缺陷密度对4H-SiC衬底力学特性的影响

介绍

结构扩展和点状缺陷的存在不仅会从电气角度影响SiC器件的性能，还会从机械角度影响SiC器件的性能。众所周知，SiC缺陷不利于电气可靠性和性能;它们对设备机械产量的影响没有得到适当的研究。在这方面，研究4H-SiC衬底的缺陷(无论是内在缺陷还是加工诱导缺陷)与机械强度之间的相关性是有用的。弯曲强度，即模具在断裂时在外加载荷下所能承受的应力，被用作参考参数。三点弯曲(3pb)测试已在识别良好的衬底区域进行，收集的数据已与相应的缺陷密度相关联。

实验

本研究使用了商用的150 mm 4H-SiC衬底。一组以不同位错密度(晶圆#1和晶圆#2)为特征的衬底被用于研究固有SiC缺陷对机械强度的影响。在500°C下进行5分钟的KOH湿蚀刻工艺，以突出SiC晶体缺陷。KOH蚀刻后的晶圆表面光学检查已通过自动光学显微镜(nSPEC by Nanotronics)进行，以监测缺陷的密度和分布。用x10物镜对整个晶片进行了检验。利用另一组衬底进行减薄处理，随后进行高温体热处理和高通量激光处理，研究了工艺缺陷对机械强度的影响。通过3点弯曲测试(Instron 5566)对所有晶圆进行了失效强度调查，在各种5x4 mm模具上根据晶圆上的缺陷密度正确选择。刀具精度为0.5%，支撑跨距长度为3mm。荷载在跨长中心对应处施加，并以0.5 mm/min的恒定速率增加。

结果与讨论

本实验使用了具有4°偏角和不同缺陷密度的商用4H-SiC衬底。KOH湿法刻蚀后，沿晶圆尺寸采集了光学图像，对应的晶圆1和晶圆2的缺陷密度图分别如图1所示a)和1b)。不同颜色的圆点代表不同的缺陷尺寸。1号晶圆检测到26621个缺陷，2号晶圆检测到6251个缺陷。除了不同的缺陷计数外，晶圆上的缺陷分布也有很大的变化，分别用黑色圈和红色圈标记高密度(HD)和低密度(LD)区域。还应强调的是，晶圆之间缺陷密度的不同与所属锭及其在锭内的相对位置以及生长条件(如温度、压力和蒸汽平衡)有关。为了获得有统计学意义的数据，从选定区域的每块晶圆上总共取了60个5x4毫米的模具。每个区域计算的缺陷密度报告在图2中。在我们的晶圆中，根据所调查的区域，无论是HD还是LD，都发现BPD主要是由晶格畸变应变引起的应力引起的，在HD区域发现了BPD阵列半环阵列(HLA)。

图1 KOH后通过n-spec分析得到晶圆尺度缺陷密度分布。蚀刻晶圆#1 (a))和晶圆#2 (b)。

对所选模具进行三点弯曲试验，计算模具在断裂时所能承受的应力σ(抗弯强度)，根据已知几何形状的两端支撑的悬梁[6]理论，可表示为:

其中F为最大载荷，即引起模具断裂的载荷，L、W、d分别为模具的长度、宽度和厚度。在我们的情况下，模具尺寸为5 × 4毫米，模具厚度为350 um。图3显示了从两个晶圆的HD和LD区域选择的模具对应计算的弯曲强度值，并与我们在每个区域的缺陷密度方面的发现进行了比较。在这两种晶圆上都发现了低弯曲强度值，对应于约500/模尺寸的缺陷密度，如果缺陷密度高于600/模尺寸，弯曲强度增加了两倍，并且在较大的缺陷密度范围内几乎保持不变。

图2 缺陷密度作为晶圆区每个晶圆#1(红色)和晶圆#2(蓝色)的函数。

在缺陷密度高达2000/模具尺寸的区域，确实没有观察到模具强度的显著变化。值得注意的是，与低缺陷密度对应的低弯曲强度的模具占所分析的低密度模具总数的7% - 10%。

图3 固有缺陷的弯曲强度随缺陷密度的变化。

除了4H-SiC晶体中存在的固有缺陷外，在器件制造过程中，SiC衬底还经历了以堆垛层错、微裂纹和裂纹形式诱导缺陷的过程。诱发缺陷的来源是晶圆减薄工艺，这是提高器件性能所必需的，减少不必要的功率损耗，并提供更大的封装小型化，以及高温热处理，无论是整体还是局部，例如为了激活掺杂剂或硅化物形成所必需的。图4显示了上述过程的抗弯强度数据，并与从未经处理的碳化硅中获得相应值进行了比较。减薄过程是一个机械材料去除过程，由于减薄过程中引入的微裂纹和裂纹形式的亚表面损伤，导致整个晶圆的失效强度从1200 MPa降低到800 MPa。经过体积和激光热处理的晶圆在减薄后的失效强度值与减薄前的几乎没有变化。经过高温体退火(>1700℃)后，SiC晶体发生了4°多阶梯形和位错的出现(这里没有显示)，这有助于保持较低的失效强度。最后，高通量激光退火，在SiC表面具有高温度梯度，在封闭区域引入局部压应力(在我们的案例中估计为100 MPa)，周围没有热应力区域，这促进了衬底的进一步破坏，如微裂纹，因此可能发生机械断裂。

图4 弯曲强度的变化作为缺陷密度的函数在案例过程中诱导缺陷。

这一发现强调，当我们处理标准化学机械抛光(CMP)和纯机械抛光(干式抛光)的替代方法来减轻减薄引起的应力并恢复晶圆表面时，必须注意该过程对模具机械强度的影响。

结论

采用三点弯曲的方法研究了内在缺陷和诱发缺陷对4H-SiC晶圆机械强度的影响。结果表明，在SiC晶体内缺陷密度较大的范围内，模具抗弯强度基本保持不变。与此不同的是，减薄过程在SiC表面产生的缺陷密度使模具强度降低了1.4倍，在后续高温处理的情况下，该值几乎不变。