Teknologi Pemeriksaan Kecacatan Kehelan Tidak Memusnahkan Membantu Kajian Mekanisme Pertumbuhan Kecacatan Kehelan dalam Kristal SiC

Kecacatan dalam wafer SiC (termasuk morfologi permukaan, kerosakan susunan dan kecacatan terkehel) adalah faktor utama yang mempengaruhi hasil dan kebolehpercayaan jangka panjang cip kuasa SiC. Untuk wafer 4H-SiC konduktif, mengurangkan ketumpatan kecacatan dengan mengawal pertumbuhan jongkong dan proses fabrikasi dengan betul daripada pertumbuhan jongkong, pemprosesan substrat kepada pertumbuhan epitaxial, telah menjadi matlamat lama bagi pengeluar SiC. Sepanjang dekad yang lalu, walaupun terdapat peningkatan ketara dalam pertumbuhan jongkong SiC dan teknik fabrikasi, ketumpatan kecacatan dalam wafer SiC kekal 3-4 susunan magnitud lebih tinggi daripada wafer berasaskan silikon tradisional, disebabkan oleh kerumitan struktur kristal dan kaedah pertumbuhannya. Faktor pengehad utama berpunca daripada pemahaman saintifik yang tidak mencukupi mengenai mekanisme pertumbuhan jongkong SiC, dan faktor yang mempengaruhi. Oleh itu, memerhatikan pembentukan dan evolusi kecacatan dalam jongkong SiC dan menganalisis mekanisme penjanaannya adalah amat penting untuk menghasilkan wafer berkualiti tinggi dan meningkatkan hasil cip.

Penyelidikan tentang kecacatan wafer SiC bergantung pada peralatan pemeriksaan yang pelbagai. Teknik pemeriksaan tidak merosakkan semasa, termasuk pengimbasan permukaan medan terang-gelap optik, pengimejan pendarfluor, dan spektroskopi Raman, boleh mengenal pasti kecacatan seperti lubang, tonjolan, calar dan ralat susun dalam substrat SiC dan wafer epitaxial dengan berkesan. Walau bagaimanapun, untuk kecacatan terkehel dalam wafer substrat (Kehelan Skru Benang (TSD), Kehelan Tepi Benang (TED) dan Kehelan Satah Basal (BPD)), kaedah konvensional untuk penentuan telah lama bergantung pada etsa merosakkan KOH. Penyelidikan mengenai proses pertumbuhan dan mekanisme transformasi mereka telah mencabar kerana batasan dalam teknik pemeriksaan yang merosakkan tersebut. Walaupun topografi sinar-X (XRT) boleh tidak merosakkan imej terkehel dalam wafer SiC, penggunaan meluasnya dalam penyelidikan dan industri dihadkan oleh kos peralatan yang tinggi, kerumitan operasi dan masa pengukuran yang panjang. Akibatnya, persoalan kritikal tentang bagaimana kecacatan TSD, TED, dan BPD berterusan dan berubah semasa pertumbuhan kristal SiC, bagaimana ia berhijrah dari substrat ke lapisan epitaxial, dan mekanisme asasnya kekal tidak jelas dalam kedua-dua kalangan akademik dan industri. Isu yang tidak dapat diselesaikan ini secara ketara mengekang penambahbaikan dalam proses pertumbuhan jongkong SiC dan peningkatan kualiti wafer.

Pada awal 2024, Time-Tech Spectra (TTS) membangunkan alat pemeriksaan yang pantas dan tidak merosakkan (DISPEC 9000/8000) untuk mengesan kecacatan kehelan dalam wafer substrat SiC konduktif. Dengan menggunakan spektroskopi serapan sementara ditambah dengan algoritma pengecaman AI, alat ini mencapai pemeriksaan optikal yang cepat, tepat dan tidak bersentuhan bagi kecacatan seperti TSD, TED dan BPD, dan memegang janji yang besar untuk menggantikan kaedah goresan KOH tradisional. Bekerjasama dengan Prof. Wang di Pusat Inovasi Saintifik dan Teknologi Global ZJU-Hangzhou, TTS telah berjaya memantau kemunculan, penghapusan dan transformasi pelbagai kecacatan--termasuk kecacatan kewujudan bersama polytype, kecacatan titik, kehelan dan kerosakan tindanan--dalam sampel jongkong SiC konduktif. Kemajuan ini menawarkan cerapan eksperimen penting ke dalam mekanisme pertumbuhan dan pengoptimuman proses jongkong SiC, seperti yang dibuktikan oleh penyelidikan terkini mengenai kaedah tindak balas wap kimia (CVR) dan pengoptimuman proses sintesis. Artikel ini membentangkan hasil eksperimen terpilih daripada kajian kami.

