Prefazione

La filiera industriale del carburo di silicio comprende le fasi di produzione: polvere di carburo di silicio, lingotti di carburo di silicio, substrati di carburo di silicio, epitassia del carburo di silicio, wafer di carburo di silicio, chip di carburo di silicio e confezionamento dei dispositivi in ​​carburo di silicio. Tra queste, il substrato, il wafer epitassiale, il wafer e il confezionamento e collaudo dei dispositivi rappresentano i quattro anelli più critici della catena del valore del carburo di silicio. Il costo del substrato incide per il 50% sul costo totale dei dispositivi in ​​carburo di silicio, mentre i costi di epitassia, wafer e collaudo del confezionamento rappresentano rispettivamente il 25%, il 20% e il 5%. L'affidabilità dei materiali in carburo di silicio è di fondamentale importanza per le prestazioni del dispositivo finale. Basic Semiconductor analizza le proprietà dei materiali e le cause dei difetti in tutti gli aspetti della filiera industriale e collabora con aziende a monte e a valle per migliorare l'affidabilità dei dispositivi di potenza in carburo di silicio.

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Metodo di crescita e preparazione di lingotti di carburo di silicio

Esistono più di 250 isomeri del carburo di silicio, e quello principale utilizzato per la produzione di semiconduttori di potenza è la struttura monocristallina 4H-SiC. Durante il processo di crescita del monocristallo di carburo di silicio, la finestra di crescita del cristallo 4H è ristretta e vigono standard rigorosi per la progettazione di temperatura e pressione. Un controllo impreciso durante il processo di crescita può portare alla formazione di cristalli di carburo di silicio con altre strutture, come 2H, 3C, 6H e 15R.

Figura 1 Condizioni per la generazione di vari isomeri del carburo di silicio

Nell'industria, esistono tre metodi per la preparazione di lingotti di carburo di silicio monocristallino: sublimazione PVT, HT-CVD e LPE (metodo di crescita in soluzione). Tra questi, la sublimazione PVT è attualmente il metodo di preparazione più diffuso. Circa il 95% dei lingotti di carburo di silicio commerciali viene prodotto con il metodo PVT. Il processo consiste nell'inserire polvere di carburo di silicio in un'apposita apparecchiatura e riscaldarla. Una volta che la temperatura raggiunge i 2200-2500 °C, la polvere inizia a sublimare. Poiché il carburo di silicio non si presenta allo stato liquido, ma solo allo stato gassoso e solido, dopo la sublimazione si forma un lingotto cristallizzato sulla superficie. La velocità di crescita del monocristallo di silicio è di circa 300 mm/h, mentre quella del monocristallo di carburo di silicio è di circa 400 μm/h. La differenza tra le due è di quasi 800 volte. Ad esempio, la formazione di un lingotto di cinque o sei centimetri richiede una crescita continua e stabile per 200-300 ore. Si può notare che il processo di produzione dei lingotti di carburo di silicio è molto lento, il che rende i lingotti costosi.

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Difetti del lingotto monocristallino di carburo di silicio e del wafer di substrato

Sia i lingotti di carburo di silicio che i wafer di substrato contengono una varietà di difetti cristallini, come difetti di impilamento, microtubuli, dislocazioni a vite passanti, dislocazioni a spigolo passanti, dislocazioni del piano basale, ecc. I difetti nei lingotti di carburo di silicio influiscono notevolmente sulla resa del dispositivo finale. Questo è un argomento di fondamentale importanza nella filiera industriale. Tutti i produttori di substrati si stanno adoperando al massimo per ridurre la densità dei difetti nei lingotti di carburo di silicio.

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affidabilità del substrato in carburo di silicio

Il substrato è un prodotto ottenuto tagliando il lingotto di cristallo in sottili fette, levigandole e lucidandole. Il wafer di substrato acquisisce una buona qualità superficiale dopo il processo di lucidatura, che può sopprimere la formazione di difetti durante la crescita epitassiale, ottenendo così wafer epitassiali di alta qualità. La sua qualità superficiale comprende planarità, dislocazioni superficiali e tensioni residue. Per sopprimere la formazione di difetti durante le fasi iniziali della crescita epitassiale, la superficie del substrato deve essere priva di tensioni e dislocazioni superficiali. Se i danni residui vicino alla superficie non vengono rimossi a sufficienza, la crescita epitassiale sul substrato porterà alla formazione di difetti macroscopici. Pertanto, il livello di qualità della fase di substrato influenzerà seriamente il livello di qualità della successiva fase di crescita epitassiale.

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Crescita epitassiale del carburo di silicio e affidabilità

L'epitassia si riferisce alla crescita di uno strato di materiale monocristallino 4H-SiC omogeneo con il substrato sulla superficie superiore del substrato. Il carburo di silicio ha molti isomeri. Per garantire la preparazione di materiali epitassiali di alta qualità, è necessaria una tecnologia speciale per evitare l'introduzione di altre forme cristalline. L'attuale processo standardizzato prevede l'utilizzo di substrati monocristallini 4H-SiC con taglio smussato a 4° e l'adozione di una tecnologia di crescita controllata a passi. Il processo comunemente utilizzato al momento è il metodo CVD: l'apparecchiatura comunemente utilizzata è un forno epitassiale orizzontale a parete calda e il gas precursore di reazione comunemente utilizzato è il silano (SiH₄), metano (CH₄), etilene (C₂H₄), ecc., e utilizzano azoto (N₂) e trimetilalluminio (TMA) come fonti di impurità. L'intervallo tipico di temperatura di crescita è 1500~1650 ℃ e la velocità di crescita è 5~30 μm/h.

La crescita dello strato epitassiale può eliminare molti difetti superficiali o prossimi alla superficie introdotti durante la crescita del cristallo e la lavorazione del wafer, in modo che il reticolo cristallino risulti ordinato e la morfologia superficiale sia notevolmente migliorata rispetto al substrato. Uno strato epitassiale spesso, una buona morfologia superficiale e una bassa concentrazione di drogaggio sono importanti per migliorare la tensione di rottura. Tali wafer epitassiali vengono utilizzati per la produzione di dispositivi di potenza, che possono migliorare significativamente la stabilità dei parametri e la resa produttiva.

Figura 2 Struttura dello strato di substrato e dello strato epitassiale

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La relazione tra i difetti nei wafer epitassiali di carburo di silicio e nei wafer di substrato

Come accennato in precedenza, i difetti nello strato epitassiale di carburo di silicio sono correlati al substrato e al processo di crescita. I difetti dello strato epitassiale includono difetti di topografia superficiale, difetti a micropori, dislocazioni e altri tipi. I difetti di morfologia superficiale includono difetti a carota (in alcuni casi a cometa), piccole cavità, difetti triangolari e oggetti caduti; i difetti dei microtubuli nel substrato vengono copiati nello strato epitassiale. L'attuale densità di microtubuli nel substrato è ben al di sotto di 0.1/cm.², sostanzialmente eliminati. La maggior parte delle dislocazioni nello strato epitassiale di carburo di silicio ha origine dalle dislocazioni del substrato, che includono principalmente TSD, TED e BPD. I difetti introdotti dall'epitassia, come le dislocazioni ordinarie e i difetti a carota, sono problemi importanti che influenzano la qualità dell'epitassia del carburo di silicio.

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L'impatto dei difetti dei wafer epitassiali di carburo di silicio sul dispositivo finale

Durante il processo di crescita epitassiale, circa il 98% del TSD nel substrato viene convertito in TSD e il resto viene convertito in Frank SF; il TED viene convertito al 100% in TED; circa il 95% del BPD viene convertito in TED e una piccola quantità viene mantenuta come BPD.

Figura 3 Correlazione tra difetti del wafer epitassiale di carburo di silicio e difetti del wafer del substrato

I difetti TSD e TED non influiscono sostanzialmente sulle prestazioni del dispositivo finale in carburo di silicio, mentre i difetti BPD possono causare un degrado delle prestazioni del dispositivo, quindi si presta maggiore attenzione a questi ultimi. I difetti di impilamento, i difetti a carota, i difetti triangolari, i difetti dovuti a oggetti caduti e altri difetti sono difetti critici. Una volta che si manifestano su un dispositivo, quest'ultimo non supera il test, con conseguente riduzione della resa produttiva. I dispositivi bipolari, come i triodi e gli IGBT, sono più sensibili ai difetti BPD.

Tabella 1 L'impatto dei difetti epitassiali del wafer sul dispositivo finale

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Due sfide che i materiali in carburo di silicio devono affrontare

Una delle principali sfide che ostacolano la diffusione dei materiali in carburo di silicio è il prezzo troppo elevato, in particolare il costo dei substrati, nettamente superiore a quello del silicio e dello zaffiro. Attualmente, il diametro standard dei substrati in carburo di silicio è di soli 4-6 pollici, e sono necessarie tecnologie di crescita più mature per ampliarne le dimensioni e ridurne il prezzo. 

D'altra parte, la densità di dislocazioni del carburo di silicio è dell'ordine di 102²-104⁴, che è molto più alta di quella del silicio, dell'arseniuro di gallio e di altri materiali. Inoltre, il carburo di silicio presenta anche un elevato stress, che può causare problemi con i parametri superficiali. Migliorare la qualità dei substrati di carburo di silicio è un modo importante per migliorare la qualità dei materiali epitassiali, la resa della preparazione dei dispositivi, l'affidabilità dei dispositivi e la durata dei dispositivi stessi.

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