Prefacio

La cadena de valor del carburo de silicio abarca el polvo, el lingote, el sustrato, la epitaxia, la oblea, el chip y el encapsulado de los dispositivos. El sustrato, la oblea epitaxial, la oblea y el encapsulado y las pruebas de los dispositivos constituyen los cuatro eslabones más críticos de la cadena. El coste del sustrato representa el 50 % del coste total de los dispositivos de carburo de silicio, mientras que los costes de la epitaxia, la oblea y las pruebas de encapsulado son del 25 %, el 20 % y el 5 %, respectivamente. La fiabilidad de los materiales de carburo de silicio es crucial para el rendimiento del dispositivo final. Basic Semiconductor investiga las propiedades de los materiales y las causas de los defectos en todos los aspectos de la cadena industrial, y colabora con empresas de la cadena de suministro para mejorar la fiabilidad de los dispositivos de potencia de carburo de silicio.

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Método de crecimiento y preparación de lingotes de carburo de silicio

Existen más de 250 isómeros de carburo de silicio, siendo el principal utilizado en la fabricación de semiconductores de potencia el monocristalino 4H-SiC. Durante el crecimiento del monocristal de carburo de silicio, la ventana de crecimiento del cristal 4H es estrecha, y existen estrictas normas para el diseño de la temperatura y la presión. Un control impreciso durante el proceso de crecimiento puede dar lugar a cristales de carburo de silicio con otras estructuras, como 2H, 3C, 6H y 15R.

Figura 1. Condiciones para la generación de diversos isómeros de carburo de silicio.

En la industria, existen tres métodos para preparar lingotes monocristalinos de carburo de silicio: sublimación PVT, HT-CVD y LPE (método de crecimiento en solución). Entre ellos, la sublimación PVT es actualmente el método de preparación más común. Aproximadamente el 95 % de los lingotes comerciales de carburo de silicio se cultivan mediante PVT. El proceso consiste en introducir polvo de carburo de silicio en un equipo especial y calentarlo. Una vez que la temperatura alcanza los 2200-2500 °C, el polvo comienza a sublimarse. Dado que el carburo de silicio no tiene estado líquido, solo gaseoso y sólido, el lingote cristalizará en la superficie tras la sublimación. La velocidad de crecimiento del monocristal de silicio es de aproximadamente 300 mm/h, mientras que la del monocristal de carburo de silicio es de aproximadamente 400 μm/h. La diferencia entre ambos es de casi 800 veces. Por ejemplo, la formación de un lingote de cinco a seis centímetros requiere un crecimiento continuo y estable durante 200-300 horas. Se puede observar que la velocidad de preparación de los lingotes de carburo de silicio es muy lenta, lo que encarece dichos lingotes.

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Defectos en lingotes de monocristal de carburo de silicio y obleas de sustrato

Tanto los lingotes de carburo de silicio como las obleas de sustrato presentan diversos defectos cristalinos, como fallas de apilamiento, microtúbulos, dislocaciones helicoidales, dislocaciones de borde, dislocaciones del plano basal, etc. Estos defectos en los lingotes de carburo de silicio afectan significativamente el rendimiento del dispositivo final. Este es un tema crucial en la cadena de valor de la industria. Todos los fabricantes de sustratos se esfuerzan al máximo por reducir la densidad de defectos en los lingotes de carburo de silicio.

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Fiabilidad del sustrato de carburo de silicio

La lámina de sustrato se obtiene cortando el lingote de cristal en láminas delgadas, alisándolas y puliéndolas. Tras el pulido, la oblea de sustrato presenta una buena calidad superficial, lo que permite suprimir la generación de defectos durante el crecimiento epitaxial y, por consiguiente, obtener obleas epitaxiales de alta calidad. La calidad de su superficie incluye la planitud, la ausencia de dislocaciones superficiales y la eliminación de tensiones residuales. Para suprimir la generación de defectos durante las etapas iniciales del crecimiento epitaxial, la superficie del sustrato debe estar libre de tensiones y dislocaciones superficiales. Si el daño residual cerca de la superficie no se elimina por completo, el crecimiento epitaxial sobre el sustrato dará lugar a la generación de defectos macroscópicos. Por lo tanto, la calidad del sustrato afectará gravemente la calidad del crecimiento epitaxial posterior.

