Voorwoord

De industriële keten van siliciumcarbide omvat de volgende schakels: siliciumcarbidepoeder, siliciumcarbide-ingot, siliciumcarbidesubstraat, siliciumcarbide-epitaxie, siliciumcarbide-wafer, siliciumcarbidechip en de verpakking en testen van siliciumcarbidecomponenten. Substraat, epitaxiale wafer, wafer en de verpakking en testen van componenten zijn de vier meest cruciale schakels in de waardeketen van siliciumcarbide. De kosten van het substraat vertegenwoordigen 50% van de totale kosten van siliciumcarbidecomponenten, terwijl de kosten voor epitaxie, wafer en verpakkingstesten respectievelijk 25%, 20% en 5% bedragen. De betrouwbaarheid van siliciumcarbidematerialen is van groot belang voor de prestaties van het uiteindelijke component. Basic Semiconductor onderzoekt materiaaleigenschappen en oorzaken van defecten vanuit alle aspecten van de industriële keten en werkt samen met upstream- en downstreambedrijven om de betrouwbaarheid van siliciumcarbide-vermogenscomponenten te verbeteren.

01

Groei- en voorbereidingsmethode voor siliciumcarbide-ingots

Er bestaan ​​meer dan 250 isomeren van siliciumcarbide, waarvan de belangrijkste, gebruikt voor de productie van vermogenshalfgeleiders, de 4H-SiC-eenkristalstructuur is. Tijdens het groeiproces van siliciumcarbide-eenkristallen is het groeigebied voor de 4H-kristalstructuur klein en gelden er strenge normen voor temperatuur en druk. Onnauwkeurige controle tijdens het groeiproces kan leiden tot siliciumcarbidekristallen met andere structuren, zoals 2H, 3C, 6H en 15R.

Figuur 1. Voorwaarden voor de vorming van verschillende siliciumcarbide-isomeren.

In de industrie zijn er drie methoden voor het produceren van siliciumcarbide-eenkristallen: sublimatie-PVT, HT-CVD en LPE (oplossingsgroeimethode). Sublimatie-PVT is momenteel de meest gangbare methode. Ongeveer 95% van de commerciële siliciumcarbide-blokken wordt geproduceerd met behulp van PVT. Het proces houdt in dat siliciumcarbidepoeder in speciale apparatuur wordt geplaatst en verhit. Nadat de temperatuur is gestegen tot 2200-2500 °C, begint het poeder te sublimeren. Omdat siliciumcarbide geen vloeibare toestand heeft, maar alleen een gasvormige en een vaste toestand, zal er na sublimatie een kristal op het blok ontstaan. De groeisnelheid van een silicium-eenkristal is ongeveer 300 μm/u, terwijl die van een siliciumcarbide-eenkristal ongeveer 400 μm/u is. Het verschil tussen de twee is bijna 800 keer zo groot. Zo vereist de vorming van een blok van vijf tot zes centimeter bijvoorbeeld een continue en stabiele groei gedurende 200-300 uur. Het is duidelijk dat de productie van siliciumcarbide-staven erg traag verloopt, waardoor de staven duur zijn.

02

Defecten in siliciumcarbide-eenkristallen en substraatwafels

Zowel siliciumcarbide-ingots als substraatwafers bevatten diverse kristaldefecten, zoals stapelfouten, microtubuli, doorgaande schroefdislocaties, doorgaande randdislocaties, basale vlakdislocaties, enzovoort. Defecten in siliciumcarbide-ingots hebben een grote invloed op de opbrengst van het uiteindelijke apparaat. Dit is een zeer belangrijk onderwerp in de industriële keten. Alle substraatfabrikanten doen er alles aan om de defectdichtheid van siliciumcarbide-ingots te verminderen.

03

betrouwbaarheid van siliciumcarbidesubstraten

Het substraat is een product dat wordt verkregen door de kristalstaaf in dunne plakken te snijden, glad te maken en te polijsten. Na het polijstproces verkrijgt het substraat een goede oppervlaktekwaliteit, waardoor de vorming van defecten tijdens de epitaxiale groei wordt onderdrukt en hoogwaardige epitaxiale wafers worden verkregen. De oppervlaktekwaliteit omvat vlakheid, dislocaties nabij het oppervlak en restspanning. Om de vorming van defecten in de beginfase van de epitaxiale groei te onderdrukken, moet het substraatoppervlak spanningsvrij en vrij van dislocaties nabij het oppervlak zijn. Als de restschade nabij het oppervlak onvoldoende wordt verwijderd, zal de epitaxiale groei op het substraat leiden tot de vorming van macroscopische defecten. Daarom zal de kwaliteit van het substraat de kwaliteit van de daaropvolgende epitaxiale groeifase sterk beïnvloeden.

