消失, 緊鄰位置對應著平行條紋上的BPD, 如（未完待續）...