Vorwort

Die Wertschöpfungskette der Siliziumkarbidindustrie umfasst Siliziumkarbidpulver, Siliziumkarbid-Ingots, Siliziumkarbidsubstrate, Siliziumkarbid-Epitaxie, Siliziumkarbid-Wafer, Siliziumkarbid-Chips und die Gehäusefertigung von Siliziumkarbidbauelementen. Substrat, Epitaxie-Wafer, Waferfertigung sowie Gehäusefertigung und -prüfung sind die vier kritischsten Glieder der Siliziumkarbid-Wertschöpfungskette. Die Substratkosten machen 50 % der Gesamtkosten von Siliziumkarbidbauelementen aus, die Kosten für Epitaxie, Waferfertigung und Gehäuseprüfung betragen 25 %, 20 % bzw. 5 %. Die Zuverlässigkeit von Siliziumkarbidmaterialien ist für die Leistungsfähigkeit der Endprodukte von entscheidender Bedeutung. Basic Semiconductor untersucht Materialeigenschaften und Defektursachen entlang der gesamten Wertschöpfungskette und arbeitet mit vor- und nachgelagerten Unternehmen zusammen, um die Zuverlässigkeit von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern zu verbessern.

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Verfahren zur Züchtung und Herstellung von Siliciumcarbid-Ingots

Es gibt über 250 Isomere von Siliciumcarbid, wobei die 4H-SiC-Einkristallstruktur die wichtigste für die Herstellung von Leistungshalbleitern darstellt. Beim Wachstum von Siliciumcarbid-Einkristallen ist das Wachstumsfenster für die 4H-Struktur klein, und es gelten strenge Vorgaben für Temperatur und Druck. Ungenauigkeiten im Wachstumsprozess führen zu Siliciumcarbidkristallen mit anderen Strukturen wie 2H, 3C, 6H und 15R.

Abbildung 1 Bedingungen für die Erzeugung verschiedener Siliciumcarbid-Isomere

In der Industrie gibt es drei Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Einkristallblöcken: Sublimations-PVT, HT-CVD und LPE (Lösungszüchtungsverfahren). Die Sublimations-PVT ist derzeit das gängigste Verfahren. Etwa 95 % der kommerziellen Siliciumcarbid-Blöcke werden mittels PVT gezüchtet. Dabei wird Siliciumcarbidpulver in eine spezielle Anlage gegeben und erhitzt. Sobald die Temperatur 2200–2500 °C erreicht hat, beginnt das Pulver zu sublimieren. Da Siliciumcarbid nicht flüssig, sondern nur gasförmig oder fest ist, kristallisiert der Block nach der Sublimation an der Oberfläche. Die Wachstumsrate von Silicium-Einkristallen beträgt etwa 300 mm/h, die von Siliciumcarbid-Einkristallen hingegen etwa 400 µm/h. Der Unterschied beträgt fast das 800-Fache. Beispielsweise erfordert die Herstellung eines fünf bis sechs Zentimeter großen Blocks ein kontinuierliches und stabiles Wachstum über 200–300 Stunden. Es zeigt sich, dass die Herstellungsgeschwindigkeit von Siliciumcarbid-Ingots sehr gering ist, was die Ingots teuer macht.

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Defekte im Siliziumkarbid-Einkristallingot und Substratwafer

Sowohl Siliziumkarbid-Ingots als auch Substratwafer weisen verschiedene Kristallfehler auf, darunter Stapelfehler, Mikrotubuli, Schraubenversetzungen, Stufenversetzungen, Basisebenenversetzungen usw. Defekte in Siliziumkarbid-Ingots beeinträchtigen die Ausbeute des Endprodukts erheblich. Dies ist ein sehr wichtiges Thema in der gesamten Wertschöpfungskette. Alle Substrathersteller unternehmen daher große Anstrengungen, die Defektdichte von Siliziumkarbid-Ingots zu reduzieren.

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Zuverlässigkeit des Siliziumkarbidsubstrats

Das Substratblech entsteht durch das Schneiden des Kristallblocks in dünne Scheiben, anschließendes Glätten und Polieren. Nach dem Polieren weist das Substratblech eine hohe Oberflächenqualität auf, wodurch die Entstehung von Defekten während des epitaxialen Wachstums unterdrückt und somit hochwertige Epitaxieschichten gewonnen werden können. Die Oberflächenqualität umfasst Ebenheit, oberflächennahe Versetzungen und Eigenspannungen. Um die Entstehung von Defekten in den Anfangsstadien des epitaxialen Wachstums zu verhindern, muss die Substratoberfläche spannungsfrei und frei von oberflächennahen Versetzungen sein. Werden die oberflächennahen Eigenspannungen nicht ausreichend beseitigt, führt das epitaxiale Wachstum auf dem Substrat zur Entstehung makroskopischer Defekte. Daher beeinflusst die Qualität des Substrats maßgeblich die Qualität der nachfolgenden Epitaxieschichten.

