和Si晶體拉晶工藝類似，PVT法制備SiC單晶和切片形成晶圓過程中也會引入多種缺陷。這些缺陷主要包括：表面缺陷；引入深能級的點缺陷；位錯；堆垛層錯；以及碳包裹體和六方空洞等。其中和和Si晶體拉晶工藝不同的是，SiC容易形成多型體，所以也存在一種多型共生缺陷。其中表面缺陷主要有：劃傷，劃痕，亞表面損傷，微型裂痕等，目前多用強光燈下目檢來進行檢測，碳包裹體和六方空洞也可以目檢實現，這里不多做介紹。以下主要介紹多型共生缺陷；點缺陷；位錯；堆垛層錯。

多型共生缺陷

多型共生缺陷是PVT法生長碳化硅晶體特有的一類結晶缺陷，它形成的根本原因是碳化硅晶體的各類多型體有著良好的結晶學相容性和相近的形成自由能。它可以來自籽晶本身的多型共生缺陷，從而復制到拉晶制備的碳化硅晶體中。但是即使對于不存在多型共生缺陷的籽晶，如果拉晶工藝條件沒有控制好，也會引入到碳化硅晶體中。比如溫度場的異常波動，就可以改變<0001>晶向上Si-C雙原子層的堆垛順序，從而導致晶型的改變。晶型的轉變不但會嚴重破壞碳化硅晶體的結晶完整性，改變材料的電學特性，也會誘發與衍生其他類型的缺陷，比如微管缺陷 。生產過程中，如何監測并消除多型共生缺陷，是PVT法碳化硅晶體生長研究的一個重要任務。目前多型共生缺陷最主要的檢測手段是XRD，結晶質量用XRD搖擺曲線的半高寬(FWHM)表示，工業級4H-SiC的FWHM應滿足<30arcsec。

此外，拉曼散射光譜法也是測試多型共生缺陷的重要手段。我們以488nm激光作為激光源，收集到了不同晶型的拉曼散射光譜，以TO（橫向光學模）為例參看圖1 ，3C-SiC晶型的光譜位移峰在796cm^-1^位置，4H-SiC晶型的光譜位移峰在 776cm^-1^位置, 6H-SiC晶型的光譜位移峰在 767cm^-1^和789cm^-1^位置。通過對比位移峰的強度，也可以用來表征多型共生缺陷。

圖1. 不同晶型SiC的拉曼散射位移峰

點缺陷

在所有的半導體材料中都存在點缺陷 ，它們一般都會在禁帶中引入深能級，形成載流子的“陷阱”、“復合中心”，嚴重影響后續的半導體器件性能。

物理氣相傳輸法制備SiC晶錠過程中，不可避免地會大量的引入雜質元素。比如來自于SiC粉末、坩堝設備，常見的元素有Ti, V, Cr, Fe, Co等。它們會在禁帶中產生深能級，圖2是在4H-SiC中這些元素的深能級位置 。除了這些雜質元素引起的點缺陷以外，和硅晶體類似SiC單晶中也存在空位、間隙原子等不完美的晶體缺陷。這些空位或者間隙原子也會在禁帶中形成深能級，其中對器件性能影響最大的深能級有Z1/2, EH6/7。如圖3所示Z1/2深能級在導帶下0.6ev處，EH6/7深能級在導帶下1.6ev處。目前的研究認為這兩種深能級和碳空位的相關性更強。如何優化拉晶工藝來減少點缺陷的報道目前還較少。

圖2. 4H-SiC中金屬雜質深能級位置

圖3. 4H-SiC中主要深能級的位置

由于深能級會形成有效復合中心，特別是對雙極性器件性能有著巨大影響，所以深能級的監控和表征也是十分必要。目前常用的表征防范是深能級瞬態譜（DLTS）技術。因為SiC的禁帶寬度達到了3.2ev，必須在寬溫度范圍內（10-750K）下采集瞬態曲線來監控深能級。一般通過電加熱和液氮制冷來達到此溫度范圍，目前常見的設備廠家如SEMILAB 。下圖為SEMILAB的DLTS設備在客戶端的測試曲線。

