新型光学无损位错缺陷检测技术（创锐光谱）助力SiC晶体位错缺陷生长与演化机制研究

作者：创锐光谱 金盛烨； 浙江大学国际科创中心 王蓉

SiC晶圆中的缺陷（表面形貌、层错和位错缺陷等）是影响SiC功率芯片良率和长期可靠性的重要因素之一。对于导电型4H-SiC晶圆，从晶锭生长、衬底加工及外延生长的全产业链条中，通过调控晶体生长和制备工艺大幅降低缺陷密度是SiC生产企业长期以来追求的重要目标之一。虽然在过去十几年来，SiC晶体生长和制备工艺得到了长足的发展，然而由于其晶体结构和生长方法的复杂性，目前SiC晶圆中的缺陷密度仍旧比传统硅基晶圆高出3-4个数量级，其关键的限制因素来源于人们对SiC晶体生长规律、调控方式和影响因素等仍旧缺乏充分的科学认知。因此观测SiC晶体中缺陷产生和演化过程、解析其生成机制，对于制备高质量晶圆和芯片良率提升尤为重要。

“工欲善其事，必先利其器”，SiC晶圆缺陷的研究离不开各种各样的检测设备。目前，光学明、暗场表面形貌扫描、荧光成像、拉曼光谱等无损检测技术可以有效检测和识别SiC衬底和外延晶圆中的凹坑、突起、划痕、层错等多种缺陷，然而对于衬底晶圆中的位错缺陷（螺位错TSD，刃位错TED和基平面位错BPD），长期以来都采用KOH有损腐蚀的方式测定，其生长过程和转化机制的研究因检测手段的限制而充满挑战。虽然XRT（X射线衍射形貌仪）亦可对SiC晶圆中的位错缺陷实现无损成像探测，然而由于其设备昂贵、操作复杂、检测时间长等因素，并未在SiC位错缺陷生长机制研究和企业研发中得以广泛应用。基于上述原因，SiC晶体中的TSD、TED和BPD等位错缺陷如何在SiC晶锭中长生和转化、如何从SiC衬底导入到外延层以及其影响机制等重要问题在学术界和产业界都尚未形成统一和清晰的认知。这在很大程度上限制了SiC晶体生长工艺的改进和晶圆质量的进一步提升。

创锐光谱科技有限公司于2024年年初创新性地推出导电型SiC衬底晶圆位错缺陷的无损检测设备，通过利用瞬态吸收光谱技术和AI识别技术，实现SiC衬底晶圆中TSD、TED、BPD等位错缺陷的快速、精准和非接触式光学无损检测和识别，可完全替代传统的KOH腐蚀方法。利用该全新技术，创锐光谱与浙江大学国际科创中心合作，实现了对导电SiC晶锭样品中TSD、TED、BPD等位错缺陷的生长、湮灭及相互转化过程的观测。为SiC晶体生长机制的研究和工艺优化提供了重要的实验数据。本文将分享我们的部分实验结果。

图1.N型4H-SiC晶锭纵切片的位错缺陷检测成像图。SiC晶锭沿其成长方向进行切割，切割片进行表面精磨处理。位错缺陷的无损光学成像采集通过创锐光谱Dispec9000设备完成。图中位错缺陷相对背景表现为“暗”信号特征，其中TD缺陷（TSD和TED）结构的延伸大致平行于生长方向，基平面位错（BPD、层错等）缺陷结构的延伸大致垂直于生长方向。TSD和TED的识别通过大数据AI识别模型完成。

为了观测SiC晶锭中TSD、TED缺陷和基平面缺陷（BPD、层错）的生长过程，我们生产制备了N型4H-SiC晶锭，随后沿着晶锭的生长方向切割出约500μm厚度的纵切片样品。样品表面经过精磨后，利用创锐光谱Dispec9000位错缺陷无损光学检测设备进行成像观测，图1展示了该纵切片样品的局部位错缺陷成像图。由于光生载流子在缺陷位置会产生快速的淬灭（非辐射复合）作用，样品中缺陷位置的激发态载流子的瞬态吸收信号强度与非位错区域产生强烈的对比，表现在瞬态吸收成像图中为明显的黑色信号。在纵切片中，TSD和TED缺陷的生长方向与晶锭的生长方向一致，在成像图中则表现为垂直方向的线条状信号。BPD的生长方向则与生长方向几乎垂直（与晶锭表面呈4度夹角），在成像图中则表现水平方向的线条状信号。我们通过大数据AI识别模型实现了纵切片中TSD和TED的分类识别。

