I substrati di carburo di silicio sono ampiamente utilizzati per la produzione di dispositivi di potenza progettati per funzionare ad alta tensione, alta temperatura e alta frequenza di commutazione. Tuttavia, i vantaggi elettrici del SiC possono essere pienamente realizzati solo quando il substrato e gli strati epitassiali hanno densità di difetti cristallografici sufficientemente basse.

Tra i difetti associati alla crescita dei cristalli di SiC, sono particolarmente importanti i microtubi e le dislocazioni del piano basale. Sebbene differiscano notevolmente nella struttura e nel comportamento, entrambi possono ridurre la resa del dispositivo, influire sulle prestazioni elettriche e creare rischi di affidabilità a lungo termine.

Comprendere questi difetti aiuta i produttori di dispositivi, i fornitori di epitassia e gli acquirenti di substrati a valutare se aWafer SiC è adatto per diodi Schottky, MOSFET, dispositivi bipolari e altre applicazioni impegnative di semiconduttori.

Cos'è un microtubo in un cristallo SiC?

Un microtubo è un difetto cristallografico a nucleo cavo che comunemente si sviluppa attorno a una dislocazione a vite con un grande vettore di Burgers. Invece di formare un nucleo di dislocazione chiuso su scala atomica, il cristallo contiene uno stretto canale cavo che si estende attraverso parte o tutta la boule di SiC.

Il difetto generalmente cresce approssimativamente lungo l'asse cristallografico c e può intersecare la superficie lucida del wafer.

Poiché un microtubo ha un vero e proprio nucleo cavo, è più grave di una normale dislocazione della filettatura. Crea una regione locale in cui la struttura cristallina e le proprietà elettriche sono sostanzialmente interrotte.

Un tempo i microtubi erano tra le principali limitazioni che interessavano i substrati SiC commerciali. I miglioramenti nella crescita del trasporto fisico del vapore, nella qualità dei semi e nel controllo del campo termico hanno ridotto significativamente la densità dei microtubi nei moderni wafer commerciali. Tuttavia, l'ispezione dei microtubi rimane importante per i dispositivi ad alta tensione e di grandi dimensioni perché anche un piccolo numero di difetti killer può ridurre la resa di fabbricazione.

In che modo i microtubi influiscono sulle prestazioni dei dispositivi SiC

I microtubi possono influenzare un dispositivo in diversi modi.

Guasto elettrico prematuro

Un microtubo disturba la distribuzione del campo elettrico all'interno del dispositivo. Quando viene applicata una tensione inversa elevata, il campo elettrico può concentrarsi attorno al difetto.

Questo potenziamento del campo locale può causare il guasto del dispositivo a una tensione sostanzialmente inferiore al valore nominale previsto.

L'effetto è particolarmente grave nei dispositivi ad alta tensione perché l'area attiva del dispositivo è più ampia e aumenta la probabilità di incontrare un difetto critico del substrato.

Maggiore corrente di dispersione

Il nucleo cavo e la distorsione reticolare circostante possono creare percorsi di perdita attraverso il substrato e la struttura epitassiale.

I dispositivi posizionati vicino ai microtubi possono quindi presentare un'elevata corrente di dispersione inversa, caratteristiche di blocco instabili o guasti durante la schermatura elettrica.

Resa ridotta del wafer

Un microtubo può influenzare l'intera struttura verticale del dispositivo sopra la sua posizione. Potrebbe essere necessario scartare qualsiasi stampo fabbricato direttamente sopra il difetto.

Per i dispositivi di grandi dimensioni, un singolo microtubo può rendere inutilizzabile l'intero stampo. Pertanto, ridurre la densità dei microtubi è essenziale per migliorare l’area utilizzabile del dispositivo e ridurre i costi di produzione.

Propagazione dei difetti epitassiali

I difetti in un substrato SiC possono propagarsi in uno strato omoepitassiale cresciuto sul wafer. Difetti del substrato legati alle viti possono quindi influenzare la morfologia e la qualità cristallina dell'epistrato troppo cresciuto.

La ricerca sull'epitassia del SiC ha dimostrato che le dislocazioni del substrato possono replicarsi o trasformarsi man mano che lo strato epitassiale cresce, motivo per cui la qualità dei difetti del substrato rimane rilevante anche dopo la deposizione epitassiale.

