Lời mở đầu

Chuỗi công nghiệp silicon carbide bao gồm các khâu: bột silicon carbide, thỏi silicon carbide, chất nền silicon carbide, lớp màng mỏng silicon carbide, tấm wafer silicon carbide, chip silicon carbide và đóng gói thiết bị silicon carbide. Trong đó, chất nền, tấm wafer màng mỏng, wafer và đóng gói/kiểm tra thiết bị là bốn khâu quan trọng nhất trong chuỗi giá trị silicon carbide. Chi phí chất nền chiếm 50% tổng chi phí của thiết bị silicon carbide, và chi phí cho lớp màng mỏng, wafer và kiểm tra đóng gói lần lượt chiếm 25%, 20% và 5%. Độ tin cậy của vật liệu silicon carbide có ý nghĩa rất lớn đối với hiệu suất của thiết bị cuối cùng. Basic Semiconductor nghiên cứu các đặc tính vật liệu và nguyên nhân gây ra khuyết tật từ mọi khía cạnh của chuỗi công nghiệp, và hợp tác với các công ty thượng nguồn và hạ nguồn để nâng cao độ tin cậy của các thiết bị điện silicon carbide.

01

Phương pháp nuôi cấy và chuẩn bị phôi cacbua silic

Có hơn 250 đồng phân của silic cacbua, và đồng phân chính được sử dụng để chế tạo chất bán dẫn công suất là cấu trúc tinh thể đơn 4H-SiC. Trong quá trình nuôi cấy tinh thể đơn silic cacbua, cửa sổ nuôi cấy tinh thể 4H rất nhỏ, và có những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về thiết kế nhiệt độ và áp suất. Việc kiểm soát không chính xác trong quá trình nuôi cấy sẽ dẫn đến sự hình thành các tinh thể silic cacbua với các cấu trúc khác như 2H, 3C, 6H và 15R.

Hình 1. Điều kiện tạo ra các đồng phân cacbua silic khác nhau.

Trong ngành công nghiệp, có ba phương pháp để chế tạo phôi tinh thể đơn cacbua silic: thăng hoa PVT, HT-CVD và LPE (phương pháp tăng trưởng dung dịch). Trong số đó, thăng hoa PVT hiện là phương pháp chế tạo phổ biến nhất. Khoảng 95% phôi cacbua silic thương mại được chế tạo bằng phương pháp PVT. Quy trình là cho bột cacbua silic vào thiết bị chuyên dụng và nung nóng. Sau khi nhiệt độ tăng lên 2200-2500°C, bột bắt đầu thăng hoa. Vì cacbua silic không có trạng thái lỏng, chỉ có trạng thái khí và rắn, nên phôi sẽ kết tinh trên bề mặt sau khi thăng hoa. Tốc độ tăng trưởng của tinh thể đơn silic khoảng 300mm/h, còn tốc độ tăng trưởng của tinh thể đơn cacbua silic khoảng 400μm/h. Sự khác biệt giữa hai tốc độ này gần 800 lần. Ví dụ, việc hình thành một phôi có kích thước từ năm đến sáu centimet đòi hỏi sự tăng trưởng liên tục và ổn định trong 200-300 giờ. Có thể thấy rằng tốc độ sản xuất phôi silicon carbide rất chậm, điều này làm cho phôi có giá thành cao.

02

Các khuyết tật trong phôi tinh thể đơn cacbua silic và tấm nền.

Cả phôi silicon carbide và tấm wafer nền đều chứa nhiều loại khuyết tật tinh thể, chẳng hạn như lỗi xếp chồng, vi ống, lệch vít xuyên suốt, lệch cạnh xuyên suốt, lệch mặt phẳng đáy, v.v. Các khuyết tật trong phôi silicon carbide sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của thiết bị cuối cùng. Đây là một vấn đề rất quan trọng trong chuỗi công nghiệp. Tất cả các nhà sản xuất chất nền đều đang nỗ lực hết sức để giảm mật độ khuyết tật của phôi silicon carbide.

03

Độ tin cậy của chất nền cacbua silic

Tấm nền là sản phẩm thu được bằng cách cắt khối tinh thể thành các lát mỏng, làm mịn và đánh bóng. Tấm nền đạt được chất lượng bề mặt tốt sau quá trình đánh bóng, giúp ngăn chặn sự hình thành khuyết tật trong quá trình tăng trưởng epitaxy, từ đó thu được các tấm epitaxy chất lượng cao. Chất lượng bề mặt của nó bao gồm độ phẳng, các sai lệch gần bề mặt và ứng suất dư. Để ngăn chặn sự hình thành khuyết tật trong giai đoạn đầu của quá trình tăng trưởng epitaxy, bề mặt tấm nền phải không có ứng suất và không có các sai lệch gần bề mặt. Nếu các hư hỏng dư gần bề mặt không được loại bỏ đầy đủ, quá trình tăng trưởng epitaxy trên tấm nền sẽ dẫn đến sự hình thành các khuyết tật vĩ mô. Do đó, mức chất lượng của liên kết tấm nền sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến mức chất lượng của liên kết tăng trưởng epitaxy tiếp theo.

