Préface

La chaîne de valeur du carbure de silicium comprend les étapes suivantes : poudre, lingot, substrat, épitaxie, plaquette, puce et encapsulation. Parmi celles-ci, le substrat, la plaquette épitaxiale, la plaquette et l’encapsulation/test du dispositif constituent les quatre maillons les plus critiques de cette chaîne. Le coût du substrat représente 50 % du coût total des dispositifs en carbure de silicium, tandis que les coûts d’épitaxie, de plaquette et de test d’encapsulation représentent respectivement 25 %, 20 % et 5 %. La fiabilité des matériaux en carbure de silicium est essentielle aux performances du dispositif final. Basic Semiconductor étudie les propriétés des matériaux et les causes des défauts à chaque étape de la chaîne de valeur et collabore avec les entreprises en amont et en aval afin d’améliorer la fiabilité des dispositifs de puissance en carbure de silicium.

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Méthode de croissance et de préparation des lingots de carbure de silicium

Il existe plus de 250 isomères de carbure de silicium, le principal utilisé pour la fabrication de semi-conducteurs de puissance étant la structure monocristalline 4H-SiC. Lors de la croissance de ces monocristaux, la plage de croissance de la structure 4H est restreinte, et des normes strictes en matière de température et de pression sont imposées. Un contrôle imprécis durant ce processus peut entraîner la formation de cristaux de carbure de silicium présentant d'autres structures, telles que 2H, 3C, 6H et 15R.

Figure 1 Conditions de génération de différents isomères de carbure de silicium

Dans l'industrie, trois méthodes permettent de préparer des lingots monocristallins de carbure de silicium : la sublimation PVT, le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HT-CVD) et l'épitaxie en phase liquide (LPE). La sublimation PVT est actuellement la méthode la plus répandue. Environ 95 % des lingots commerciaux de carbure de silicium sont obtenus par ce procédé. Il consiste à introduire de la poudre de carbure de silicium dans un équipement spécifique et à la chauffer. Lorsque la température atteint 2 200 à 2 500 °C, la poudre commence à se sublimer. Le carbure de silicium n'existant qu'à l'état gazeux et solide, un lingot cristallise en surface après sublimation. La vitesse de croissance d'un monocristal de silicium est d'environ 300 mm/h, tandis que celle d'un monocristal de carbure de silicium est d'environ 400 µm/h. La différence entre les deux est d'un facteur 800 environ. Par exemple, la formation d'un lingot de cinq à six centimètres nécessite une croissance continue et stable pendant 200 à 300 heures. On constate que la vitesse de fabrication des lingots de carbure de silicium est très lente, ce qui rend ces lingots coûteux.

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Défauts des lingots monocristallins et des plaquettes de substrat en carbure de silicium

Les lingots et les substrats en carbure de silicium présentent divers défauts cristallins, tels que des défauts d'empilement, des microtubules, des dislocations vis traversantes, des dislocations coin traversantes, des dislocations de plan basal, etc. Ces défauts affectent considérablement le rendement du dispositif final. Il s'agit d'un enjeu majeur pour l'ensemble de la chaîne de valeur industrielle. Tous les fabricants de substrats déploient des efforts considérables pour réduire la densité de défauts des lingots en carbure de silicium.

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fiabilité du substrat en carbure de silicium

Le substrat est obtenu en découpant le lingot de cristal en fines tranches, puis en les lissant et en les polissant. Après polissage, le substrat présente une excellente qualité de surface, ce qui permet de limiter la formation de défauts lors de la croissance épitaxiale et d'obtenir ainsi des plaquettes épitaxiales de haute qualité. La qualité de sa surface inclut la planéité, l'absence de dislocations proches de la surface et de contraintes résiduelles. Afin de limiter la formation de défauts lors des premières étapes de la croissance épitaxiale, la surface du substrat doit être exempte de contraintes et de dislocations proches de la surface. Si les dommages résiduels proches de la surface ne sont pas suffisamment éliminés, la croissance épitaxiale sur le substrat entraînera la formation de défauts macroscopiques. Par conséquent, la qualité du substrat influence fortement la qualité de la couche épitaxiale déposée.

