Prefácio

A cadeia produtiva do carboneto de silício inclui pó de carboneto de silício, lingote de carboneto de silício, substrato de carboneto de silício, epitaxia de carboneto de silício, wafer de carboneto de silício, chip de carboneto de silício e encapsulamento de dispositivos de carboneto de silício. Dentre esses elos, substrato, wafer epitaxial, wafer e encapsulamento e teste de dispositivos são os quatro mais críticos na cadeia de valor do carboneto de silício. O custo do substrato representa 50% do custo total dos dispositivos de carboneto de silício, enquanto os custos de epitaxia, wafer e teste de encapsulamento correspondem a 25%, 20% e 5%, respectivamente. A confiabilidade dos materiais de carboneto de silício é de grande importância para o desempenho do dispositivo final. A Basic Semiconductor explora as propriedades dos materiais e as causas de defeitos em todos os aspectos da cadeia industrial e colabora com empresas a montante e a jusante para melhorar a confiabilidade dos dispositivos de potência de carboneto de silício.

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Método de crescimento e preparação de lingotes de carbeto de silício

Existem mais de 250 isômeros de carbeto de silício, sendo o principal utilizado na fabricação de semicondutores de potência o monocristal de 4H-SiC. Durante o processo de crescimento do monocristal de carbeto de silício, a janela de crescimento do cristal 4H é pequena, e existem padrões rigorosos para o projeto de temperatura e pressão. O controle impreciso durante o processo de crescimento resultará em cristais de carbeto de silício com outras estruturas, como 2H, 3C, 6H e 15R.

Figura 1. Condições para a geração de vários isômeros de carbeto de silício.

Na indústria, existem três métodos para preparar lingotes monocristalinos de carbeto de silício: PVT por sublimação, HT-CVD e LPE (método de crescimento por solução). Dentre eles, o PVT por sublimação é atualmente o método de preparação mais utilizado. Cerca de 95% dos lingotes comerciais de carbeto de silício são produzidos por PVT. O processo consiste em colocar o pó de carbeto de silício em um equipamento especial e aquecê-lo. Após a temperatura atingir 2200-2500 °C, o pó começa a sublimar. Como o carbeto de silício não possui estado líquido, apenas estados gasoso e sólido, um lingote cristaliza na superfície após a sublimação. A taxa de crescimento do carbeto de silício monocristalino é de cerca de 300 mm/h, enquanto a do carbeto de silício monocristalino é de cerca de 400 μm/h. A diferença entre as duas é de quase 800 vezes. Por exemplo, a formação de um lingote de cinco a seis centímetros requer um crescimento contínuo e estável por 200 a 300 horas. É possível observar que a taxa de preparação dos lingotes de carbeto de silício é muito lenta, o que torna os lingotes caros.

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Defeitos em lingotes monocristalinos e wafers de substrato de carbeto de silício

Tanto os lingotes de carbeto de silício quanto os wafers de substrato contêm uma variedade de defeitos cristalinos, como falhas de empilhamento, microtúbulos, discordâncias helicoidais, discordâncias de aresta, discordâncias no plano basal, etc. Os defeitos nos lingotes de carbeto de silício afetam significativamente o rendimento do dispositivo final. Este é um tópico muito importante na cadeia produtiva. Todos os fabricantes de substratos estão empenhados em reduzir a densidade de defeitos nos lingotes de carbeto de silício.

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Confiabilidade do substrato de carboneto de silício

A lâmina de substrato é um produto obtido pelo corte do lingote de cristal em fatias finas, seguido de seu alisamento e polimento. Após o processo de polimento, a lâmina de substrato adquire boa qualidade superficial, o que pode suprimir a geração de defeitos durante o crescimento epitaxial, resultando em lâminas epitaxiais de alta qualidade. Sua qualidade superficial inclui planicidade, ausência de discordâncias próximas à superfície e tensão residual. Para suprimir a geração de defeitos durante os estágios iniciais do crescimento epitaxial, a superfície do substrato deve estar livre de tensões e de discordâncias próximas à superfície. Se os danos residuais próximos à superfície não forem suficientemente removidos, o crescimento epitaxial sobre o substrato levará à geração de defeitos macroscópicos. Portanto, o nível de qualidade da lâmina de substrato afetará seriamente o nível de qualidade da lâmina de crescimento epitaxial subsequente.

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Crescimento epitaxial e confiabilidade do carbeto de silício

Epitaxia refere-se ao crescimento de uma camada de material monocristalino 4H-SiC homogênea com o substrato sobre a superfície superior deste. O carbeto de silício possui muitos isômeros. Para garantir a preparação de materiais epitaxiais de alta qualidade, é necessária tecnologia especial para evitar a introdução de outras formas cristalinas. O processo padronizado atualmente consiste em utilizar substratos monocristalinos de 4H-SiC com corte em bisel de 4° e adotar a tecnologia de crescimento com controle de etapas. O processo mais comum atualmente é o método CVD: o equipamento mais utilizado é um forno epitaxial horizontal de parede quente, e o gás precursor de reação mais comum é o silano (SiH₄).₄), metano (CH₄), etileno (C₂H₄), etc., e utilizam nitrogênio (N₂) e trimetilalumínio (TMA) como fontes de impurezas. A faixa típica de temperatura de crescimento é de 1500~1650 ℃ e a taxa de crescimento é de 5~30 μm/h.

O crescimento da camada epitaxial pode eliminar muitos defeitos superficiais ou próximos à superfície introduzidos durante o crescimento do cristal e o processamento do wafer, de modo que a rede cristalina fique organizada de forma precisa e a morfologia da superfície seja significativamente melhorada em comparação com o substrato. Uma camada epitaxial espessa, uma boa morfologia superficial e uma menor concentração de dopagem são importantes para melhorar a tensão de ruptura. Esses wafers epitaxiais são usados ​​na fabricação de dispositivos de potência, o que pode melhorar consideravelmente a estabilidade dos parâmetros e o rendimento.

Figura 2. Estrutura da camada de substrato e da camada epitaxial.

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A relação entre defeitos em wafers epitaxiais de carbeto de silício e wafers de substrato.

Como mencionado anteriormente, os defeitos na camada epitaxial de carbeto de silício estão relacionados ao substrato e ao processo de crescimento. Os defeitos na camada epitaxial incluem defeitos de topografia superficial, defeitos de microporos, deslocamentos e outros tipos. Os defeitos de morfologia superficial incluem defeitos em forma de cenoura (tipo cometa em alguns casos), cavidades rasas, defeitos triangulares e objetos em forma de gota; os defeitos de microtúbulos no substrato serão copiados para a camada epitaxial. A densidade de corrente dos microtúbulos no substrato é muito inferior a 0.1/cm².²Basicamente, eliminadas. A maioria das discordâncias na camada epitaxial de carbeto de silício se origina de discordâncias do substrato, que incluem principalmente TSD, TED e BPD. Defeitos introduzidos pela epitaxia, como discordâncias comuns e defeitos em forma de cenoura, são questões importantes que afetam a qualidade da epitaxia de carbeto de silício.

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O impacto dos defeitos epitaxiais do wafer de carbeto de silício no dispositivo final

Durante o processo de crescimento epitaxial, cerca de 98% do TSD no substrato é convertido em TSD, e o restante é convertido em SFs de Frank; o TED é 100% convertido em TED; cerca de 95% do BPD é convertido em TED, e uma pequena quantidade é mantida como BPD.

Figura 3. Correlação entre defeitos epitaxiais em wafers de carbeto de silício e defeitos em wafers de substrato.

Os defeitos TSD e TED basicamente não afetam o desempenho do dispositivo final de carbeto de silício, enquanto os defeitos BPD podem causar degradação no desempenho do dispositivo, por isso, os defeitos BPD recebem maior atenção. Falhas de empilhamento, defeitos em forma de cenoura, defeitos triangulares, defeitos de queda e outros defeitos são considerados críticos. Uma vez presentes em um dispositivo, este falhará nos testes, resultando em redução do rendimento. Dispositivos bipolares, como triodos e IGBTs, são mais sensíveis aos defeitos BPD.

Tabela 1. Impacto dos defeitos epitaxiais do wafer no dispositivo final.

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Dois desafios enfrentados pelos materiais de carboneto de silício

Um dos principais desafios para a promoção de materiais de carbeto de silício é o seu alto custo, sendo o preço do substrato muito superior ao de substratos de silício e safira. Atualmente, o diâmetro mais comum dos substratos de carbeto de silício é de apenas 4 a 6 polegadas, sendo necessário o desenvolvimento de tecnologias mais avançadas para expandir as dimensões e reduzir os custos. 

Por outro lado, a densidade de deslocamentos do carbeto de silício é da ordem de 102²-104⁴, muito superior à do silício, arseneto de gálio e outros materiais. Além disso, o carbeto de silício também apresenta alta tensão, o que pode causar problemas com os parâmetros da superfície. Melhorar a qualidade dos substratos de carbeto de silício é uma maneira importante de aprimorar a qualidade dos materiais epitaxiais, o rendimento na preparação de dispositivos, a confiabilidade e a vida útil dos mesmos.

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