Kata pengantar

Rantai industri silikon karbida mencakup bubuk silikon karbida, ingot silikon karbida, substrat silikon karbida, epitaksi silikon karbida, wafer silikon karbida, chip silikon karbida, dan tautan pengemasan perangkat silikon karbida. Di antara tautan tersebut, substrat, wafer epitaksi, wafer, dan pengemasan serta pengujian perangkat merupakan empat tautan paling penting dalam rantai nilai silikon karbida. Biaya substrat mencapai 50% dari total biaya perangkat silikon karbida, dan biaya epitaksi, wafer, dan pengujian pengemasan masing-masing sebesar 25%, 20%, dan 5%. Keandalan material silikon karbida sangat penting bagi kinerja perangkat akhir. Basic Semiconductor meneliti sifat material dan penyebab cacat dari semua aspek rantai industri, dan berkolaborasi dengan perusahaan hulu dan hilir untuk meningkatkan keandalan perangkat daya silikon karbida.

01

Metode pertumbuhan dan persiapan ingot silikon karbida

Terdapat lebih dari 250 isomer silikon karbida, dan yang utama digunakan untuk membuat semikonduktor daya adalah struktur kristal tunggal 4H-SiC. Selama proses pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida, jendela pertumbuhan kristal 4H kecil, dan terdapat standar ketat untuk desain suhu dan tekanan. Kontrol yang tidak akurat selama proses pertumbuhan akan menghasilkan kristal silikon karbida dengan struktur lain seperti 2H, 3C, 6H, dan 15R.

Gambar 1. Kondisi untuk pembentukan berbagai isomer silikon karbida.

Dalam industri, terdapat tiga metode untuk menyiapkan ingot kristal tunggal silikon karbida: sublimasi PVT, HT-CVD, dan LPE (metode pertumbuhan larutan). Di antara ketiganya, sublimasi PVT saat ini merupakan metode persiapan yang paling umum. Sekitar 95% ingot silikon karbida komersial dihasilkan dari PVT. Prosesnya adalah dengan memasukkan bubuk silikon karbida ke dalam peralatan khusus dan memanaskannya. Setelah suhu naik hingga 2200-2500°C, bubuk tersebut mulai mengalami sublimasi. Karena silikon karbida tidak memiliki fase cair, hanya fase gas dan padat, ingot akan mengkristal di bagian atas setelah sublimasi. Laju pertumbuhan kristal tunggal silikon sekitar 300 mm/jam, dan laju pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida sekitar 400 μm/jam. Perbedaan antara keduanya hampir 800 kali lipat. Misalnya, pembentukan ingot berukuran lima hingga enam sentimeter membutuhkan pertumbuhan yang berkelanjutan dan stabil selama 200-300 jam. Terlihat bahwa laju pembuatan ingot silikon karbida sangat lambat, yang membuat ingot tersebut mahal.

02

Cacat pada ingot kristal tunggal silikon karbida dan wafer substrat

Baik ingot silikon karbida maupun wafer substrat mengandung berbagai cacat kristal, seperti kesalahan penumpukan, mikrotubulus, dislokasi sekrup tembus, dislokasi tepi tembus, dislokasi bidang basal, dll. Cacat pada ingot silikon karbida akan sangat memengaruhi hasil produksi perangkat akhir. Ini adalah topik yang sangat penting dalam rantai industri. Semua produsen substrat tidak吝惜 upaya untuk mengurangi kepadatan cacat pada ingot silikon karbida.

03

Keandalan substrat silikon karbida

Lembaran substrat adalah produk yang diperoleh dengan memotong ingot kristal menjadi irisan tipis, menghaluskan, dan memolesnya. Wafer substrat memperoleh kualitas permukaan yang baik setelah proses pemolesan, yang dapat menekan pembentukan cacat selama pertumbuhan epitaksial, sehingga menghasilkan wafer epitaksial berkualitas tinggi. Kualitas permukaannya meliputi kerataan, dislokasi dekat permukaan, dan tegangan sisa. Untuk menekan pembentukan cacat selama tahap awal pertumbuhan epitaksial, permukaan substrat harus bebas tegangan dan bebas dislokasi dekat permukaan. Jika kerusakan sisa di dekat permukaan tidak dihilangkan secara memadai, pertumbuhan epitaksial pada substrat akan menyebabkan pembentukan cacat makroskopis. Oleh karena itu, tingkat kualitas lapisan substrat akan sangat memengaruhi tingkat kualitas lapisan pertumbuhan epitaksial selanjutnya.

04

Pertumbuhan epitaksial silikon karbida dan keandalannya

Epitaksi mengacu pada pertumbuhan lapisan material kristal tunggal 4H-SiC yang homogen dengan substrat pada permukaan atas substrat. Silikon karbida memiliki banyak isomer. Untuk memastikan pembuatan material epitaksi berkualitas tinggi, diperlukan teknologi khusus untuk menghindari masuknya bentuk kristal lain. Proses standar saat ini adalah menggunakan substrat kristal tunggal 4H-SiC yang dipotong miring 4° dan mengadopsi teknologi pertumbuhan terkontrol bertahap. Proses yang umum digunakan saat ini adalah metode CVD: peralatan yang umum digunakan adalah tungku epitaksi horizontal dinding panas, dan gas prekursor reaksi yang umum digunakan adalah silana (SiH4).₄), metana (CH₄), etilena (C₂H₄), dll., dan menggunakan nitrogen (N₂) dan trimetilaluminium (TMA) sebagai sumber pengotor. Kisaran suhu pertumbuhan tipikal adalah 1500~1650 ℃, dan laju pertumbuhannya adalah 5~30μm/jam.

Pertumbuhan lapisan epitaksial dapat menghilangkan banyak cacat permukaan atau dekat permukaan yang muncul selama pertumbuhan kristal dan pemrosesan wafer, sehingga kisi kristal tersusun rapi dan morfologi permukaan jauh lebih baik dibandingkan dengan substrat. Lapisan epitaksial yang tebal, morfologi permukaan yang baik, dan konsentrasi doping yang lebih rendah sangat penting untuk meningkatkan tegangan tembus. Wafer epitaksial semacam ini digunakan untuk memproduksi perangkat daya, yang dapat sangat meningkatkan stabilitas parameter dan hasil produksi.

Gambar 2 Struktur lapisan substrat dan lapisan epitaksial

05

Hubungan antara cacat pada wafer epitaksial silikon karbida dan wafer substrat

Seperti yang disebutkan di atas, cacat pada lapisan epitaksial silikon karbida berkaitan dengan substrat dan proses pertumbuhan. Cacat lapisan epitaksial meliputi cacat topografi permukaan, cacat mikropipa, dislokasi, dan jenis lainnya. Cacat morfologi permukaan meliputi cacat wortel (tipe komet dalam beberapa kasus), lubang dangkal, cacat segitiga, dan objek yang jatuh; cacat mikrotubulus pada substrat akan disalin ke lapisan epitaksial. Kepadatan mikrotubulus saat ini pada substrat jauh di bawah 0.1/cm².²Pada dasarnya, sebagian besar dislokasi pada lapisan epitaksi silikon karbida dihilangkan. Sebagian besar dislokasi pada lapisan epitaksi silikon karbida berasal dari dislokasi substrat, yang terutama meliputi TSD, TED, dan BPD. Cacat yang ditimbulkan oleh epitaksi seperti dislokasi biasa dan cacat wortel merupakan masalah penting yang memengaruhi kualitas epitaksi silikon karbida.

06

Dampak cacat wafer epitaksial silikon karbida pada perangkat akhir.

Selama proses pertumbuhan epitaksial, sekitar 98% TSD dalam substrat diubah menjadi TSD, dan sisanya diubah menjadi Frank SF; TED 100% diubah menjadi TED; sekitar 95% BPD diubah menjadi TED, dan sebagian kecil dipertahankan sebagai BPD.

Gambar 3 Korelasi antara cacat wafer epitaksial silikon karbida dan cacat wafer substrat

TSD dan TED pada dasarnya tidak memengaruhi kinerja perangkat silikon karbida akhir, sedangkan BPD dapat menyebabkan penurunan kinerja perangkat, sehingga orang lebih memperhatikan BPD. Kesalahan penumpukan, cacat wortel, cacat segitiga, objek jatuh, dan cacat lainnya adalah cacat fatal. Begitu muncul pada suatu perangkat, perangkat tersebut akan gagal dalam pengujian, yang mengakibatkan penurunan hasil produksi. Perangkat bipolar, seperti trioda dan IGBT, lebih sensitif terhadap BPD.

Tabel 1 Dampak cacat wafer epitaksial pada perangkat akhir

07

Dua tantangan yang dihadapi material silikon karbida

Salah satu tantangan penting yang dihadapi dalam promosi material silikon karbida adalah harganya yang terlalu tinggi, dan harga substratnya jauh lebih tinggi daripada substrat silikon dan safir. Saat ini, diameter substrat silikon karbida yang umum hanya 4 hingga 6 inci, dan dibutuhkan teknologi pertumbuhan yang lebih matang untuk memperluas ukuran dan mengurangi harga. 

Di sisi lain, kerapatan dislokasi silikon karbida berada pada orde 102²-104⁴, yang jauh lebih tinggi daripada silikon, galium arsenida, dan material lainnya. Selain itu, silikon karbida juga memiliki tegangan yang besar, yang dapat menyebabkan masalah pada parameter permukaan. Meningkatkan kualitas substrat silikon karbida merupakan cara penting untuk meningkatkan kualitas material epitaksial, hasil pembuatan perangkat, keandalan perangkat, dan umur pakainya.

Penafian: Artikel ini dicetak ulang dari "Basic Semiconductor", yang mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulis dari cetakan ulang tersebut. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Nomor telepon perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/FAX: +86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li

QQ: 332496225 Manajer Qiu

Alamat: Ruang 809, Gedung C, Gedung Teknologi Zhantao, No. 1079 Jalan Minzhi, Distrik Baru Longhua, Shenzhen