دراسة عن التأثير التنظيمي للطبقات العازلة على السلوك المعيب في الصفائح المتجانسة 4H-SiC +
PAM-XIAMEN can grow high uniformity 4H-SiC epitaxial wafers for R&D applications. For more specifications, please refer to https://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-epitaxy.html.
في السنوات الأخيرة، مع الاختراقات في تكنولوجيا نمو سبائك SiC ذات القطر الكبير وعالية الجودة، انتقل حجم الركيزة 4H-SiC من 150 مم إلى 200 مم، مما يساعد على تقليل تكاليف تصنيع الأجهزة وزيادة الطاقة الإنتاجية. ومع ذلك، فإن العيوب البلورية في الطبقة الفوقية - بما في ذلك خلع المستوى القاعدي (BPDs)، وأخطاء التراص (SFs)، والعيوب المثلثية، وعيوب الجزرة، والحفر السطحية - يمكن أن تؤدي إلى انخفاض كبير في الأداء الكهربائي لأجهزة الطاقة، وزيادة تيار التسرب، وتغيير خصائص التيار والجهد، وتقليل موثوقية الجهاز.
باعتبارها هيكلًا بينيًا رئيسيًا يربط الركيزة والطبقة الفوقي، تهدف الطبقة العازلة إلى منع انتشار عيوب الركيزة (مثل الاضطرابات أو الجسيمات أو الملوثات) في الطبقة الفوقي، وبالتالي تحسين الجودة البلورية للطبقة الانجرافية. تستعرض هذه الورقة تأثيرات تحسين سماكة الطبقة العازلة، وتصميم انتقال المنشطات، وتعديل معدل النمو، واستراتيجيات انقطاع النمو على سلوك الخلل في التماثل المتجانس 4H-SiC.
1. تأثير سماكة الطبقة العازلة على كثافة العيوب في الطبقات الفوقية من كربيد السيليكون
1.1 العلاقة بين زيادة السماكة والعيوب المورفولوجية
في العمليات الفوقية للأمراض القلبية الوعائية، يؤثر اختيار سماكة الطبقة العازلة بشكل مباشر على الجودة البلورية للطبقة الانجرافية اللاحقة. راسيتي وآخرون. التحقيق بشكل منهجي في تأثير زيادة سماكة الطبقة العازلة على سلوك الخلل على ركائز 4H-SiC مقاس 200 مم. وباستخدام ركائز مخدرة من النوع n من موردين مختلفين (يُشار إليهما بـ A وB)، قارنوا توزيع العيوب في العينات بطبقة عازلة ذات سماكة قياسية (مخزن مؤقت رقيق) وطبقة عازلة مزدوجة زمن الترسيب (مخزن مؤقت سميك).
أظهرت النتائج أنه في جميع التجارب المقارنة، كان معدل عيوب الرقاقة أعلى بالنسبة للعينات ذات العازلة السميكة مقارنة بالعينات ذات العازلة الرقيقة. على وجه التحديد، كشفت خرائط العيوب المورفولوجية التي تم الحصول عليها عن طريق المجهر الضوئي للمجال الساطع (KLA Altair) عن نسبة أعلى بكثير من الرقائق المعيبة للعينات ذات المخزن المؤقت السميك من كل من المورد A والمورد B.
الشكل 1 (أ) خرائط العيوب المورفولوجية لمجموعتي عينات من المورد A (مخزن مؤقت رقيق مقابل مخزن مؤقت سميك) (حجم الشريحة: 5 × 5 مم²) ؛ (ب) النسب المئوية المقدرة للرقائق المعيبة لأزواج العينات من الموردين A وB (المخزن المؤقت الرقيق مقابل المخزن المؤقت السميك)
1.2 إحصائيات تصنيف العيوب بطريقة الضوء المتناثر
لمزيد من قياس التغيرات في أنواع العيوب، Raciti et al. تم إجراء توصيف عالي الدقة باستخدام نظام فحص الضوء المتناثر KLA Candela. تجمع هذه الأداة بين قنوات الضوء المتناثرة بزوايا مختلفة لحدوث الليزر وقناة التألق الضوئي لتمييز العيوب المورفولوجية عن العيوب البلورية.
أظهر متوسط عدد العيوب لخمسة أزواج من الرقاقات من المورد A أن عينات المخزن المؤقت السميك أظهرت عمومًا أعدادًا أعلى من العيوب المورفولوجية السطحية (بما في ذلك الجزيئات المتساقطة، والحفر، والخدوش، وما إلى ذلك) مقارنة بعينات المخزن المؤقت الرقيق، باستثناء أن متوسط عدد عيوب السطح الثلاثي كان قابلاً للمقارنة بين السماكتين. بالنسبة للعيوب البلورية، كان الاتجاه الملحوظ متغيرا.