Che cos'è una lussazione del piano basale?

Una dislocazione del piano basale, comunemente abbreviata come BPD, è una dislocazione che si trova principalmente all'interno del piano basale del cristallo esagonale di SiC.

Nel 4H-SiC il piano basale corrisponde al piano cristallografico perpendicolare all'asse c. A differenza delle dislocazioni threading, che si estendono approssimativamente attraverso lo spessore del wafer, i BPD possono viaggiare lateralmente attraverso il cristallo.

I BPD possono originarsi durante la crescita dei cristalli del trasporto fisico del vapore a causa di stress termico, distribuzione non uniforme della temperatura o rilassamento della deformazione. La ricerca indica che lo stress termoelastico nel cristallo in crescita può promuovere la nucleazione e la moltiplicazione dei BPD, in particolare quando lo stress di taglio risolto lungo il piano basale diventa sufficientemente elevato.

Possono anche essere associati allo stress introdotto durante le fasi di raffreddamento, affettatura, macinazione o altre fasi di lavorazione dei wafer.

In che modo le dislocazioni del piano basale influiscono sulle prestazioni del SiC

I BPD sono particolarmente importanti perché possono influenzare sia i dispositivi SiC bipolari che quelli unipolari.

Formazione di difetti di impilamento

Uno dei rischi più significativi associati ad una dislocazione del piano basale è la sua capacità di agire come fonte di espansione della faglia di impilamento.

Quando la corrente bipolare scorre attraverso un dispositivo SiC, la ricombinazione elettrone-lacuna vicino a un BPD può fornire energia che consente a un difetto di impilamento di espandersi attraverso lo strato epitassiale.

La faglia di impilamento allargata modifica la struttura elettronica locale e crea una regione con trasporto di portanti degradato.

Degrado bipolare

L'espansione dei guasti di impilamento può aumentare la tensione diretta di un dispositivo SiC bipolare durante il funzionamento. Questo fenomeno è comunemente chiamato degradazione bipolare.

Storicamente è stato un grave problema di affidabilità per dispositivi come:

• diodi PiN;
• transistor a giunzione bipolare;
• tiristori;
• il diodo body dei MOSFET SiC.

Man mano che il guasto di impilamento si espande, l'area conduttiva effettiva può diminuire e la resistenza in stato attivo del dispositivo può aumentare.

Il dispositivo potrebbe inizialmente superare i test elettrici ma mostrare gradualmente prestazioni ridotte dopo un'iniezione di corrente prolungata.

Impatto sui diodi corpo MOSFET SiC

Sebbene i MOSFET SiC siano classificati come dispositivi unipolari, i loro diodi nel corpo intrinseco conducono corrente bipolare.

Quando il diodo body funziona per un periodo prolungato, l'espansione del guasto di impilamento correlata al BPD può causare una deriva della tensione diretta o un aumento della resistenza nello stato attivo.

Le moderne strutture dei dispositivi e i processi epitassiali hanno ridotto significativamente questo rischio, ma la densità BPD rimane una considerazione importante quando è previsto il funzionamento del diodo body MOSFET.

Rischi di perdite e affidabilità

I BPD e gli errori di impilamento associati possono modificare la durata del vettore locale, il comportamento di ricombinazione e il flusso di corrente.

A seconda della loro posizione e dell’interazione con altri difetti, possono contribuire a:

• perdita locale;
• instabilità della tensione diretta;
• affollamento attuale;
• vita degradata dei portatori di minoranza;
• variazione dell’affidabilità a lungo termine.

Un BPD non causa necessariamente un fallimento catastrofico immediato. Il suo impatto dipende dal tipo di dispositivo, dalle condizioni attuali, dalla struttura epitassiale e dal fatto che la lussazione rimanga nel piano basale o si converta in un altro tipo di lussazione.

Propagazione del BPD dal substrato allo strato epitassiale

Durante la crescita epitassiale del 4H-SiC, un BPD originato nel substrato può comportarsi in due modi principali.

Può:

1. continuare a propagarsi come una dislocazione del piano basale nell'epistrato; O
2. convertirsi in una dislocazione del bordo filettato vicino all'interfaccia substrato-epistrato.