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Crecimiento epitaxial y fiabilidad del carburo de silicio

La epitaxia se refiere al crecimiento de una capa de material monocristalino 4H-SiC homogénea con el sustrato en la superficie superior del mismo. El carburo de silicio tiene muchos isómeros. Para garantizar la preparación de materiales epitaxiales de alta calidad, se requiere una tecnología especial para evitar la introducción de otras formas cristalinas. El proceso estandarizado actual consiste en utilizar sustratos monocristalinos de 4H-SiC con corte biselado de 4° y adoptar una tecnología de crecimiento controlado por etapas. El proceso comúnmente utilizado en la actualidad es el método CVD: el equipo comúnmente utilizado es un horno epitaxial horizontal de pared caliente, y el gas precursor de reacción comúnmente utilizado es silano (SiH₄), metano (CH₄), etileno (C₂H₄), etc., y utilizan nitrógeno (N₂) y trimetilaluminio (TMA) como fuentes de impurezas. El rango típico de temperatura de crecimiento es de 1500~1650 ℃ y la velocidad de crecimiento es de 5~30 μm/h.

El crecimiento de la capa epitaxial elimina muchos defectos superficiales o subsuperficiales introducidos durante el crecimiento del cristal y el procesamiento de la oblea, lo que resulta en una red cristalina ordenada y una morfología superficial notablemente mejorada en comparación con el sustrato. Una capa epitaxial gruesa, una buena morfología superficial y una menor concentración de dopaje son importantes para mejorar la tensión de ruptura. Estas obleas epitaxiales se utilizan para fabricar dispositivos de potencia, lo que permite una mayor estabilidad de los parámetros y un mejor rendimiento.

Figura 2 Estructura de la capa del sustrato y de la capa epitaxial

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La relación entre los defectos en las obleas epitaxiales de carburo de silicio y las obleas de sustrato.

Como se mencionó anteriormente, los defectos en la capa epitaxial de carburo de silicio están relacionados con el sustrato y el proceso de crecimiento. Los defectos de la capa epitaxial incluyen defectos de topografía superficial, defectos de microtubos, dislocaciones y otros tipos. Los defectos de morfología superficial incluyen defectos de zanahoria (tipo cometa en algunos casos), hoyos poco profundos, defectos triangulares y objetos caídos; los defectos de microtúbulos en el sustrato se copiarán a la capa epitaxial. La densidad actual de microtúbulos en el sustrato es muy inferior a 0.1/cm.²Básicamente eliminadas. La mayoría de las dislocaciones en la capa epitaxial de carburo de silicio se originan a partir de dislocaciones del sustrato, que incluyen principalmente TSD, TED y BPD. Los defectos introducidos por la epitaxia, como las dislocaciones ordinarias y los defectos de zanahoria, son problemas importantes que afectan la calidad de la epitaxia de carburo de silicio.

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El impacto de los defectos de las obleas epitaxiales de carburo de silicio en el dispositivo final.

Durante el proceso de crecimiento epitaxial, alrededor del 98% del TSD en el sustrato se convierte en TSD, y el resto se convierte en SF de Frank; el TED se convierte al 100% en TED; alrededor del 95% del BPD se convierte en TED, y una pequeña cantidad se mantiene como BPD.

Figura 3. Correlación entre los defectos de la oblea epitaxial de carburo de silicio y los defectos de la oblea del sustrato.

Los defectos TSD y TED prácticamente no afectan el rendimiento del dispositivo final de carburo de silicio, mientras que los defectos BPD pueden degradarlo, por lo que se les presta mayor atención. Los defectos de apilamiento, los defectos en forma de zanahoria, los defectos triangulares, los objetos caídos y otros defectos son críticos. Una vez que aparecen en un dispositivo, este no supera la prueba, lo que reduce su rendimiento. Los dispositivos bipolares, como los triodos y los IGBT, son más sensibles a los defectos BPD.

Tabla 1 El impacto de los defectos de la oblea epitaxial en el dispositivo final

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Dos desafíos a los que se enfrentan los materiales de carburo de silicio

Uno de los principales desafíos para la promoción de los materiales de carburo de silicio es su elevado precio, especialmente en comparación con los sustratos de silicio y zafiro. Actualmente, el diámetro más común de los sustratos de carburo de silicio oscila entre 4 y 6 pulgadas, y se requiere una tecnología de crecimiento más avanzada para ampliar el tamaño y reducir el precio. 

Por otro lado, la densidad de dislocaciones del carburo de silicio es del orden de 102²-104⁴, mucho mayor que la del silicio, el arseniuro de galio y otros materiales. Además, el carburo de silicio presenta una alta tensión superficial, lo que puede provocar problemas en sus parámetros. Mejorar la calidad de los sustratos de carburo de silicio es fundamental para optimizar la calidad de los materiales epitaxiales, el rendimiento de la fabricación de dispositivos, su fiabilidad y su vida útil.

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