在以往的认知中，SiC晶体中的TD（TSD和TED）类缺陷通常被定义为“贯穿型”缺陷。通过对纵切片的位错缺陷瞬态光谱成像结果的分析，我们发现TD缺陷大致可分为两种生长类型。一类为长距离贯穿型（图2a），该类TD缺陷可在一定的范围内长距离连续生长，其贯穿距离通常可达到数毫米级别，且伴随着更大的信号强度，在生长过程中也会发生弯曲和转向。我们的AI识别模型将该类缺陷初步判断为TSD类缺陷。另一类具有典型特征的TD缺陷为生长－湮灭－生长交替型（图2b），表现在光谱成像上的特征为沿着一个特定方向的长距离线段状的信号。经过大量的数据统计，我们发现该类型缺陷生长阶段距离多为100~500μm，随后则发生湮灭，其湮灭阶段距离具有非常大的随机性。我们的AI识别模型将该类缺陷初步判断为TED类缺陷。

图2.TD（TSD和TED）类位错缺陷的生长过程成像图。（a）长距离贯穿型TD缺陷，多为TSD。 （b）生长 - 湮灭交替型TD缺陷，多为TED。

基平面缺陷（包括层错和BPD）在瞬态光谱成像图上表现为水平方向生长的缺陷信号。由于基平面缺陷具有多种生长方向，成像图中的基平面缺陷的信号长度并不能反映该缺陷的真实生长距离（为该缺陷在成像图上的投影）。通过成像图中大量数据的分析，我们发现了TSD和层错、TED和BPD有相互伴生和转化的现象，如图3所示。其伴生过程表现为沿着TD的生长伴随着数个水平方向基平面缺陷的生成，在成像图中表现为“鱼骨”状的信号特征。此外，我们也发现大量TD缺陷的湮灭过程可以伴随着一个基平面缺陷的生成，即TD缺陷可能转化为一个基平面缺陷。上述结果预示着在SiC晶体中TD的生成可能会导致基平面缺陷的生成。

图3.TD缺陷与基平面缺陷的伴生和转化过程。

对于气相法制备的SiC晶体，其晶体中位错缺陷的产生受到晶体生长过程传质、传能、温度和原料分布等多种因素的影响，虽然晶体生长炉的设计和技术已得到了大幅度优化和提升，在微观尺度内调控和优化晶体生长环境仍然具有巨大挑战。从纵切片的位错成像图来看，虽然缺陷密度从晶锭生长开始到结束在宏观数据上有一定的规律可循，但其生长过程中不同生长位置的微观缺陷密度和分布具有很大变化性和随机性，衬底晶圆切割在晶锭不同位置处，其产出的晶圆表面位错密度的数值和分布在微观尺度可能会发生较大的变化。因此，目前衬底位错缺陷密度的评估，只挑选晶锭的“头尾片”进行KOH腐蚀的方法，不能准确预测和代表整个晶锭产出的每片晶圆中缺陷密度和分布状况。

图4.创锐光谱Dispec9000系列SiC衬底位错缺陷无损光学检测设备。基于半导体瞬态吸收光谱原理，通过对衬底晶圆的瞬态光谱成像直接观测和识别位错及多种晶体体相缺陷，可完全替代传统KOH腐蚀方法。

本文中所使用的SiC衬底晶圆位错缺陷的无损检测技术和设备（图4）则可以有效解决衬底晶圆的位错评估问题，通过无损的光谱检测可实现晶圆的“片片”检，为下游外延层生长的缺陷控制以及芯片的制备提供强有力的支撑，也为芯片的失效分析提供详实且原位的缺陷数据溯源。

晶锭中位错缺陷生长过程的成像结果表明，在SiC晶锭的制备中位错缺陷的生长机制及其影响因素存在相当大的复杂性。解析TD位错的生成到湮灭及其与基平面缺陷之间的相互转化和伴生过程的产生机制，对生长和制备低密度位错缺陷晶圆则至关重要！ 期待SiC衬底位错缺陷无损检测技术的广泛应用可以推动SiC晶体生长机制的深入研究，助力第三代半导体材料和器件的高质量发展。

来源：创锐光谱工业应用

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