La conversione in una dislocazione del bordo filettante è solitamente preferita perché è meno probabile che una dislocazione del bordo filettante generi un guasto di impilamento del piano basale in espansione sotto corrente bipolare.

Studi sull'epitassia 4H-SiC hanno osservato che i BPD del substrato si convertono in dislocazioni dei bordi filettati vicino all'interfaccia. Il comportamento di conversione è influenzato dalla crescita del flusso a gradini e dalle condizioni epitassiali.

Importanti variabili di processo possono includere:

• angolo di taglio del substrato;
• rapporto C/Si;
• tasso di crescita epitassiale;
• struttura del gradino superficiale;
• interruzioni della crescita;
• progettazione dello strato buffer.

Per questo motivo, la qualità del SiC a livello di dispositivo non può essere valutata esclusivamente esaminando il substrato. Il substrato e lo strato epitassiale devono essere considerati come un sistema materiale integrato.

Microtubi vs lussazioni del piano basale

Sebbene entrambi siano difetti cristallografici, i microtubi e i BPD creano rischi diversi per il dispositivo.

In termini semplici, i microtubi sono spesso associati a una perdita immediata di rendimento produttivo, mentre i BPD sono più strettamente associati al degrado operativo e all’affidabilità a lungo termine.

Tuttavia, l’effetto reale di ciascun difetto dipende dalla sua posizione, dimensione, campo di stress circostante e relazione con la struttura attiva del dispositivo.

Come vengono rilevati microtubi e BPD

Nessun singolo metodo di ispezione fornisce informazioni complete su ogni difetto del SiC. I produttori spesso combinano diverse tecniche.

Acquaforte KOH fusa

L'attacco con idrossido di potassio fuso rivela selettivamente dislocazioni come fosse di incisione sulla superficie del SiC.

Microtubi, dislocazioni di viti filettate, dislocazioni di bordi filettati e dislocazioni del piano basale possono produrre caratteristiche di incisione con forme e dimensioni diverse.

L'attacco KOH è utile per la misurazione e la ricerca sulla densità dei difetti, ma è distruttivo perché modifica la superficie del wafer. Uno studio sul 6H-SiC inciso ha dimostrato che condizioni ottimizzate di KOH fuso possono rivelare microtubi e molteplici tipi di dislocazione.

Topografia a raggi X

La topografia a raggi X è una tecnica non distruttiva che mappa la distorsione del reticolo causata da difetti cristallografici.

Può rivelare:

• dislocazioni del piano basale;
• dislocazioni delle viti filettanti;
• dislocazioni dei bordi filettati;
• difetti di impilamento;
• bordi di grano ad angolo basso.

La topografia a raggi X di sincrotrone fornisce immagini di difetti particolarmente dettagliate ed è ampiamente utilizzata nella ricerca avanzata sui cristalli SiC e nell'analisi dei meccanismi dei difetti.

Imaging a luce polarizzata e birifrangenza

I campi di stress attorno alle dislocazioni modificano la risposta ottica del cristallo. L'imaging a luce polarizzata può quindi essere utilizzato per visualizzare dislocazioni e modelli di stress residuo in modo non distruttivo.

Un recente lavoro ha evidenziato l'osservazione della luce polarizzata come un metodo rapido per la visualizzazione dei difetti e l'ispezione automatizzata della qualità dei wafer.

Imaging di fotoluminescenza

L'imaging a fotoluminescenza viene spesso utilizzato per ispezionare gli strati epitassiali di SiC.

È in grado di rilevare difetti elettricamente attivi e aiutare a identificare difetti di impilamento, caratteristiche correlate al BPD e altre imperfezioni epitassiali.

È possibile selezionare diverse lunghezze d'onda di eccitazione per ispezionare diverse profondità o tipi di difetti.

Ispezione ottica e infrarossa

Poiché i microtubi contengono nuclei cavi, alcuni possono essere osservati utilizzando metodi di trasmissione ottica o a infrarossi.

I sistemi di ispezione ottica automatizzata possono essere utilizzati per la mappatura dei difetti dell'intero wafer, sebbene la loro capacità di rilevamento dipenda dalle dimensioni del difetto, dallo spessore del wafer e dal contrasto dell'immagine.