الشكل 2. أمثلة فحص Candela لاثنين من أزواج الرقاقة ذات العازلة الرقيقة مقابل العازلة السميكة: (أ) المورد زوج عينة؛ ( ب ) زوج عينة المورد B
الشكل 3. متوسط عدد العيوب لعينات المخزن المؤقت الرفيع (البرتقالي) مقابل العينات المخزنة السميكة (الأزرق) من خمسة أزواج من الرقاقات من المورد أ، مرتبة حسب نوع العيب
وكان هذا الاتجاه أكثر وضوحًا بالنسبة للمورد "أ"، حيث استفاد من جودة الكريستال الأفضل (أي انخفاض تقلب العيوب). تشير هذه النتيجة إلى أنه في حين أن زيادة سماكة الطبقة العازلة يمكن أن تساعد في قمع عيوب الركيزة إلى حد ما، فإن السماكة المفرطة قد تؤدي إلى عيوب مورفولوجية سطحية إضافية.
2. انتقال المنشطات إلى الركيزة العازلة وتحسين معدل النمو
2.1 تأثير انتقال المنشطات المتدرج على إطلاق الإجهاد
رنا وآخرون. أشار إلى أن الركائز التجارية لها تركيز منشط يبلغ حوالي 1×10¹⁹سم⁻³، في حين أن الطبقات العازلة النموذجية لها تركيز منشط يبلغ حوالي 1×10¹⁸سم⁻³، مما يؤدي إلى فرق منشط يبلغ حوالي 9×10¹⁸سم⁻³. إذا كان انتقال المنشطات مفاجئًا للغاية، فإن مثل هذا التغيير الكبير في تركيز المنشطات يولد إجهادًا غير مناسب بدرجة عالية في الواجهة، مما قد يؤدي إلى حدوث عيوب بلورية.
للتخفيف من هذا التوتر غير المناسب، رنا وآخرون. اقترح استراتيجية انتقالية متدرجة لتعاطي المنشطات. في تجاربهم، استخدمت التجربة الأولى إدخالًا مفاجئًا لتدفق النيتروجين (انتقال حاد)، مستهدفًا منشطًا مؤقتًا يبلغ 1×10¹⁸سم⁻³. بدأت التجربة الثانية بتدفق أولي أعلى من النيتروجين (التنشيط المستهدف ~7×10¹⁸سم⁻³) وانخفض تدريجيًا إلى 1×10¹⁸سم⁻³ خلال دقيقة واحدة. قامت التجربة 3 بتمديد وقت التقييم إلى أربع دقائق.
أظهرت النتائج أن العينة ذات التحول المفاجئ للمنشطات (التجربة 1) أظهرت أعلى كثافة خلع في المستوى القاعدي. عندما تم نقل المنشطات تدريجيا خلال دقيقة واحدة (التجربة 2)، انخفضت كثافة BPD بشكل ملحوظ. أدى تمديد وقت التصنيف إلى أربع دقائق (التجربة 3) إلى انخفاض إضافي في كثافة BPD. وكما هو مبين في الشكل 4، اتبعت كثافة خطأ التراص نفس الاتجاه. يُعزى هذا الانخفاض في كثافة العيوب إلى الإطلاق الفعال للضغط غير المناسب من خلال الانتقال المتدرج.
الشكل 4 (أ) كثافة خلع المستوى القاعدي و (ب) كثافة خطأ التراص في ظل ظروف تصنيف المنشطات المختلفة للطبقة العازلة
علاوة على ذلك، أكد التوصيف المجهري لقوة مسبار كلفن أن تيار التسرب السطحي للعينات ذات الطبقات العازلة المتدرجة للمنشطات كان أقل بكثير من العينات ذات التحولات المفاجئة. يعتقد المؤلفون أن الانخفاض في إمكانات الدلتا ينشأ من تحسين جودة البلورة التي تم تحقيقها في ظل ظروف المنشطات المتدرجة.
الشكل 5 (أ) الخرائط الكنتورية لتيار التسرب السطحي في الطبقات الفوقي في ظل ظروف مختلفة لتصنيف المنشطات العازلة ؛ ( ب ) مخططات دلتا المحتملة التي توضح سلوك التسرب المحسن في ظل ظروف عازلة متدرجة
2.2 Effect of Buffer Layer Growth Rate on BPD Conversion
Rana et al. also investigated the effect of buffer layer growth rate on epitaxial layer defects. They found that a higher growth rate favors a reduction in basal plane dislocation density. The mechanism is as follows: when Si and C adatoms arrive at the surface at a higher rate, replication of BPDs along the basal plane becomes energetically unfavorable, so the defects tend to convert into threading edge dislocations (TEDs) along the direction perpendicular to the basal plane. However, a higher growth rate also increases the density of surface pits.
Fig. 6 (a) Basal plane dislocation density at different buffer layer growth rates; (b) Pit density at different buffer layer growth rates
3. Growth Interruption Strategy and Hydrogen Etching Effect
كومار وآخرون. اقترح طريقة جديدة لمقاطعة نمو الطبقة العازلة، حيث يتم تقديم خطوة حفر الهيدروجين أثناء ترسيب الطبقة العازلة، مما يحقق انخفاضًا كبيرًا في كثافة عيوب الطبقة الفوقية. استخدمت الدراسة ركائز Si-face مقاس 150 مم 4H-SiC (0001) وقارنت العينات ذات النمو المستمر التقليدي مقابل النمو المتقطع.
تم ضبط درجة حرارة الانقطاع أقل بقليل من درجة حرارة النمو الفوقي لتقليل الآثار الجانبية لحفر الهيدروجين. أظهرت التجارب أن تجانس سماكة الرقاقة الكاملة أفضل من 1.8%، مما يؤكد أن عملية القطع لم تؤثر سلباً على تجانس السماكة.
الشكل 7 (أ) ملف درجة الحرارة لعملية الفوقي 4H-SiC لتجارب انقطاع النمو؛ (ب) نتائج قياس سماكة الطبقة الفوقية (يُظهر الشكل الداخلي خريطة نقطة القياس)، مع استبعاد حافة 5 مم
أظهر مسح العيوب بواسطة KLA Candela 8520 أن كثافة العيوب القاتلة الإجمالية للعينة مع عملية انقطاع النمو انخفضت بحوالي 45(±5)% مقارنة بعينة النمو المستمر التقليدية. يُعزى هذا التحسن بشكل أساسي إلى تحويل BPDs إلى TEDs أثناء خطوة انقطاع النمو.
الشكل 8 (أ) فحص عيب Candela 8520 للنمو دون انقطاع؛ (ب) فحص خلل النمو مع انقطاع؛ (ج) مقارنة كثافة العيوب مع انقطاع وبدون انقطاع؛ ( د ) صور عالية الدقة لعيوب SiC النموذجية من فحص Candela (1.5 × 1.5 مم²) ؛ (هـ) صور AFM لمركز الركيزة عند درجة حرارة النمو (G°C) ودرجة حرارة الانقطاع (I°C)؛ ( و ) نتائج محاكاة KMC لطول امتداد خطأ التراص كدالة لسمك الطبقة الفوقي مع وجود ذرات الهيدروجين وبدونها
أظهر توصيف AFM أن خشونة سطح الركيزة المقاسة عند درجة حرارة الانقطاع (Rq ≥0.2nm) كانت أقل بكثير من تلك بعد حفر الهيدروجين عند درجة حرارة النمو الفوقي (Rq≥0.8nm). كشفت عمليات محاكاة KMC أيضًا أن ذرات الهيدروجين تنتشر من المنطقة القريبة من السطح إلى الطبقة الفوقية وتحتل مواقع العيوب، مما يمنع بشكل فعال امتداد أخطاء التراص. استنادًا إلى حجم شريحة يبلغ 2 × 2 مم²، تجاوز العائد الفوقي لعملية انقطاع النمو 96.5%.
باختصار، فإن السُمك وطريقة انتقال المنشطات ومعدل النمو واستراتيجية انقطاع النمو للطبقة العازلة كلها تنظم بشكل كبير كثافة الخلل في التجانس المتجانس 4H-SiC. يحتاج البحث المستقبلي إلى زيادة توسيع حجم العينة الإحصائية، وتوضيح آليات التآزر بين المعلمات المتعددة، وتقييم تأثير عمليات الطبقة العازلة المحسنة على الأداء الكهربائي لأجهزة الطاقة النهائية.
سواء كنت بحاجة إلى المعالجة المثلية 4H-SiC للبحث أو للتطبيقات الصناعية، يرجى الاتصال بنا عبر البريد الإلكتروني على[email protected] و [email protected].
مراجع:
- Raciti، D.، Anzalone، R.، Isacson، M.، Piluso، N.، & Severino، A. (2024، أغسطس). اعتماد الطبقة العازلة على الخلل في 200 مم 4H-SiC Homopitaxy. في منتدى العيب والانتشار (المجلد 434، ص 117-121). منشورات عبر التكنولوجيا المحدودة.
- Rana, T., Wu, J., Chung, G., Moeggenborg, K., & Gave, M. (2023، يونيو). دراسة العيوب في نسيج 4H-SiC في ظروف نمو الطبقة العازلة المختلفة. في منتدى العيب والانتشار (المجلد 425، ص 63-68). منشورات عبر التكنولوجيا المحدودة.
- كومار، إس، بيرا، إل كيه، نغوين، إكس إس، سونغ، دبليو دي، لي، أما، لي، إكس واي، … ويو، واي سي (2025). تقليل كثافة الخلل في طبقة Epilayer 4H-SiC (0001) عبر انقطاع النمو أثناء نمو الطبقة العازلة. ظواهر الحالة الصلبة، 376، 27-31.