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Croissance épitaxiale et fiabilité du carbure de silicium

L'épitaxie consiste à faire croître une couche de matériau monocristallin 4H-SiC homogène avec le substrat sur sa surface supérieure. Le carbure de silicium possède de nombreux isomères. Afin de garantir la préparation de matériaux épitaxiaux de haute qualité, une technologie spécifique est nécessaire pour éviter l'introduction d'autres formes cristallines. Le procédé standardisé actuel utilise des substrats monocristallins 4H-SiC biseautés à 4° et une technique de croissance par étapes contrôlées. Le procédé le plus couramment utilisé est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : l'équipement généralement employé est un four d'épitaxie horizontal à paroi chaude et le gaz précurseur de réaction est le silane (SiH₄).₄), méthane (CH₄), l'éthylène (C₂H₄), etc., et utilisent de l'azote (N₂et le triméthylaluminium (TMA) comme sources d'impuretés. La plage de température de croissance typique est de 1500 à 1650 °C et la vitesse de croissance est de 5 à 30 µm/h.

La croissance de la couche épitaxiale permet d'éliminer de nombreux défauts de surface ou de subsurface introduits lors de la croissance cristalline et de la fabrication des plaquettes. Ainsi, le réseau cristallin est organisé de manière optimale et la morphologie de surface est nettement améliorée par rapport au substrat. Une couche épitaxiale épaisse, une bonne morphologie de surface et une faible concentration de dopage sont essentielles pour améliorer la tension de claquage. Ces plaquettes épitaxiales sont utilisées pour la fabrication de dispositifs de puissance, ce qui permet d'améliorer considérablement la stabilité des paramètres et le rendement.

Figure 2 Structure de la couche de substrat et de la couche épitaxiale

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Relation entre les défauts dans les plaquettes épitaxiales en carbure de silicium et les plaquettes de substrat

Comme mentionné précédemment, les défauts de la couche épitaxiale de carbure de silicium sont liés au substrat et au procédé de croissance. Ces défauts comprennent des anomalies de topographie de surface, des défauts de microstructure, des dislocations, etc. Les défauts de morphologie de surface incluent des défauts en forme de carotte (parfois en comète), des piqûres peu profondes, des défauts triangulaires et des inclusions. Les défauts de microstructure présents dans le substrat se répercutent sur la couche épitaxiale. La densité de courant des microstructures dans le substrat est largement inférieure à 0.1/cm².²En pratique, les dislocations sont quasiment éliminées. La plupart des dislocations présentes dans la couche épitaxiale de carbure de silicium proviennent du substrat et comprennent principalement les dislocations de type TSD, TED et BPD. Les défauts introduits par l'épitaxie, tels que les dislocations ordinaires et les défauts en carotte, constituent des facteurs importants qui affectent la qualité de l'épitaxie du carbure de silicium.

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L'impact des défauts des plaquettes épitaxiales en carbure de silicium sur le dispositif final

Au cours du processus de croissance épitaxiale, environ 98 % du TSD présent dans le substrat est converti en TSD, et le reste en Frank SF ; le TED est converti à 100 % en TED ; environ 95 % du BPD est converti en TED, et une petite quantité est conservée sous forme de BPD.

Figure 3 Corrélation entre les défauts des plaquettes épitaxiales en carbure de silicium et les défauts des plaquettes de substrat

Les défauts de surface transitoires (TSD) et les défauts d'empilement transitoires (TED) n'affectent généralement pas les performances du dispositif final en carbure de silicium, tandis que les défauts de polarisation de barrière (BPD) peuvent entraîner une dégradation de ces performances. C'est pourquoi on accorde une attention particulière aux BPD. Les défauts d'empilement, les défauts en forme de carotte, les défauts triangulaires, les corps étrangers et autres défauts similaires sont des défauts critiques. Dès leur apparition sur un dispositif, celui-ci échoue aux tests, ce qui entraîne une baisse du rendement. Les dispositifs bipolaires, tels que les triodes et les IGBT, sont plus sensibles aux BPD.

Tableau 1 L'impact des défauts de la plaquette épitaxiale sur le dispositif final

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Deux défis auxquels sont confrontés les matériaux en carbure de silicium

L'un des principaux obstacles à la promotion des matériaux en carbure de silicium réside dans leur prix élevé, notamment celui des substrats, bien supérieur à celui du silicium et du saphir. Actuellement, le diamètre courant des substrats en carbure de silicium se situe entre 4 et 6 pouces ; le développement de technologies de croissance plus abouties est nécessaire pour augmenter leur taille et réduire leur coût. 

En revanche, la densité de dislocations du carbure de silicium est de l'ordre de 102² à 104⁴, ce qui est bien supérieur à celle du silicium, de l'arséniure de gallium et d'autres matériaux. De plus, le carbure de silicium présente des contraintes importantes, susceptibles d'entraîner des problèmes au niveau des paramètres de surface. Améliorer la qualité des substrats en carbure de silicium est donc essentiel pour optimiser la qualité des matériaux épitaxiés, le rendement de fabrication des dispositifs, leur fiabilité et leur durée de vie.

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