04

Epitaxiale groei van siliciumcarbide en betrouwbaarheid

Epitaxie verwijst naar het laten groeien van een laag enkelkristallijn 4H-SiC-materiaal, homogeen met het substraat, op het bovenoppervlak van het substraat. Siliciumcarbide kent vele isomeren. Om de bereiding van hoogwaardige epitaxiale materialen te garanderen, is speciale technologie vereist om de introductie van andere kristalvormen te voorkomen. Het huidige gestandaardiseerde proces maakt gebruik van 4°-afgeschuinde 4H-SiC-enkristalsubstraten en past stapsgewijze gecontroleerde groeitechnologie toe. Het meest gebruikte proces is momenteel de CVD-methode: de meest gebruikte apparatuur is een horizontale epitaxiale oven met verwarmde wanden en het meest gebruikte reactieprecursorgas is silaan (SiH₄).₄), methaan (CH₄), ethyleen (C₂H₄), enz., en gebruik stikstof (N₂) en trimethylaluminium (TMA) als onzuiverheidsbronnen. Het typische temperatuurbereik voor de groei ligt tussen 1500 en 1650 ℃, en de groeisnelheid is 5 tot 30 μm/u.

De groei van de epitaxiale laag kan veel oppervlakte- of bijna-oppervlaktedefecten elimineren die tijdens de kristalgroei en waferverwerking zijn ontstaan, waardoor het kristalrooster netjes geordend is en de oppervlaktemorfologie aanzienlijk verbeterd is ten opzichte van het substraat. Een dikke epitaxiale laag, een goede oppervlaktemorfologie en een lagere doteringsconcentratie zijn belangrijk voor het verbeteren van de doorslagspanning. Dergelijke epitaxiale wafers worden gebruikt voor de productie van vermogenscomponenten, wat de parameterstabiliteit en de opbrengst aanzienlijk kan verbeteren.

Figuur 2 Structuur van de substraatlaag en de epitaxiale laag

05

De relatie tussen defecten in epitaxiale siliciumcarbide-wafers en substraatwafers

Zoals hierboven vermeld, zijn defecten in de epitaxiale siliciumcarbidelaag gerelateerd aan het substraat en het groeiproces. Defecten in de epitaxiale laag omvatten topografische defecten, micropijpdefecten, dislocaties en andere typen. Morfologische defecten aan het oppervlak omvatten wortelvormige defecten (in sommige gevallen komeetvormige defecten), ondiepe putjes, driehoekige defecten en gevallen objecten; microtubuledefecten in het substraat worden gekopieerd naar de epitaxiale laag. De stroomdichtheid van microtubuli in het substraat is veel lager dan 0.1/cm².²In principe geëlimineerd. De meeste dislocaties in de epitaxiale siliciumcarbidelaag zijn afkomstig van substraatdislocaties, waaronder voornamelijk TSD, TED en BPD. Door epitaxie geïntroduceerde defecten, zoals gewone dislocaties en wortelvormige defecten, zijn belangrijke factoren die de kwaliteit van de siliciumcarbide-epitaxie beïnvloeden.

06

De impact van defecten in de epitaxiale siliciumcarbidewafer op het uiteindelijke apparaat.

Tijdens het epitaxiale groeiproces wordt ongeveer 98% van de TSD in het substraat omgezet in TSD, en de rest in Frank SFs; TED wordt volledig omgezet in TED; ongeveer 95% van de BPD wordt omgezet in TED, en een kleine hoeveelheid blijft behouden als BPD.

Figuur 3. Correlatie tussen defecten in epitaxiale siliciumcarbidewafers en defecten in substraatwafers.

TSD en TED hebben in principe geen invloed op de prestaties van het uiteindelijke siliciumcarbide-apparaat, terwijl BPD de prestaties van het apparaat kan verslechteren. Daarom wordt er meer aandacht besteed aan BPD. Stapelfouten, worteldefecten, driehoekdefecten, gevallen objecten en andere defecten zijn funest. Zodra deze in een apparaat voorkomen, zal het apparaat de test niet doorstaan, wat resulteert in een lagere opbrengst. Bipolaire apparaten, zoals triodes en IGBT's, zijn gevoeliger voor BPD.

Tabel 1 De impact van epitaxiale waferdefecten op het uiteindelijke apparaat

07

Twee uitdagingen voor siliciumcarbidematerialen

Een van de belangrijkste uitdagingen bij de promotie van siliciumcarbide is de hoge prijs. De substraatprijs ligt aanzienlijk hoger dan die van silicium- en saffiersubstraten. Momenteel is de gangbare diameter van siliciumcarbidesubstraten slechts 4 tot 6 inch. Meer geavanceerde groeitechnologie is nodig om de afmetingen te vergroten en de prijs te verlagen. 

Aan de andere kant is de dislocatiedichtheid van siliciumcarbide in de orde van 102²-104⁴, wat veel hoger is dan die van silicium, galliumarsenide en andere materialen. Bovendien kent siliciumcarbide ook een hoge spanning, wat problemen met de oppervlakteparameters kan veroorzaken. Het verbeteren van de kwaliteit van siliciumcarbidesubstraten is een belangrijke manier om de kwaliteit van epitaxiale materialen, de opbrengst van de apparaatproductie, de betrouwbaarheid van de apparaten en de levensduur te verbeteren.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen uit "Basic Semiconductor", een platform dat de bescherming van intellectuele eigendomsrechten ondersteunt. Vermeld de oorspronkelijke bron en auteur van de herdruk. Neem bij inbreuk contact met ons op om het artikel te laten verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen