论文推介丨碳化硅晶圆的表面/亚表面损伤研究进展

表面无损伤、粗糙度低的半导体碳化硅(4H-SiC)衬底是制造电力电子器件和射频微波器件的理想衬底材料，在新能源、轨道交通、智能电网和5G通信等领域具有广阔的应用前景。4H-SiC衬底的加工过程包括切片、减薄、研磨、抛光和清洗，在4H-SiC衬底加工过程中引入的表面/亚表面损伤均严重影响材料性能、同质外延薄膜性质，以及器件性能和可靠性。根据损伤在光学显微镜检测下是否可见，4H-SiC晶圆表面的损伤分为表面损伤(surface damages， SDs)和亚表面损伤(subsurface damages， SSDs)，准确识别SDs/SSDs，并阐明4H-SiC晶圆加工过程中SDs/SSDs的产生与去除机制，对于高质量4H-SiC 晶圆的加工及应用至关重要。

近日，浙江大学在《人工晶体学报》2023年第11期发表了题为《碳化硅晶圆的表面/亚表面损伤研究进展》（第一作者：李国峰，通信作者：袁巨龙、皮孝东）的综述论文。文章重点介绍了4H-SiC晶片在切片、减薄、研磨、抛光等各个加工环节中表面/亚表面损伤的形成和去除机制，基于4H-SiC晶圆表面/亚表面损伤的检测方法，综述亚表面损伤的形貌和表征参量，并简单介绍三种常见的亚表面损伤的消除方法，分析其技术优势和发展瓶颈，对去除亚表面损伤工艺的发展趋势进行了展望。

论文题录●●

李国峰, 陈泓谕, 杭伟, 韩学峰, 袁巨龙, 皮孝东, 杨德仁, 王蓉. 碳化硅晶圆的表面/亚表面损伤研究进展[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(11): 1907-1921.

LI Guofeng, CHEN Hongyu, HANG Wei, HAN Xuefeng, YUAN Julong, PI Xiaodong, YANG Deren, WANG Rong. Research Progress on Surface/Subsurface Damages of 4H Silicon Carbide Wafers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2023, 52(11): 1907-1921.

//章节结构

0　引言

1　4H-SiC加工过程中的SDs/SSDs

1.1 切片过程引入的损伤层

1.2 磨削过程引入的损伤层

1.3 抛光过程引入的损伤层

2　SDs/SSDs的形貌和表征

2.1　SDs/SSDs形貌

2.2　SDs/SSDs表征参量

3　SDs/SSDs对后续单晶生长或同质外延质量的影响

4　SDs/SSDs的去除方法

5　结语与展望

//图文导读

在4H-SiC的切片等加工工艺中，材料主要通过脆性断裂模式去除，这不可避免地会在表面下方引入微裂纹，造成材料的SDs和SSDs。微裂纹不仅会降低4H-SiC晶片的机械强度，还影响后续工艺和生产成本，是评价晶圆加工质量的一个重要指标。如图1(a)所示，切片工艺是影响切片过程中微裂纹损伤层厚度的关键因素。在后续减薄、研磨和抛光的加工过程中，损伤层的厚度逐渐减小，并在抛光后得到有效去除，获得全局平坦化的近无损4H-SiC晶圆。纳米压痕试验结果表明，4H-SiC在机械应力下产生的损伤层在宏观上呈现“Y”字形的裂纹，包括中位裂纹和侧位裂纹(见图1(b))。

图1　4H-SiC衬底晶圆加工过程中SDs/SSDs的厚度变化(a)及裂纹产生的模型示意图(b)[8]

由于4H-SiC具有高硬度、高脆性的特点，刀具刻划4H-SiC表面产生划痕的过程分为塑性阶段、塑脆性共存阶段和完全脆性阶段3个阶段，可以用摩擦力信号来表征。图2所示为4H-SiC单晶的动载荷划痕实验，在塑性阶段材料的去除方式主要以延性去除为主，摩擦力曲线光滑，划痕也以平滑凹槽为主；在塑脆性共存阶段，材料的去除既有延性去除又有脆性去除，划痕中显露出鱼鳞状凹坑；而在完全脆性阶段，脆性去除占主导，材料表面鱼鳞状凹坑进一步恶化并伴有裂纹萌生。研究者们期望4H-SiC的材料去除机制更多表现为延性去除，以尽可能减小加工损伤和材料的损耗。然而，过分追求延性去除将会导致极低的材料去除率。因此，在脆性去除和延性去除两者间寻求一个平衡点是4H-SiC衬底加工的一个关键点。

图2　4H-SiC晶圆动载荷划痕实验中划痕的摩擦力信号与载荷变化的关系(a)及划痕形貌变化图(b)[13]

表1列出了金刚线锯切片和游离砂浆线锯切片两种切片方法的主要切削方式及其在4H-SiC中产生的损伤层的缺陷类型。在游离砂浆线锯切片时，4H-SiC亚表面会出现弥散的三角形损伤区，并带有半环束和堆垛层错；而金刚线锯切片会在4H-SiC晶片表面引入损伤区、半环束位错和堆积层错。虽然由切片产生的SDs/SSDs是整个4H-SiC衬底加工中最严重的损伤，但通过优化切片工艺参数可以明显改善损伤层的厚度。如图3所示，通过优化线锯切工艺可显著控制4H-SiC的SDs/SSDs的厚度，其中减小晶体进给速度、增大线速度均有利于减小SDs/SSDs的厚度。

表1　不同切片方法对4H-SiC加工造成的损伤[14]

图3　金刚线锯切片4H-SiC晶圆过程中进给速度(a)和线速度(b)对微裂纹损伤的厚度影响[15]

使用砂轮磨削4H-SiC晶圆时，单位切削进给深度的实际材料去除量和SSDs层的厚度不随磨削速度的增加而单调变化，如图4所示。其中存在材料去除量最大、SSDs层的厚度最小的最佳磨削速度。砂轮磨削工艺属于二体磨损加工，具体而言，磨削过程中固结在砂轮上的磨粒随着砂轮规则地往复运动，进而通过特定的轨迹摩擦晶圆表面，最终实现材料的去除。而使用研磨液的游离磨料研磨属于三体磨损加工，材料的去除伴随着磨料的随机滚动、挤压和刮擦三种状态。与二体磨损加工不同的是，三体磨损下磨料尺寸的不均匀可能会影响晶圆的表面加工质量。相较于砂轮磨削，游离磨粒研磨的损伤更依赖于磨料尺寸。如图5所示，游离磨料加工后，晶圆的层错密度降低，且晶相显现非晶。同时，加工表面出现明显的晶格畸变现象，这是延性去除发挥优势的结果。

图4　砂轮磨削4H-SiC过程中，切削速度对切削深度和SSDs层的厚度的影响[28]

图5　砂轮磨削(a)~(c)和游离磨料研磨(d)~(f)4H-SiC的Si面的横截面TEM照片[37]

抛光工艺旨在进一步提高晶片的表面质量，改善表面粗糙度及平整度，使其表面质量特征参数符合后续加工中的精度要求。化学机械抛光(chemical mechanical polishing， CMP)是目前实现4H-SiC晶片全局平坦化最有效的方法。为了更好地解释CMP工序中意外引入损伤的产生机制，对比损伤形貌和在不同条件下获得的4H-SiC晶圆的位错结构，可以发现晶圆上的局部损伤是由CMP过程中施加的高局部应力造成的。如图6所示，在晶圆加工位置的下方由于非常大的塑性应变会产生缺陷区域，通过研磨相互作用与相关的塑性变形和断裂不均匀地引入了晶格缺陷。基于这一机理，可以解释为在整个4H-SiC衬底的加工环节中，晶圆表面被施加高局部作用力而发生弹塑性变形是SSDs产生的最根本原因。

图6　4H-SiC晶圆损伤层的高分辨TEM照片，显示微裂纹沿箭头所示路径从表面上的一点(X)向晶圆内部点(Y)扩展[52]

从线切到磨削、抛光，材料的SSDs层的厚度会严重影响加工效率和下一步工序的移除量。因此，要想实现材料的高效低损伤加工，延长材料的使用寿命，降低后续工序的移除量，对材料的SSDs层的厚度进行检测分析和预测十分必要。如图7所示，SSDs在晶圆表面仅呈现为划痕，但其纵向裂纹深度、具体结构等需要借助特殊手段来观测。

图7　4H-SiC晶圆在CMP后残留划痕的光学显微镜(a)和SEM(b)照片[50]

4H-SiC的SDs/SSDs主要成分是在切片、磨削和抛光过程中产生的断裂和划痕，而这些断裂和划痕会被抛光再沉积层部分或全部隐藏起来（见图8）。参考Si的SSDs模型可以发现，SSDs主要可分为严重损伤部分和高应力弹性变形部分，其中严重损伤部分由微裂纹、非晶层、多晶层、位错等组成。而这两部分的比例由加工的参数和磨料的性质决定，且这两部分没有确切的边界，如图9所示。

图8　4H-SiC晶圆抛光后的SSDs分布的示意图[61]

图9　Si研磨后SSDs的形貌和成分示意图[62]