圖4. SEMILAB DLTS 設備在客戶端實際測試曲線

位錯

SiC晶圓中位錯缺陷主要包括：微管缺陷(Micropipes)；螺型位錯(TSD)；刃型位錯(TED)；基矢面位錯(BPD)。

在PVT法制備工藝中，螺型位錯(TSD)一般是沿著<0001>晶向傳播，即晶體的垂直c軸方向，參考圖5。它的來源主要來自于籽晶，如果能夠得到零位錯的籽晶，并在穩定條件下生長就可以極大地減少螺型位錯。

微管缺陷(Micropipes)可以被看做特殊的螺型位錯。當螺型位錯Burgers矢量非常大時，位錯核心周邊的應變場也會很高，通過化學鍵的斷裂形成微觀針孔，直徑為幾微米左右。微管缺陷一般會沿著<0001>晶向貫穿整個晶圓，對器件性能損害極大，要在生長過程中消除。和螺型位錯一樣，可以使用零微管的籽晶，并在穩定條件下生長就可以極大的減少微管缺陷。

圖5. 螺型位錯(TSD)形成示意圖

SiC晶體中，刃型位錯(TED)和基矢面位錯(BPD)具有相同的Burgers矢量，<11-20>/3。如圖6所示，在晶體中引入一層半原子面，這種情況下一個有著Burgers矢量為<11-20>/3的位錯將會出現。位于基矢面內的位錯（AB線段）定義為一個“BPD”;沿著<0001>晶向的位錯（BC線段）定義為一個“TED”。籽晶中的TED和BPD都會復制到晶圓中，所以利用零位錯的籽晶進行拉晶生長是減少位錯的關鍵工藝。

圖6. 刃型位錯(TED)和基矢面位錯(BPD)形成示意圖

監控位錯最傳統和成熟的手段是化學腐蝕+光學顯微鏡/掃描電鏡SEM。SiC是非常惰性的材料，但是可以在450-600℃下用熔融的KOH, NaOH, Na2O2進行刻蝕。SiC表面的氧化物會在刻蝕過程中被去除。因為位錯處和沒有位錯處應力不同，所以刻蝕速率也不同，會產生誘生位錯腐蝕坑。如圖7所示，最大六邊形坑而且中間為一個空洞的是微管缺陷；較小六邊形坑中間有一個黑點的為TSD；邊長不規則圖像對比度差的為BPD。圖8所示為化學腐蝕后的顯微鏡視野圖，和SEM類似，其中最大六角形坑對應著TSD; 較小六角形坑對應著TED; 邊長模糊的稻殼型對應著BPD。

圖7. 化學腐蝕后SEM圖

圖8. 化學腐蝕后光學顯微鏡圖

堆垛層錯

對于碳化硅晶體來說，堆垛層錯（SF）是指沿著長晶的c軸方向，硅碳雙原子層之間的堆接次序發生了錯排。4H-SiC的堆垛層錯能約為14mJ/m^2^，所以在PVT的高溫工藝中很難避免。堆垛層錯是碳化硅晶體在生長過程中對外長變化的一個響應，或者是釋放晶體中形成其他類型結晶缺陷而在相鄰區域產生的應變能的一個途徑。也可以使用化學腐蝕+光學顯微鏡的辦法監測堆垛層錯缺陷。SF與表面相交時，通過刻蝕工藝后會形成凹槽，見圖9中Intersection Line(SF)白色箭頭位置。同時在凹槽一端會形成部分位錯的橢圓形腐蝕坑。

圖9. 化學腐蝕后SF與表面相交形成凹槽的光學顯微鏡圖

來源：瑟米萊伯

審核編輯：湯梓紅