 Rajah 1. Pengimejan pemeriksaan kecacatan kehelan bagi bahagian membujur jongkong 4H-SiC jenis N. Jongkong SiC dipotong mengikut arah pertumbuhannya, dan bahagian yang dipotong menjalani pengisaran permukaan ketepatan. Pengimejan optik tidak merosakkan kecacatan dislokasi dilakukan menggunakan sistem DISPEC9000. Dalam imej, kecacatan terkehel kelihatan sebagai isyarat 'gelap' berbanding latar belakang. Sambungan kecacatan TD (TSD dan TED) berjalan secara kasar selari dengan arah pertumbuhan, manakala lanjutan kehelan satah asas (BPD, sesar susun, dsb.) diorientasikan secara kasar serenjang dengan arah pertumbuhan. Pengenalpastian TSD dan TED dicapai melalui model pengkategorian imej AI proprietari TTS.

Untuk memerhatikan proses pertumbuhan TSD, kecacatan TED, dan BPD atau ralat susun dalam jongkong SiC, kami membuat jongkong 4H-SiC jenis N dan kemudiannya memotong bahagian membujur kira-kira 500μm tebal di sepanjang arah pertumbuhan. Selepas pengisaran permukaan ketepatan, sampel telah diimej menggunakan DISPEC9000 oleh TTS. Rajah 1 menggambarkan pengimejan setempat bagi kecacatan kehelan dalam bahagian membujur, seperti yang ditunjukkan dalam konteks bahan semikonduktor. Disebabkan oleh penggabungan semula bukan sinaran yang pantas bagi pembawa janaan foto di tapak kecacatan, keamatan isyarat penyerapan sementara bagi pembawa keadaan teruja di kawasan ini berbeza dengan ketara daripada di kawasan yang tidak rosak. Kontras ini menjelma sebagai isyarat hitam yang berbeza dalam pengimejan penyerapan sementara, menonjolkan pengaruh kecacatan pada dinamik pembawa. Dalam bahagian membujur, arah pertumbuhan kecacatan TSD dan TED sejajar dengan arah pertumbuhan jongkong, nyata sebagai isyarat linear menegak dalam pengimejan. Arah pertumbuhan kecacatan BPD adalah hampir berserenjang dengan jongkong, membentuk sudut ~4 darjah dengan permukaan jongkong dan muncul sebagai isyarat linear mendatar dalam pengimejan. Kami mencapai pengelasan dan pengiktirafan kecacatan TSD dan TED dalam bahagian membujur melalui model pengecaman AI data besar.

Dalam pemahaman sebelumnya, kecacatan jenis TD (TSD dan TED) dalam jongkong SiC biasanya ditakrifkan sebagai kecacatan 'benang'. Melalui analisis hasil pengimejan optik sementara kecacatan dislokasi daripada bahagian membujur, kami mengenal pasti dua corak pertumbuhan utama untuk kecacatan TD. Jenis pertama ialah kecacatan benang jarak jauh (Rajah 2a), dicirikan oleh pertumbuhan berterusan melebihi beberapa milimeter, mempamerkan keamatan isyarat yang dipertingkatkan. Kecacatan ini disertai dengan perubahan lenturan dan arah semasa pembiakannya, yang menunjukkan sifat lanjutannya dan potensi kesan ke atas sifat bahan. Model AI pada awalnya mengklasifikasikan kecacatan ini sebagai jenis TSD. Corak kecacatan TD ciri kedua, yang dipanggil jenis selang-seli pertumbuhan-penghancuran-pertumbuhan (Rajah 2b), memaparkan isyarat seperti garisan sempang di sepanjang arah tertentu dalam imej. Analisis statistik mendedahkan bahawa banyak jenis kecacatan ini berkembang selama 100-500μm sebelum mengalami penghapusan, yang mungkin berlaku secara rawak semasa pertumbuhan. Model AI secara tentatif mengkategorikan kecacatan ini sebagai jenis TED.

Rajah 2. Pengimejan proses pertumbuhan kecacatan kehelan TD (TSD dan TED). (a) Kecacatan TD benang jarak jauh, kebanyakannya TSD. (b) Kecacatan TD bergantian penghapusan pertumbuhan, kebanyakannya TED.

