SiC | 外延缺陷

上篇我们聊到了 SiC 外延生长的工艺，文末提到了其外延层仍然存在着缺陷，前面我们在聊晶片形成(抛光晶片的制成过程)时也聊过一些晶体缺陷的内容，今天我们就来聊聊外延层缺陷。

外延层缺陷
SiC 外延层形成过程中会形成不同的表面缺陷。在 SiC 器件的制造中，最重要的缺陷是被称为"微管"，特征尺寸为 30~40um 的三维微管或者称为"针孔"的缺陷。最常见的微管是尺寸为 0.1~5um 的小洞，其可以渗入外延层，微管密度为 10~10³/cm²。大多数的微管是由聚集在一起的几个螺形位错形成的，以上这些导致"微管"常被称为"器件杀手缺陷"，也是 SiC 器件研制过程的主要缺陷。下面是微管的几张图片(来源网络，较为模糊，请谅解)：

衬底上的微管缺陷是衬底在外延层生长过程中形成的其他缺陷的来源，如空洞、各种多型体的包裹体、孪晶等，所以，高压、高功率 SiC 器件的衬底材料生长过程时最主要的便是减小体 SiC 晶体微管缺陷的形成，并且阻止其进入外延层。

微管我们可以看成一个个小坑，通过工艺的条件优化我们可以"填坑"来减小微管的密度。多项研究文献和实验数据显示，蒸发外延生长、CVD 生长以及液相外延生长都可以填充微管，减小其和位错的形成。

利用蒸发外延层生长技术，可以减小衬底"微管"缺陷向生长层的延伸，由研究显示，在 300~600/cm²的衬底上，可以生长出低于 80/cm²低微管密度的外延材料；同时化学气相外延生长 CVD 技术同样能够进行微管的填充，有研究表面可以减小为原来的 1/5。微管的填充点具有台阶螺旋结构的小丘，为螺旋生长为微管进行填充的过程，如下图：

除了蒸发外延和 CVD 外延，液相外延也是一种方法。同时，高温退火对于 SiC 晶体中微管的愈合也有一定的效果。

当然需要针对生长过程的相应参数和条件进行优化(当然这并不容易)，才能达到所期望的结果。

衬底表面预处理
上面我们聊了 SiC 器件研制过程中对外延层影响较为重要的"微管"缺陷，下面我们在来聊聊整个生长过程中比较重要的一个环节 -- 外延生长前对衬底表面的预处理，对于改善衬底结果特性具有重要意义，俗话说"磨刀不误砍柴工"。

我们知道，在将晶体切割成晶片时，进一步的研磨和抛光会产生损伤层、应力、划痕、吸收层、杂质颗粒并堆积在衬底表面。表面损伤会影响整个生长过程中的晶向产生缺陷。对衬底表面进行化学处理可以去除哪些引起位错的残留物，所以预先的处理是非常有必要的。常规的 SiC 衬底表面预处理工艺有：湿法化学刻蚀、蒸发刻蚀、氧化、等离子刻蚀和预生长原位 H2 刻蚀。

干法刻蚀是半导体表面处理和成形一种较为标准的方法，SiC 表面的机械处理将产生较厚的损伤层，等离子体刻蚀约在 8um 之后会开始改善 SiC 的表面质量。这个过程中也会出现"小平面"的微结构，衬底中也可以看到类似微管的缺陷。

通过氧化也可以改善机械处理后的衬底表面，一般为了去除多余的材料需要进行多次氧化，并进行 10%的氢氟酸(HF)刻蚀。有一种较为先进的是在衬底加热到生长温度时，直接去掉炉中的氧化层，但不会获得具有低粗糙度表面的 SiC 衬底。

CVD 反应器的温度处于正常生长温度范围内进行氢刻蚀也能够很好地改善 SiC 衬底的表面，能够有效地去除衬底划痕、颗粒以及大大降低微管密度。我们可以通过下图明显地看出：

氢刻蚀能够改善 CVD 外延层的质量，SiC 晶体的质量也可以通过生长之前的氢刻蚀得到改善。目前，氢刻蚀改善的 CVD 外延在 SiC 高压高功率器件的研制中具有比较好的地位。

SiC 异与 Si 的特性，使得其在很多方面(设备、工艺等)还需要不停地摸索和改进，这也是限制 SiC"爆发"的一个重要因素。