04

Sự phát triển màng mỏng cacbua silic và độ tin cậy

Epitaxy đề cập đến việc nuôi cấy một lớp vật liệu đơn tinh thể 4H-SiC đồng nhất với chất nền trên bề mặt trên của chất nền. Silicon carbide có nhiều đồng phân. Để đảm bảo việc chế tạo vật liệu epitaxy chất lượng cao, cần có công nghệ đặc biệt để tránh sự xuất hiện của các dạng tinh thể khác. Quy trình tiêu chuẩn hiện nay là sử dụng chất nền đơn tinh thể 4H-SiC được cắt vát 4° và áp dụng công nghệ tăng trưởng theo từng bước. Quy trình thường được sử dụng hiện nay là phương pháp CVD: thiết bị thường được sử dụng là lò epitaxy nằm ngang thành nóng, và khí tiền chất phản ứng thường được sử dụng là silan (SiH6).₄), mêtan (CH₄), etylen (C₂H₄), v.v., và sử dụng nitơ (N₂) và trimetyl nhôm (TMA) được sử dụng làm nguồn tạp chất. Phạm vi nhiệt độ tăng trưởng điển hình là 1500~1650 ℃, và tốc độ tăng trưởng là 5~30μm/h.

Sự phát triển của lớp màng mỏng kết tinh có thể loại bỏ nhiều khuyết tật bề mặt hoặc gần bề mặt được tạo ra trong quá trình tăng trưởng tinh thể và xử lý tấm bán dẫn, nhờ đó mạng tinh thể được sắp xếp gọn gàng và hình thái bề mặt được cải thiện đáng kể so với chất nền. Lớp màng mỏng kết tinh dày, hình thái bề mặt tốt và nồng độ pha tạp thấp rất quan trọng để cải thiện điện áp đánh thủng. Các tấm bán dẫn kết tinh như vậy được sử dụng để sản xuất các thiết bị điện tử công suất, giúp cải thiện đáng kể độ ổn định thông số và năng suất.

Hình 2. Cấu trúc của lớp nền và lớp màng mỏng kết tinh.

05

Mối quan hệ giữa các khuyết tật trong các tấm bán dẫn màng mỏng silicon carbide và các tấm bán dẫn nền.

Như đã đề cập ở trên, các khuyết tật trong lớp màng mỏng silicon carbide liên quan đến chất nền và quá trình tăng trưởng. Các khuyết tật của lớp màng mỏng bao gồm khuyết tật về hình thái bề mặt, khuyết tật vi ống, sai lệch mạng tinh thể và các loại khác. Khuyết tật về hình thái bề mặt bao gồm khuyết tật hình củ cà rốt (trong một số trường hợp là dạng sao chổi), các hố nông, khuyết tật hình tam giác và các vật thể rơi; các khuyết tật vi ống trong chất nền sẽ được sao chép sang lớp màng mỏng. Mật độ hiện tại của vi ống trong chất nền thấp hơn nhiều so với 0.1/cm².²Về cơ bản, chúng đã được loại bỏ. Hầu hết các sai lệch trong lớp màng mỏng silicon carbide bắt nguồn từ các sai lệch trong chất nền, chủ yếu bao gồm TSD, TED và BPD. Các khuyết tật do quá trình epitaxy gây ra, chẳng hạn như sai lệch thông thường và khuyết tật hình củ cà rốt, là những vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của lớp màng mỏng silicon carbide.

06

Ảnh hưởng của các khuyết tật trên tấm bán dẫn silicon carbide lên thiết bị cuối cùng

Trong quá trình tăng trưởng epitaxy, khoảng 98% TSD trong chất nền được chuyển hóa thành TSD, phần còn lại được chuyển hóa thành Frank SFs; TED được chuyển hóa hoàn toàn thành TED; khoảng 95% BPD được chuyển hóa thành TED, và một lượng nhỏ được giữ lại dưới dạng BPD.

Hình 3. Mối tương quan giữa các khuyết tật của tấm wafer silicon carbide kết tinh và các khuyết tật của tấm wafer nền.

Về cơ bản, TSD và TED không ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị silicon carbide cuối cùng, trong khi BPD có thể gây suy giảm hiệu suất thiết bị, vì vậy người ta chú ý nhiều hơn đến BPD. Các lỗi xếp chồng, lỗi hình củ cà rốt, lỗi hình tam giác, lỗi vật rơi và các lỗi khác là những lỗi nghiêm trọng. Một khi chúng xuất hiện trên thiết bị, thiết bị sẽ không vượt qua được bài kiểm tra, dẫn đến giảm năng suất. Các thiết bị lưỡng cực, chẳng hạn như triode và IGBT, nhạy cảm hơn với BPD.

Bảng 1. Ảnh hưởng của các khuyết tật trên tấm bán dẫn kết tinh đến thiết bị cuối cùng.

07

Hai thách thức đối với vật liệu silicon carbide

Một trong những thách thức quan trọng trong việc quảng bá vật liệu silicon carbide là giá thành quá cao, và giá thành chất nền cao hơn nhiều so với chất nền silicon và sapphire. Hiện nay, đường kính phổ biến của chất nền silicon carbide chỉ từ 4 đến 6 inch, và cần có công nghệ chế tạo tiên tiến hơn để mở rộng kích thước và giảm giá thành. 

Mặt khác, mật độ sai lệch của cacbua silic vào khoảng 102-104, cao hơn nhiều so với silic, gali arsenua và các vật liệu khác. Ngoài ra, cacbua silic còn có ứng suất lớn, có thể gây ra các vấn đề về thông số bề mặt. Cải thiện chất lượng chất nền cacbua silic là một cách quan trọng để nâng cao chất lượng vật liệu màng mỏng, năng suất chế tạo thiết bị, độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được đăng lại từ "Basic Semiconductor", một ấn phẩm ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả của bài đăng lại. Nếu phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến