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一、碳化硅晶體材料中的缺陷到底是什么？
碳化硅晶體材料中的缺陷是指在晶體生長、加工或使用過程中出現的不完美結構。
這些缺陷可能表現為晶體內部的裂紋、表面的凹坑、原子排列的錯誤等。
雖然缺陷看起來微不足道，但它們卻可能對晶體的電學、熱學和機械性能產生重大影響。
例如：
- 電學性能：缺陷會引入額外的電荷陷阱，影響載流子的遷移率和壽命，從而降低器件的開關速度和功率效率。
- 熱學性能：缺陷會導致熱導率降低，影響器件的散熱性能。
- 機械性能：缺陷會降低晶體的強度和韌性，影響器件的可靠性。
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二、缺陷是如何分類的？
根據國家標準，碳化硅晶體材料的缺陷主要分為四大類：
晶錠缺陷、襯底缺陷、外延缺陷和工藝缺陷。
接下來，我們將逐一介紹每一類缺陷的典型特征及其產生原因。
（一）晶錠缺陷
晶錠是碳化硅晶體生長的初始階段，其質量直接影響后續加工和器件性能。晶錠缺陷主要包括以下幾種：
1.?裂紋
- 特征：晶體內部有貫穿型或部分穿透的裂紋，嚴重時晶體可能碎裂成塊。
- 產生原因：在晶體生長、退火或加工過程中，熱應力過大或機械應力超過晶體耐受閾值，導致晶體開裂。
2.?雜晶
- 特征：晶體內部形成的多晶嵌入式生長，與單晶之間存在明顯襯度界線。
- 產生原因：生長過程中包裹物或生長條件劇烈波動，導致多晶成核長大。
3.?邊緣多晶
- 特征：多晶附著在晶體邊緣，與內部單晶之間存在明顯交界線。
- 產生原因：溫度場分布不合理導致籽晶邊緣升華，或生長初期籽晶處徑向溫度梯度過小。
4.?多型
- 特征：晶體中出現6H、15R或3C等異晶型，顏色與4H晶型存在明顯差異。
- 產生原因：偏離4H-SiC生長窗口，或生長表面污染物導致異晶型成核生長。
5.?微管
- 特征：微米級直徑的物理孔洞，終端延伸至晶體表面，形成小凹坑。
- 產生原因：多型、碳包裹體、硅滴等因素導致局部應變和晶格畸變。
（二）襯底缺陷
襯底是外延生長的基礎，其質量至關重要。襯底缺陷主要包括以下幾種：
1.?多晶
- 特征：多晶與單晶之間存在明顯襯度界線。
- 產生原因：溫度場分布不合理或生長條件劇烈波動。
2.?多型
- 特征：晶體中出現6H、15R或3C等異晶型，顏色與4H晶型存在明顯差異。
- 產生原因：偏離4H-SiC生長窗口，或生長表面污染物導致異晶型成核生長。
3.?硅滴包裹體
- 特征：液滴形貌的硅組份夾雜。
- 產生原因：生長過程中硅組分分壓過高，形成Si單質顆粒被后續生長的單晶包裹。
4.?碳包裹體
- 特征：由碳元素組成的固相原子團簇或小顆粒體。
- 產生原因：多晶原料非化學計量比升華或石墨部件腐蝕形成碳顆粒。
- 5.?六方空洞
- 特征：六邊形的空腔結構。
- 產生原因：籽晶粘接不良導致籽晶背部負生長。
6.?層錯
- 特征：晶面堆疊順序的錯誤，分為Shockley型和Frank型。
- 產生原因：機械應力、溫度分布不均勻或制備籽晶過程中遺留在其表面上的殘余劃痕。
7.?穿透螺位錯
- 特征：蝕坑呈六邊形。
- 產生原因：籽晶中的TSD遺傳至單晶襯底中，或生長過程中引入內應力及應變。
8.?穿透刃位錯
- 特征：蝕坑呈近圓形。
- 產生原因：籽晶中的TED遺傳至單晶襯底中，或生長過程中引入內應力及應變。
9.?基平面位錯
- 特征：蝕坑呈貝殼狀。
- 產生原因：籽晶中的BPD遺傳至單晶襯底中，或生長過程中引入熱應力和雜質。
（三）外延缺陷
外延生長是在襯底上形成高質量晶體薄膜的關鍵步驟。
外延缺陷主要包括以下幾種：
1.?掉落顆粒物缺陷
- 特征：孤立出現的大型點狀形貌，或以點狀顆粒物為頭部并伴隨出現三角形形貌。
- 產生原因：反應室內顆粒物掉落在襯底或外延層表面。
2.?三角形缺陷
- 特征：從基晶面內延伸到外延層表面的三角形圖案。
- 產生原因：掉落顆粒物、乳凸、劃痕或TSD影響原子臺階流動。
3.?彗星缺陷
- 特征：明場表面圖像和PL圖像中呈現彗星狀圖案。
- 產生原因：外來物影響原子臺階流動，在富硅的外延工藝條件下形成。
4.?胡蘿卜缺陷
- 特征：明場表面圖像上呈胡蘿卜狀圖案，PL圖像上呈線型圖案。
- 產生原因：襯底中的TSD和表面劃痕引起。
5.?凹坑
- 特征：小凹陷或小坑狀的形貌。
- 產生原因：襯底中的凹坑、TSD和TED貫穿到外延層。
6.?梯形缺陷
- 特征：明場表面圖像上呈梯形狀。
- 產生原因：BPD、TED、TSD和劃痕周圍的位錯環影響原子臺階流動。
7.?臺階聚集
- 特征：多個原子臺階匯聚在一起形成的平行線簇。
- 產生原因：襯底結晶缺陷或劃痕阻礙原子流動。
8.?外延凸起
- 特征：晶片邊緣高度凸起。
- 產生原因：晶片邊緣應力引起三角形缺陷團簇。
9.?乳凸
- 特征：表面呈現為凸點或凸起狀。
- 產生原因：小尺寸顆粒在外延生長前階段掉落在晶片表面。
- 10.?微管
- 特征：明場表面圖像中呈凹坑狀，PL圖像中呈螺旋紋圖案。
- 產生原因：襯底MP貫穿到外延層。
（四）工藝缺陷
在器件制造或材料改性工藝過程中，可能會引入一些深能級中心或非本征結晶缺陷。工藝缺陷主要包括以下幾種：
1.?氧化缺陷
- 特征：高溫氧化過程中形成的深能級中心或層錯。
- 產生原因：硅和碳原子相分離，形成硅團簇和碳團簇，導致界面碳團簇的形成和位錯遷移。
- 2.?電應力誘導三角形層錯
- 特征：PL圖像和EL圖像中呈現三角形圖案。
- 產生原因：襯底中的BPD在電子空穴復合驅動下分解為兩個不全位錯并滑移擴展。
3.?電應力誘導條形層錯
- 特征：PL圖像和EL圖像中呈現條形圖案。
- 產生原因：外延層/襯底界面由BPD轉化而形成的TED誘導條形層錯擴展。
4.?干法刻蝕缺陷
- 特征：刻蝕工藝在4H-SiC外延層表面和側壁產生不可逆的結晶缺陷。
- 產生原因：刻蝕工藝在表面和側壁產生點缺陷或位錯環，誘發層錯及其擴展。