Mappatura dei dispositivi elettrici

Il test del dispositivo finale fornisce ulteriori prove degli effetti del substrato e dei difetti epitassiali.

La correlazione delle mappe dei difetti con i risultati elettrici può rivelare se un particolare difetto è associato a:

• perdita inversa;
• bassa tensione di rottura;
• deriva della tensione diretta;
• resistenza on anomala;
• fallimento precoce dell’affidabilità.

Perché la densità dei difetti non è l'unico indicatore di qualità

Una densità di dislocazione totale inferiore è generalmente desiderabile, ma un singolo numero di densità non descrive completamente la qualità del substrato.

Due wafer con densità di difetti complessive simili possono fornire rese del dispositivo diverse perché i difetti hanno tipi e distribuzioni spaziali diversi.

Considerazioni importanti includono:

• tipo di difetto;
• densità dei cluster di difetti;
• distribuzione radiale;
• esclusione dei bordi;
• superficie utilizzabile;
• presenza di ampie zone prive di difetti;
• correlazione tra difetti del substrato e dell'epistrato;
• dimensione prevista del dispositivo.

Un wafer destinato a molti piccoli dispositivi può tollerare una distribuzione dei difetti che sarebbe inaccettabile per un numero limitato di grandi matrici ad alta tensione.

Pertanto, le specifiche del substrato dovrebbero essere valutate in relazione all'architettura del dispositivo pianificato e alle dimensioni dello stampo.

Cosa dovrebbero verificare gli acquirenti di substrati SiC

Quando acquistano substrati SiC per l'epitassia o la fabbricazione di dispositivi, gli acquirenti non dovrebbero fare affidamento solo su diametro, spessore e drogaggio.

Anche le seguenti informazioni relative ai difetti dovrebbero essere discusse con il fornitore.

Densità del microtubo

Richiedi la densità massima o tipica del microtubo e chiarisci se il valore si applica al wafer completo, all'area utilizzabile o ai punti di misurazione selezionati.

Per applicazioni impegnative, potrebbe essere necessaria l'assenza di microtubi all'interno dell'area attiva.

Densità di dislocazione del piano basale

Chiedere come viene misurata la densità BPD e se il valore riportato si riferisce al substrato, a uno strato epitassiale o a entrambi.

La tecnica di misurazione deve essere specificata poiché l'incisione, la topografia a raggi X e i metodi ottici potrebbero non produrre risultati direttamente intercambiabili.

Densità delle lussazioni filettanti

I BPD dovrebbero essere valutati insieme a:

• dislocazioni delle viti filettanti;
• dislocazioni dei bordi filettati;
• infilando dislocazioni miste.

La conversione dei BPD in lussazioni threading durante l'epitassia rende questa valutazione combinata particolarmente importante.

Mappe dei difetti

Per le applicazioni di alto valore, richiedi una mappa dei difetti a livello di wafer anziché solo una densità media.

Una mappa dei difetti semplifica l'identificazione di cluster, difetti relativi ai bordi e regioni adatte per stampi di grandi dimensioni.

Compatibilità epitassiale

Confermare che l'orientamento del substrato, l'angolo di taglio, la finitura superficiale e il livello dei difetti siano adatti al processo epitassiale previsto.

La propagazione e la conversione dei BPD possono dipendere dalle condizioni di crescita epitassiale, inclusi il rapporto C/Si e il tasso di crescita.

Norma di ispezione

La specifica di acquisto dovrebbe definire:

• metodo di ispezione;
• superficie ispezionata;
• esclusione dei bordi;
• frequenza di campionamento;
• criteri di accettazione;
• formato di segnalazione.

Senza criteri di ispezione coerenti, i numeri di densità dei difetti di diversi fornitori potrebbero essere difficili da confrontare.

Come i produttori di SiC riducono questi difetti

La riduzione dei microtubi e dei BPD richiede il controllo della crescita delle boule e della produzione dei wafer.

Le strategie importanti includono:

• migliorare la qualità dei semi-cristalli;
• stabilizzare il campo termico PVT;
• riduzione dei gradienti termici radiali e assiali;
• controllare l'interfaccia di crescita dei cristalli;
• minimizzare lo stress termoelastico;
• ottimizzazione delle condizioni di raffreddamento;
• controllare la formazione delle spalle cristalline;
• ridurre lo stress residuo indotto dalla lavorazione;
• ottimizzando la crescita del flusso a gradini epitassiale.

