Предисловие

Производственная цепочка карбида кремния включает в себя порошок карбида кремния, слиток карбида кремния, подложку из карбида кремния, эпитаксиальный вывод карбида кремния, пластину из карбида кремния, чип из карбида кремния и упаковку устройств из карбида кремния. Среди них подложка, эпитаксиальная пластина, пластина, а также упаковка и тестирование устройств являются четырьмя наиболее важными звеньями в цепочке создания стоимости карбида кремния. Стоимость подложки составляет 50% от общей стоимости устройств из карбида кремния, а затраты на эпитаксиальный вывод, пластину и тестирование упаковки составляют 25%, 20% и 5% соответственно. Надежность материалов из карбида кремния имеет большое значение для производительности конечного устройства. Компания Basic Semiconductor изучает свойства материалов и причины дефектов на всех этапах производственной цепочки и сотрудничает с компаниями, работающими на всех этапах производства, для повышения надежности силовых устройств на основе карбида кремния.

01

Метод выращивания и получения слитков карбида кремния

Существует более 250 изомеров карбида кремния, и основным из них, используемым для производства силовых полупроводников, является монокристаллическая структура 4H-SiC. В процессе выращивания монокристаллов карбида кремния диапазон температур роста кристаллов 4H невелик, и существуют строгие стандарты в отношении температуры и давления. Неточный контроль в процессе роста приведет к получению кристаллов карбида кремния с другими структурами, такими как 2H, 3C, 6H и 15R.

Рисунок 1. Условия получения различных изомеров карбида кремния.

В промышленности существует три метода получения монокристаллических слитков карбида кремния: сублимационный PVT, HT-CVD и LPE (метод выращивания из раствора). Среди них сублимационный PVT в настоящее время является наиболее распространенным методом получения. Около 95% коммерческих слитков карбида кремния выращиваются методом PVT. Процесс заключается в помещении порошка карбида кремния в специальное оборудование и его нагреве. После повышения температуры до 2200-2500 °C порошок начинает сублимировать. Поскольку карбид кремния не имеет жидкого состояния, а только газообразное и твердое, после сублимации слиток кристаллизуется сверху. Скорость роста монокристалла кремния составляет около 300 мм/ч, а скорость роста монокристалла карбида кремния — около 400 мкм/ч. Разница между ними составляет почти 800 раз. Например, для формирования слитка размером пять-шесть сантиметров требуется непрерывный и стабильный рост в течение 200-300 часов. Как видно, скорость получения слитков карбида кремния очень низкая, что делает их дорогостоящими.

02

Дефекты монокристаллического слитка карбида кремния и подложки.

Как слитки карбида кремния, так и подложки содержат множество кристаллических дефектов, таких как дефекты упаковки, микротрубочки, сквозные винтовые дислокации, сквозные краевые дислокации, дислокации базисной плоскости и т. д. Дефекты в слитках карбида кремния значительно влияют на выход годных изделий. Это очень важная тема в производственной цепочке. Все производители подложек прилагают все усилия для снижения плотности дефектов в слитках карбида кремния.

03

Надежность подложки из карбида кремния

Подложка представляет собой продукт, получаемый путем нарезки кристаллического слитка на тонкие пластины, их сглаживания и полировки. После полировки подложка приобретает хорошее качество поверхности, что позволяет подавить образование дефектов в процессе эпитаксиального роста и, следовательно, получить высококачественные эпитаксиальные пластины. Качество ее поверхности включает в себя плоскостность, наличие приповерхностных дислокаций и остаточных напряжений. Для подавления образования дефектов на начальных этапах эпитаксиального роста поверхность подложки должна быть свободной от напряжений и приповерхностных дислокаций. Если остаточные повреждения вблизи поверхности не будут достаточно удалены, эпитаксиальный рост на подложке приведет к образованию макроскопических дефектов. Следовательно, уровень качества подложки будет серьезно влиять на уровень качества последующего эпитаксиального роста.

04

Эпитаксиальный рост карбида кремния и надежность

Эпитаксия — это выращивание слоя монокристаллического материала 4H-SiC, однородного с подложкой, на верхней поверхности подложки. Карбид кремния имеет множество изомеров. Для обеспечения получения высококачественных эпитаксиальных материалов требуется специальная технология, позволяющая избежать образования других кристаллических форм. В настоящее время стандартизированный процесс заключается в использовании монокристаллических подложек 4H-SiC со скошенными краями под углом 4° и применении технологии ступенчатого роста. Наиболее распространенным в настоящее время является метод CVD: обычно используется оборудование — горизонтальная эпитаксиальная печь с горячими стенками, а в качестве реакционного газа используется силан (SiH4).₄), метан (CH₄), этилен (C₂H₄), и т. д., и использовать азот (N₂В качестве источников примесей используются ) и триметилалюминий (ТМА). Типичный диапазон температур роста составляет 1500–1650 ℃, а скорость роста — 5–30 мкм/ч.

Выращивание эпитаксиального слоя позволяет устранить многие поверхностные или приповерхностные дефекты, возникающие в процессе роста кристаллов и обработки пластин, благодаря чему кристаллическая решетка упорядочивается, а морфология поверхности значительно улучшается по сравнению с подложкой. Толстый эпитаксиальный слой, хорошая морфология поверхности и низкая концентрация легирующих примесей важны для повышения напряжения пробоя. Такие эпитаксиальные пластины используются для производства силовых устройств, что позволяет значительно повысить стабильность параметров и выход годной продукции.

Рисунок 2. Структура подложки и эпитаксиального слоя.

05

Взаимосвязь между дефектами в эпитаксиальных пластинах карбида кремния и подложках.

Как упоминалось выше, дефекты в эпитаксиальном слое карбида кремния связаны с подложкой и процессом роста. К дефектам эпитаксиального слоя относятся дефекты топографии поверхности, дефекты микротрубочек, дислокации и другие типы. К дефектам морфологии поверхности относятся дефекты в виде «моркови» (в некоторых случаях кометного типа), неглубокие ямки, треугольные дефекты и дефекты в виде отслоившихся частиц; дефекты микротрубочек в подложке будут копироваться в эпитаксиальный слой. Плотность тока микротрубочек в подложке значительно ниже 0.1/см².²В основном, дислокации устранены. Большинство дислокаций в эпитаксиальном слое карбида кремния возникают из дислокаций подложки, которые в основном включают дислокации типа TSD, TED и BPD. Дефекты, возникающие в процессе эпитаксии, такие как обычные дислокации и дефекты типа «морковка», являются важными факторами, влияющими на качество эпитаксии карбида кремния.

06

Влияние дефектов эпитаксиальной подложки из карбида кремния на конечное устройство

В процессе эпитаксиального роста около 98% TSD в подложке превращается в TSD, а остальная часть — в SF Франка; TED на 100% превращается в TED; около 95% BPD превращается в TED, а небольшое количество остается в виде BPD.

Рисунок 3. Корреляция между дефектами эпитаксиальной пластины карбида кремния и дефектами подложки.

Дефекты TSD и TED практически не влияют на характеристики конечного устройства из карбида кремния, в то время как дефекты BPD могут вызывать ухудшение характеристик устройства, поэтому к ним относятся с большим вниманием. Дефекты упаковки, дефекты в виде «моркови», треугольные дефекты, дефекты от падения предметов и другие дефекты являются критическими. После их появления устройство не проходит тестирование, что приводит к снижению выхода годных изделий. Биполярные устройства, такие как триоды и IGBT, более чувствительны к дефектам BPD.

Таблица 1. Влияние эпитаксиальных дефектов подложки на конечное устройство.

07

Две проблемы, стоящие перед материалами из карбида кремния.

Одной из важных проблем, препятствующих развитию использования материалов на основе карбида кремния, является слишком высокая цена, при этом стоимость подложек значительно выше, чем у кремниевых и сапфировых подложек. В настоящее время основной диаметр подложек из карбида кремния составляет всего 4-6 дюймов, и для увеличения размеров и снижения цены необходимы более совершенные технологии выращивания. 

С другой стороны, плотность дислокаций в карбиде кремния составляет порядка 102²-104⁴, что значительно выше, чем в кремнии, арсениде галлия и других материалах. Кроме того, карбид кремния также обладает высоким уровнем напряжений, что может вызывать проблемы с параметрами поверхности. Улучшение качества подложек из карбида кремния является важным способом повышения качества эпитаксиальных материалов, выхода годных изделий, надежности и срока службы устройств.

Предупреждение: Данная статья перепечатана из журнала "Basic Semiconductor", который поддерживает защиту прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, укажите первоисточник и автора перепечатки. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.