Önsöz

Silisyum karbür endüstri zinciri, silisyum karbür tozu, silisyum karbür külçesi, silisyum karbür altlık, silisyum karbür epitaksi, silisyum karbür levha, silisyum karbür çip ve silisyum karbür cihaz paketleme aşamalarını içerir. Bunlar arasında, altlık, epitaksiyel levha, levha ve cihaz paketleme ve test aşamaları, silisyum karbür değer zincirindeki en kritik dört aşamadır. Altlık maliyeti, silisyum karbür cihazlarının toplam maliyetinin %50'sini oluştururken, epitaksi, levha ve paketleme testlerinin maliyetleri sırasıyla %25, %20 ve %5'tir. Silisyum karbür malzemelerinin güvenilirliği, nihai cihazın performansı için büyük önem taşır. Basic Semiconductor, endüstriyel zincirin tüm yönlerinden malzeme özelliklerini ve kusurların nedenlerini araştırır ve silisyum karbür güç cihazlarının güvenilirliğini artırmak için yukarı ve aşağı yönlü şirketlerle iş birliği yapar.

01

Silisyum karbür külçesinin büyüme ve hazırlama yöntemi

Silisyum karbürün 250'den fazla izomeri vardır ve güç yarı iletkenlerinin yapımında kullanılan ana izomer 4H-SiC tek kristal yapısıdır. Silisyum karbür tek kristalinin büyüme sürecinde, 4H kristal büyüme aralığı küçüktür ve sıcaklık ve basınç tasarımı için katı standartlar vardır. Büyüme sürecindeki yanlış kontrol, 2H, 3C, 6H ve 15R gibi diğer yapılara sahip silisyum karbür kristallerinin oluşmasına neden olur.

Şekil 1. Çeşitli silisyum karbür izomerlerinin oluşumu için koşullar.

Endüstride, silisyum karbür tek kristal külçelerin hazırlanması için üç yöntem bulunmaktadır: süblimasyon PVT, HT-CVD ve LPE (çözeltiyle büyütme yöntemi). Bunlar arasında, süblimasyon PVT şu anda en yaygın kullanılan hazırlama yöntemidir. Ticari silisyum karbür külçelerin yaklaşık %95'i PVT yöntemiyle üretilmektedir. İşlem, silisyum karbür tozunun özel bir ekipmana konulup ısıtılmasıyla başlar. Sıcaklık 2200-2500°C'ye yükseldikten sonra toz süblimleşmeye başlar. Silisyum karbürün sıvı hali olmadığı, sadece gaz ve katı hallerde bulunduğu için, külçe süblimleşme sonrasında üst kısımda kristalleşir. Silisyum tek kristalinin büyüme hızı yaklaşık 300 mm/saat iken, silisyum karbür tek kristalinin büyüme hızı yaklaşık 400 μm/saattir. İki yöntem arasındaki fark yaklaşık 800 katıdır. Örneğin, beş ila altı santimetrelik bir külçenin oluşumu, 200-300 saat boyunca sürekli ve istikrarlı bir büyüme gerektirir. Silisyum karbür külçelerinin üretim hızının çok yavaş olduğu ve bunun da külçelerin maliyetini artırdığı görülmektedir.

02

Silisyum karbür tek kristal külçe ve alt tabaka levha kusurları

Silisyum karbür külçeleri ve altlık levhaları, istifleme hataları, mikrotübüller, vida boyunca dislokasyonlar, kenar boyunca dislokasyonlar, taban düzlemi dislokasyonları vb. gibi çeşitli kristal kusurları içerir. Silisyum karbür külçelerindeki kusurlar, nihai cihazın verimliliğini büyük ölçüde etkileyecektir. Bu, endüstri zincirinde çok önemli bir konudur. Tüm altlık üreticileri, silisyum karbür külçelerinin kusur yoğunluğunu azaltmak için her türlü çabayı göstermektedir.

03

Silisyum karbür alt tabakanın güvenilirliği

Alt tabaka, kristal külçenin ince dilimler halinde kesilmesi, düzleştirilmesi ve parlatılmasıyla elde edilen bir üründür. Parlatma işleminden sonra alt tabaka levhası iyi bir yüzey kalitesine sahip olur; bu da epitaksiyel büyüme sırasında kusurların oluşmasını engelleyerek yüksek kaliteli epitaksiyel levhalar elde edilmesini sağlar. Yüzey kalitesi, düzlük, yüzeye yakın dislokasyonlar ve artık gerilimi içerir. Epitaksiyel büyümenin ilk aşamalarında kusurların oluşmasını engellemek için, alt tabaka yüzeyi gerilimsiz ve yüzeye yakın dislokasyonlardan arındırılmış olmalıdır. Yüzeye yakın artık hasar yeterince giderilmezse, alt tabaka üzerinde epitaksiyel büyüme makroskopik kusurların oluşmasına yol açacaktır. Bu nedenle, alt tabaka bağlantısının kalite seviyesi, sonraki epitaksiyel büyüme bağlantısının kalite seviyesini ciddi şekilde etkileyecektir.

04

Silisyum karbür epitaksiyel büyümesi ve güvenilirliği

Epitaksi, alt tabakanın üst yüzeyinde, alt tabaka ile homojen olan tek kristalli 4H-SiC malzemesinin bir tabakasının büyütülmesini ifade eder. Silisyum karbürün birçok izomeri vardır. Yüksek kaliteli epitaksiyel malzemelerin hazırlanmasını sağlamak için, diğer kristal formlarının girişini önlemek için özel bir teknoloji gereklidir. Mevcut standart işlem, 4° eğimli kesilmiş 4H-SiC tek kristalli alt tabakalar kullanmak ve kademeli kontrollü büyüme teknolojisini benimsemektir. Şu anda yaygın olarak kullanılan işlem CVD yöntemidir: yaygın olarak kullanılan ekipman sıcak duvarlı yatay epitaksiyel fırındır ve yaygın olarak kullanılan reaksiyon öncü gazı silandır (SiH₄).₄), metan (CH₄), etilen (C₂H₄), vb. ve azot (N) kullanın₂) ve trimetilalüminyum (TMA) safsızlık kaynakları olarak kullanılmıştır. Tipik büyüme sıcaklığı aralığı 1500~1650 ℃ olup, büyüme hızı 5~30 μm/saattir.