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Epitaxiewachstum und Zuverlässigkeit von Siliziumkarbid

Epitaxie bezeichnet das Aufwachsen einer Schicht aus einkristallinem 4H-SiC, die mit dem Substrat homogen ist, auf dessen Oberseite. Siliciumcarbid existiert in zahlreichen Isomeren. Um die Herstellung hochwertiger Epitaxiematerialien zu gewährleisten, ist eine spezielle Technologie erforderlich, die die Bildung anderer Kristallformen verhindert. Das derzeit standardisierte Verfahren verwendet 4H-SiC-Einkristallsubstrate mit 4°-Schrägschnitt und setzt auf stufenweises, kontrolliertes Wachstum. Das gängigste Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Die üblicherweise verwendete Anlage ist ein horizontaler Heißwand-Epitaxieofen, und als Reaktionsvorläufergas wird üblicherweise Silan (SiH₄) eingesetzt.₄), Methan (CH₄), Ethylen (C₂H₄usw. und verwenden Stickstoff (N₂) und Trimethylaluminium (TMA) als Verunreinigungsquellen. Der typische Wachstumstemperaturbereich liegt zwischen 1500 und 1650 °C, die Wachstumsrate zwischen 5 und 30 μm/h.

Durch das Wachstum der Epitaxieschicht lassen sich viele Oberflächen- und oberflächennahe Defekte, die beim Kristallwachstum und der Waferbearbeitung entstehen, beseitigen. Dadurch wird ein gleichmäßiges Kristallgitter erreicht und die Oberflächenmorphologie im Vergleich zum Substrat deutlich verbessert. Eine dicke Epitaxieschicht, eine gute Oberflächenmorphologie und eine geringere Dotierungskonzentration sind wichtig für die Erhöhung der Durchbruchspannung. Solche Epitaxie-Wafer werden zur Herstellung von Leistungshalbleitern verwendet, wodurch die Parameterstabilität und die Ausbeute erheblich gesteigert werden können.

Abbildung 2 Struktur der Substratschicht und der Epitaxieschicht

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Der Zusammenhang zwischen Defekten in Siliziumkarbid-Epitaxiewafern und Substratwafern

Wie bereits erwähnt, hängen Defekte in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht vom Substrat und dem Wachstumsprozess ab. Zu den Epitaxieschichtdefekten zählen Oberflächenstrukturdefekte, Mikrotubuli-Defekte, Versetzungen und andere Defekttypen. Oberflächenmorphologische Defekte umfassen karottenförmige (teilweise kometenartige) Defekte, flache Vertiefungen, dreieckige Defekte und Fremdkörper. Mikrotubuli-Defekte im Substrat werden in die Epitaxieschicht übertragen. Die Stromdichte der Mikrotubuli im Substrat liegt weit unter 0.1/cm².²Die meisten Versetzungen in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht stammen aus dem Substrat und umfassen hauptsächlich TSD, TED und BPD. Epitaxiebedingte Defekte wie gewöhnliche Versetzungen und Karottendefekte sind wichtige Faktoren, die die Qualität der Siliziumkarbid-Epitaxie beeinträchtigen.

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Der Einfluss von Defekten in Siliziumkarbid-Epitaxiewafern auf das Endprodukt

Während des epitaxialen Wachstumsprozesses werden etwa 98 % der TSD im Substrat in TSD umgewandelt, der Rest in Frank SFs; TED wird zu 100 % in TED umgewandelt; etwa 95 % der BPD werden in TED umgewandelt, ein kleiner Anteil bleibt als BPD erhalten.

Abbildung 3 Korrelation zwischen Defekten im Siliziumkarbid-Epitaxiewafer und Defekten im Substratwafer

TSD und TED beeinträchtigen die Leistung des fertigen Siliziumkarbidbauelements im Wesentlichen nicht, während BPD die Leistung beeinträchtigen kann. Daher wird BPD mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Stapelfehler, Karottenfehler, Dreiecksfehler, Fremdkörperfehler und andere Defekte sind kritische Defekte. Treten sie auf, fällt das Bauelement im Test durch, was zu einer geringeren Ausbeute führt. Bipolare Bauelemente wie Trioden und IGBTs reagieren besonders empfindlich auf BPD.

Tabelle 1: Der Einfluss von Defekten im Epitaxie-Wafer auf das Endprodukt

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Zwei Herausforderungen für Siliziumkarbidmaterialien

Eine der größten Herausforderungen für die Förderung von Siliziumkarbid-Materialien ist der hohe Preis. Insbesondere die Substratkosten liegen deutlich über denen von Silizium- und Saphirsubstraten. Derzeit beträgt der gängige Durchmesser von Siliziumkarbid-Substraten lediglich 4 bis 6 Zoll. Um die Größe zu erhöhen und den Preis zu senken, sind ausgereiftere Wachstumstechnologien erforderlich. 

Andererseits liegt die Versetzungsdichte von Siliciumcarbid in der Größenordnung von 102²–104⁴, was deutlich höher ist als die von Silicium, Galliumarsenid und anderen Materialien. Zudem weist Siliciumcarbid hohe Spannungen auf, die Probleme mit den Oberflächenparametern verursachen können. Die Verbesserung der Qualität von Siliciumcarbid-Substraten ist daher ein wichtiger Weg, um die Qualität von Epitaxiematerialien, die Ausbeute bei der Bauelementherstellung sowie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente zu optimieren.

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