图10所示为TEM观察到的4H-SiC衬底晶圆的SDs/SSDs中位错层的微观形貌。可以看到局部损伤在垂直方向表现为划痕，两侧伴随有环形位错。经过衍射矢量和伯格斯矢量对比，确定该位错环为基平面位错(BPD)。从这些位错环的形状推断，这些位错环主要是硅核心不全位错的滑移造成的。同时，BPD位错环的方向和局部损伤方向有关。4H-SiC衬底中的局部损伤会直接在外延层中反映出来，因此可以通过直接使用紫外灯照射外延晶圆使4H-SiC衬底中残留的BPD位错环在衬底中继承，并演化和延伸成肖克利型层错(Shockley-type stacking faults， SSF)，如图11所示，外延层经UV处理后在PL中检测出半菱形结构。对比发现，SSF的形貌又恰好可以和衬底中的BPD位错环对应。通过对半菱形SSF的方向统计后发现，虽然菱形大致分布于损伤的两侧，但不同晶向的损伤会使菱形的尖角方向分布出现偏差，这也可以说明衬底中不同晶向上的损伤，其BPD位错环的伯格斯矢量方向会有差异。

图10　4H-SiC衬底中SSDs的表面TEM照片[50]

图11　紫外光照射下4H-SiC外延薄膜中的Shockley型堆垛层错[65]

要观察SSDs的完整形貌，截面显微法是最直观的方法。对4H-SiC损伤部分切片制样，在TEM中可看到损伤的完整纵向形貌，如图12所示。

图12　4H-SiC衬底中的SSDs沿划痕方向(a)和垂直划痕方向(b)的缺陷分布示意图[14]

用物理气相传输(physical vapor transport， PVT)法制备4H-SiC时，当籽晶的偏角小于8°时，4H-SiC晶锭表面出现圆形坑陷形生长缺陷，且随着偏角的减小，生长缺陷的横向尺寸逐渐变大，表面剖析显示，阶梯的角度与籽晶的偏角方向相吻合，如图13所示。结合机械加工损伤的组成和性质，这些缺陷是籽晶中的SDs/SSDs引起的。

图13　由SSDs引起的4H-SiC晶体生长缺陷[75]

SDs/SSDs的主要成分是BPD位错环和层错。在CVD外延过程中，与划痕相关的位于深度较深的残余BPD位错环可以在生长过程中复制，这就造成在生长过程中，一个BPD 位错环会产生一个BPD和一个TED，如图14所示。当划痕沿着切断方向时，只生成TED-TED对。随着划痕向切断方向的倾斜度增加，产生越来越多的TED-BPD对。

图14　划痕在衬底表面附近产生的位错环(a)，以及4H-SiC同质过程中复制环形表面交点(b)的两种可能性示意图[78]

CMP工艺会因为机械作用意外引入新的损伤层，在外延过程中产生如潜在划痕、凹坑等缺陷；而氢刻蚀虽然可以去除大部分损伤，但如处理条件不能严格控制会产生台阶聚束等缺陷的问题。因此，研究者们开始尝试通过高温退火去除晶圆SSDs。在Si气氛退火工艺中，热化学刻蚀反应式为：SiC(s)+Si(g)→Si2C(g)↑。4H-SiC单晶衬底经Si气相刻蚀再外延后，外延表面光滑平整且无缺陷，表明Si气氛刻蚀可以很好地去除SSDs且不会新引入新的损伤，如图15所示。

图15　外延生长和高温加热下，常规CMP处理和Si蒸汽蚀刻处理的4H-SiC的光学显微图像[93]

结语与展望

4H-SiC衬底由加工引起的SDs/SSDs主要有划痕、凸起、凹坑、亚表面微裂纹、位错层错聚集、非晶相和残余应力等。消除SDs/SSDs是一项系统优化的工程。例如，在线锯切片工艺中，影响SDs/SSDs的厚度的主要参数有线速度、进给速度等。有研究表明，4H-SiC在切锯切片后Si面的损伤层的厚度仅为40 μm。这意味着需要重新设计研磨、抛光工序，以实现4H-SiC加工损伤的减低。此外，在研磨工艺中，磨料的粒径、磨削压力、主轴和研磨盘的相对速度比是影响SDs/SSDs的关键因素。虽然4H-SiC的高硬度、高脆性使得加工过程耗时长、加工损伤多，但合理地设置加工参数，可以在保证必要的加工效率的同时，降低加工产生的SDs/SSDs，是4H-SiC衬底加工流程中需要系统优化的一个课题。

从本质上来说，SDs/SSDs的形成是由加工过程中的不均匀机械应力造成局部不平衡的塑性变形，在内部应力得不到有效平衡和释放的情况下，造成机械损伤。值得注意的是，虽然随着4H-SiC衬底加工流程的进行，晶圆的SDs/SSDs的厚度越来越小，但每一道加工工序(包括CMP在内)都可能引入新的损伤。考虑到衬底加工工艺并不能保证SDs/SSDs被完全去除，位于亚表面的损伤又不易观测，一旦残留损伤被流入到后续外延或单晶生长阶段，将会严重影响器件或单晶晶体的质量。为了确保加工质量，在CMP后增加新的工序来去除SDs/SSDs至关重要，例如采用氢刻蚀、Si气氛刻蚀和高温退火等工艺。其中，氢刻蚀工艺发展较为成熟，已广泛应用于4H-SiC的同质外延。

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