Epitaksiyel tabakanın büyümesi, kristal büyümesi ve gofret işleme sırasında ortaya çıkan birçok yüzey veya yüzeye yakın kusuru ortadan kaldırabilir, böylece kristal kafes düzgün bir şekilde düzenlenir ve yüzey morfolojisi alt tabakaya kıyasla büyük ölçüde iyileştirilir. Kalın epitaksiyel tabaka, iyi yüzey morfolojisi ve düşük katkı konsantrasyonu, arıza gerilimini iyileştirmek için önemlidir. Bu tür epitaksiyel gofretler, parametre kararlılığını ve verimi büyük ölçüde artırabilen güç cihazlarının üretiminde kullanılır.

Şekil 2. Alt tabaka ve epitaksiyel tabakanın yapısı

05

Silisyum karbür epitaksiyel levhalardaki ve alt tabaka levhalarındaki kusurlar arasındaki ilişki

Yukarıda belirtildiği gibi, silisyum karbür epitaksiyel tabakasındaki kusurlar, alt tabaka ve büyüme süreciyle ilgilidir. Epitaksiyel tabaka kusurları arasında yüzey topografisi kusurları, mikro boru kusurları, dislokasyonlar ve diğer tipler bulunur. Yüzey morfolojisi kusurları arasında havuç kusurları (bazı durumlarda kuyruklu yıldız tipi), sığ çukurlar, üçgen kusurlar ve düşmüş cisimler bulunur; alt tabakadaki mikrotübül kusurları epitaksiyel tabakaya kopyalanacaktır. Alt tabakadaki mikrotübüllerin mevcut yoğunluğu 0.1/cm'nin çok altındadır.²Temelde ortadan kaldırıldı. Silisyum karbür epitaksiyel tabakasındaki dislokasyonların çoğu, esas olarak TSD, TED ve BPD'yi içeren substrat dislokasyonlarından kaynaklanır. Epitaksi ile ortaya çıkan sıradan dislokasyonlar ve havuç kusurları gibi kusurlar, silisyum karbür epitaksisinin kalitesini etkileyen önemli sorunlardır.

06

Silisyum karbür epitaksiyel levha kusurlarının nihai cihaz üzerindeki etkisi

Epitaksiyel büyüme süreci sırasında, substrattaki TSD'nin yaklaşık %98'i TSD'ye, geri kalanı ise Frank SF'lere dönüştürülür; TED'in %100'ü TED'e dönüştürülür; BPD'nin yaklaşık %95'i TED'e dönüştürülür ve az bir kısmı BPD olarak korunur.

Şekil 3 Silisyum karbür epitaksiyel levha kusurları ile alt tabaka levha kusurları arasındaki korelasyon

TSD ve TED temelde son silisyum karbür cihazın performansını etkilemezken, BPD cihaz performansında bozulmaya neden olabilir, bu nedenle insanlar BPD'ye daha fazla dikkat eder. İstifleme hataları, havuç kusurları, üçgen kusurları, düşen cisimler ve diğer kusurlar ölümcül kusurlardır. Bir cihazda ortaya çıktıklarında, cihaz testten geçemez ve verimde azalmaya neden olur. Triyotlar ve IGBT'ler gibi bipolar cihazlar BPD'ye karşı daha hassastır.

Tablo 1. Epitaksiyel gofret kusurlarının nihai cihaz üzerindeki etkisi.

07

Silisyum karbür malzemelerinin karşı karşıya olduğu iki zorluk

Silisyum karbür malzemelerin yaygınlaştırılmasında karşılaşılan önemli zorluklardan biri, fiyatının çok yüksek olması ve alt tabaka fiyatının silisyum ve safir alt tabakalara göre çok daha yüksek olmasıdır. Şu anda, silisyum karbür alt tabakaların ana akım çapı yalnızca 4 ila 6 inç arasındadır ve boyutu genişletmek ve fiyatı düşürmek için daha olgun bir büyüme teknolojisine ihtiyaç duyulmaktadır. 

Öte yandan, silisyum karbürün dislokasyon yoğunluğu 102²-104⁴ mertebesindedir ki bu, silisyum, galyum arsenit ve diğer malzemelere göre çok daha yüksektir. Ayrıca, silisyum karbürde yüksek gerilim de bulunur ve bu da yüzey parametrelerinde sorunlara yol açabilir. Silisyum karbür alt tabakaların kalitesinin iyileştirilmesi, epitaksiyel malzemelerin kalitesini, cihaz hazırlama verimliliğini, cihaz güvenilirliğini ve ömrünü iyileştirmenin önemli bir yoludur.

Yasal Uyarı: Bu makale, fikri mülkiyet haklarının korunmasını destekleyen "Basic Semiconductor" dergisinden yeniden basılmıştır. Lütfen yeniden basım yaparken orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir telif hakkı ihlali durumunda, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.

Şirket telefon numarası: +86-0755-83044319
Faks: +86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li

QQ: 332496225 Yönetici Qiu

Adres: Shenzhen, Longhua Yeni Bölgesi, Minzhi Caddesi No. 1079, Zhantao Teknoloji Binası, C Binası, Oda 809