4H-SiCの星型欠陥により発生する積層欠陥に関する研究

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1. 概要

現在、SiC エピタキシャル層における基底面転位 (BPD) のさまざまな原因に関する研究が進行中です。 BPD は、パワー デバイスの劣化に関連する SiC エピタキシャル層にショックレー積層欠陥 (SSF) を生成する可能性があります。研究により、星型欠陥がエピタキシャル層内の複数の BPD の原因となる可能性があることが示されています。研究者らは、星型欠陥の複雑な微細構造、BPDの生成、SSFの拡大を研究するために、さまざまな相補的な顕微鏡と光学技術を利用しました。恒星欠陥が単一の SSF の核形成点となる可能性があり、欠陥の中心で拡大する可能性があるという直接的な証拠が提供されています。新たに発見された数センチメートルに及ぶ二次転位の配列は、星状欠陥の主腕から放射状に広がっていることが判明した。転位壁の存在と単一 SSF の拡大は、チップ上の複数のチップの歩留まりに影響を与える可能性があります。この研究は、星型欠陥によって引き起こされる積層欠陥の形成メカニズムをさらに理解するものであり、デバイスの信頼性を評価する上で重要であるシリコンベースのデバイスに対する星型欠陥の影響を理解するのに役立ちます。

2. SiCサンプルと図解説明

この研究で使用した直径 150 mm の SiC ウェハは市販されており、厚さ 30 um の n 型エピタキシャル層を備えています。高解像度紫外フォトルミネッセンス (UV-PL) イメージングを星欠陥の中心と拡張転位列で実行し、BPD からの SSF の拡張を観察しました。

図 1 は、UV-PL 画像で >700 nm のロングパス フィルターを使用して捕捉された、市販の 4H-SiC ウェーハによくある星型欠陥の微細構造を示しています。同軸成長した 4H-SiC インゴットには星型欠陥が形成され、高度に変形した中心領域と高密度のねじ状転位 (エッジ、混合、らせん、微小管)、および <11-20> 方向に沿って伸びる 6 つの転位列に沿った一貫したプリズムスリップによって生成されるスリップバンド (a/3<11-20>{1-100}) で構成されます。 6 本の <11-20> アームはすべて、a 成分が 180°異なる 2 つのらせん状刃状転位配列 (上部配列と下部配列) で構成されています。

図 1 700 nm を超えるロングパスフィルターを使用して取得した UV-PL 画像。4H-SiC ウェーハの一般的な星型欠陥の微細構造を表示

図 2 (a) は、短時間の UV 露光後にバンドパス フィルター 420±10 nm を使用してキャプチャされた UV-PL 画像を示しています。図 2 (b) はピーク光子エネルギー マップを示しており、各ピクセルは最大光子放出強度を表示します。このハイパースペクトル画像から、SSF が 420 nm 範囲内で発光するのに対し、スター欠陥のコア発光は 700 nm (青色) 範囲に近く、BPD または転位による特徴的な発光に対応することが明らかです。図 2 (c) は、ハイパースペクトル画像の全体的なスペクトルを示しており、約 425 nm に強いピーク発光波長を示しています。参考文献によれば、この SSF は単一のショックレー積層欠陥 (単一 SSF) に相当します。単一の SSF を生成する転位反応は、転位線に平行なハンブルグ ベクトル成分を持つ TSD および TMD でより具体的に発生すると推測されます。転位線はプリズムから基底面まで横滑りする可能性があります。デバイス劣化を引き起こす単一の SSF の形態は、側面が <11-20> 方向に面し、30 ° の部分転位によって境界付けられたダイヤモンド形状であることが判明しました。層状欠陥は、再結合促進転位滑走（REDG）機構を通じて、欠陥中心、基板/エピタキシャル層界面からエピタキシャル層表面まで、電気的に活性なシリコンチップを通って6つのすべり方向すべてに部分的に伝播します。

図 2 (a) 420±10 nm バンドパス フィルターを使用して取得した星型欠陥の UV-PL 画像。短い UV 露光後に積層欠陥が拡大します。 (b) ショックレー積層欠陥領域を含む 80×80μ m のカソードルミネッセンス ハイパースペクトル画像。 (c) (b) の全体的な平均スペクトルは、~420 nm でのピーク波長発光を示しています。

Fig. 3 (a) and (b) respectively show UV-PL images using a long pass filter >700 nm, in which star shaped defects were found in the wafer before and after prolonged UV exposure. Fig. 3 (a) shows that before UV irradiation, the BPD network already existed at the center of the star shaped defect. After a long period of high-intensity UV exposure (Figure 3 (b)), UV-PL imaging showed multiple overlapping single SSFs (at different depths) formed and extended from the substrate defect center in all six slip directions through the REDG mechanism, with the epitaxial layer interface extending outward towards the surface of the layer. Due to the delay of the boundary star defect arm in reaching the top surface of the epitaxial layer, the length of a single SSF extending perpendicular to the direction of step flow growth is longer. Due to the high impurity content in the substrate, the BPD extending from the core slides in the opposite direction of growth and is almost invisible. In addition, the newly observed secondary dislocation array was found to emit at a 60 ° angle with the primary array of star shaped defects, as shown in Fig. 3 (a). The arm length of star shaped defects can reach centimeters, and the presence of such an array may cause damage to multiple chips on the wafer.

Fig. 3 UV-PL image using a long pass filter >700 nm, displaying star shaped defects with secondary arrays before (a) and after (b) long-term UV exposure.

図４は、図４（ａ）のＵＶ－ＰＬ画像と図４（ｂ）のＸ線透過形態との間の相関を示す。ここで、ｇ＝［１１－２０］である。形態マップ内のランダムに分布した明るい短いセグメントと曲線は、格子歪みによって生成された BPD に対応します。 BPDに関係する格子ひずみ分布は欠陥中心から初期転位列の端までの広い範囲にわたって観察された。対応する UV-PL 画像には BPD が表示されないため、これらの BPD は基板内の星型欠陥領域の周囲に位置します。

図 4 (a) 655 nm ロングパスフィルターを使用した、二次スパイクを伴う星型欠陥の微細構造を表示する UV PL 画像。 (b) g=[11-20] 反射を使用して記録された、(a) と同じ領域の X 線透過形態画像

3. まとめ

この記事は、星型欠陥が欠陥の中心から伸びる単一の SSF の多数の核生成点である可能性があるという直接的な証拠を提供します。複数の星型欠陥を持つウェーハは最終的に MOSFEST 特性スクリーニング テストに合格し、デバイスの発売につながります。

しかし、この研究で示された結果は、単一の SSF が膨張すると、ボディ ダイオードが急速に電気的劣化を起こすことを明確に示しています。さらに、星型の欠陥にはメインアームから放出される二次転位列があることが判明し、これはウェーハ上の複数のデバイスに有害である可能性があります。 SiC デバイスに対する二次アレイの起源と影響をさらに調査するには、追加の XRT および UV-PL 実験が必要です。この研究で提案されているように、デバイス動作中の星型欠陥の挙動を完全に理解することは、SiC ベースのデバイスの信頼性と堅牢性を評価するために重要です。

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