Kecacatan satah asas (termasuk kerosakan susun dan BPD) muncul sebagai isyarat berorientasikan mendatar dalam pengimejan spektrum sementara. Oleh kerana kecacatan ini mempamerkan pelbagai arah pertumbuhan, panjang isyaratnya dalam pengimejan tidak menggambarkan jarak pertumbuhan sebenar (iaitu, unjuran kecacatan pada imej). Melalui analisis data yang meluas, kami telah mendapati bahawa TSD dan kerosakan susun, serta TED dan BPD, mempamerkan kewujudan bersama dan fenomena transformasi, seperti yang digambarkan dalam Rajah 3. Proses kewujudan bersama ini menjelma sebagai pembentukan pelbagai kecacatan satah asas berorientasikan mendatar semasa pertumbuhan di sepanjang TD, yang muncul sebagai ciri isyarat berbentuk tulang ikan. Selain itu, kami memerhatikan bahawa penghapusan banyak kecacatan TD boleh disertai dengan pembentukan kecacatan satah asas tunggal, menunjukkan bahawa kecacatan TD boleh berubah menjadi kecacatan satah asas. Penemuan ini menunjukkan bahawa pembentukan TD dalam jongkong SiC boleh mengakibatkan pembentukan kecacatan satah asas.

 

Rajah 3. Proses interaksi dan transformasi kecacatan TD dan kecacatan satah asas.

Pembentukan kecacatan kehelan dalam jongkong SiC yang dihasilkan melalui sintesis fasa wap dipengaruhi oleh pelbagai faktor semasa pertumbuhan jongkong, termasuk pemindahan jisim, pemindahan tenaga, suhu dan pengedaran bahan mentah. Faktor ini menyumbang kepada penciptaan pelbagai jenis kecacatan seperti paip mikro, BPD, TED dan TSD, yang boleh memberi kesan ketara kepada prestasi peranti kuasa berasaskan SiC. Walaupun reka bentuk dan teknologi relau pertumbuhan jongkong telah dioptimumkan dengan ketara, mengawal dan menambah baik persekitaran pertumbuhan pada skala mikroskopik kekal sebagai cabaran utama. Pengimejan kehelan keratan rentas membujur mendedahkan bahawa secara makroskopik, ketumpatan kecacatan dalam jongkong mempamerkan corak tertentu dari awal hingga akhir pertumbuhan, tetapi secara mikroskopik, ketumpatan dan taburan kecacatan berbeza dengan ketara dan rawak merentasi kedudukan pertumbuhan yang berbeza, seperti yang dibuktikan oleh kajian mengenai pengagihan pengecutan pengecutan dan rongga dalam keluli jongkong ₂, Ferum, ₁₇ aloi mikro dan S. jongkong. Ketumpatan terkehel dan taburan pada permukaan wafer yang dihasilkan oleh pemotongan wafer substrat pada pelbagai kedudukan dalam jongkong mungkin mengalami perubahan besar pada tahap mikroskopik. Oleh itu, kaedah semasa menilai ketumpatan kecacatan kehelan substrat dengan memilih 'hirisan kepala dan ekor' jongkong untuk goresan KOH tidak dapat meramalkan dan mewakili ketumpatan kecacatan dan pengedaran setiap wafer yang dihasilkan daripada keseluruhan jongkong dengan tepat.

Rajah 4. TTS DISPEC9000: Sistem pemeriksaan kecacatan substrat SiC optik tidak musnah. Berdasarkan prinsip spektroskopi serapan sementara semikonduktor, peralatan ini secara langsung memerhati dan mengenal pasti kehelan dan pelbagai kecacatan jongkong melalui pengimejan spektrum sementara wafer substrat, menggantikan sepenuhnya kaedah goresan KOH tradisional.

DISPEC 9000, seperti yang diperincikan dalam artikel ini, menggunakan teknologi optik bukan linear tercanggih untuk melakukan imbasan permukaan penuh pada substrat SiC, mengenal pasti kecacatan kristal kritikal secara berkesan dan tidak merosakkan. Pendekatan inovatif ini menggantikan kaedah goresan KOH konvensional dan mahal, dengan ketara mengurangkan masa pemeriksaan dan kos substrat, dan dengan itu meningkatkan kecekapan dan hasil pengeluaran. Pemeriksaan spektrum yang tidak merosakkan, sebagai komponen kritikal dalam pembuatan semikonduktor, memudahkan pemeriksaan 'wafer-by-wafer', menawarkan sokongan teguh untuk pengurusan kecacatan dalam pertumbuhan lapisan epitaxial berikutnya dan proses fabrikasi cip. Dengan menggunakan algoritma pengkategorian imej AI, sistem ini menawarkan kebolehkesanan data kecacatan in-situ yang komprehensif, yang penting untuk analisis kegagalan cip dan kawalan hasil. Kami percaya bahawa penggunaan meluas teknologi pemeriksaan kecacatan kehelan tanpa musnah untuk substrat SiC akan memajukan penyelidikan dengan ketara tentang mekanisme pertumbuhan jongkong SiC dan meningkatkan kawalan kualiti dalam pembuatan wafer industri, dengan itu menggalakkan pembangunan berkualiti tinggi bahan dan peranti semikonduktor generasi ketiga.