La riduzione dei microtubi ha tratto grandi benefici dal miglioramento della tecnologia di crescita e della selezione dei semi.

La riduzione del BPD rimane più complessa perché i BPD possono nucleare e moltiplicarsi sotto stress termoelastico durante la crescita delle boule. Possono anche propagarsi in modo diverso a seconda delle condizioni epitassiali.

Selezione di substrati SiC per diverse applicazioni

La specifica del difetto accettabile dipende dall'uso finale.

Diodi a barriera Schottky

I microtubi e altri difetti che aumentano le perdite o riducono la tensione di rottura sono fondamentali.

Poiché i dispositivi Schottky si basano principalmente sul trasporto della portante maggioritaria, la degradazione bipolare correlata al BPD è generalmente meno diretta rispetto ai diodi PiN. Tuttavia, i difetti del substrato e dell'epistrato possono comunque influire sulla resa e sull'affidabilità.

MOSFET SiC

Una bassa densità di microtubi è necessaria per un'elevata resa di degradazione.

Il controllo BPD è importante anche quando il diodo del corpo intrinseco conduce durante il funzionamento del convertitore o i test di affidabilità.

Diodi PiN e dispositivi bipolari

La densità del BPD è particolarmente importante perché l'iniezione di corrente bipolare può innescare l'espansione dei guasti di impilamento e il degrado della tensione diretta.

Dispositivi ad alta tensione e di ampia area

I monconi di grandi dimensioni hanno una maggiore probabilità di intersecare un difetto killer.

Queste applicazioni generalmente richiedono specifiche dei difetti più rigorose e una mappatura dell'intero wafer più dettagliata.

Wafer di ricerca e sviluppo dei processi

I substrati di prova o di ricerca possono tollerare densità di difetti più elevate quando l'obiettivo è il test delle apparecchiature, lo sviluppo di processi o la ricerca di materiali non critici.

Tuttavia, il grado del difetto dovrebbe comunque essere documentato in modo che i risultati sperimentali possano essere interpretati correttamente.

Conclusione

I microtubi e le dislocazioni del piano basale influenzano le prestazioni del substrato SiC attraverso diversi meccanismi fisici.

I microtubi sono difetti a nucleo cavo che possono causare gravi perdite, guasti prematuri e perdite immediate di resa dello stampo. Le dislocazioni del piano basale sono difetti cristallografici planari che possono propagarsi nello strato epitassiale o avviare l'espansione della faglia di impilamento sotto corrente bipolare.

Per i dispositivi di potenza SiC, la qualità del substrato dovrebbe quindi essere valutata utilizzando qualcosa di più di una specifica generale di densità dei difetti. Gli acquirenti dovrebbero considerare il tipo di difetto, la distribuzione spaziale, il metodo di ispezione, il comportamento epitassiale e la sensibilità della struttura del dispositivo previsto.

Poiché la produzione di wafer SiC continua a migliorare, la minore densità dei microtubi e una migliore gestione del BPD stanno aiutando i produttori di dispositivi a ottenere una resa più elevata, prestazioni elettriche più stabili e una maggiore affidabilità operativa.

Domande frequenti

I microtubi sono ancora comuni nei wafer SiC commerciali?

Le densità dei microtubi nei moderni substrati SiC commerciali sono molto inferiori a quelle delle generazioni precedenti di materiale. Tuttavia, l'ispezione rimane importante perché un singolo microtubo può influenzare un grande dispositivo ad alta tensione.

Una lussazione del piano basale è sempre un difetto mortale?

Non necessariamente. Il suo effetto dipende dal fatto che si propaghi nell'epistrato attivo, si converta in una dislocazione del threading o promuova l'espansione del difetto di impilamento durante il funzionamento.

Perché i BPD sono particolarmente importanti per i dispositivi SiC bipolari?

L'iniezione di corrente bipolare può stimolare l'espansione dei difetti di impilamento originati dai BPD. Ciò potrebbe aumentare la tensione diretta e ridurre le prestazioni del dispositivo nel tempo.

I BPD possono essere rimossi durante la crescita epitassiale?

Alcuni BPD del substrato possono convertirsi in dislocazioni del bordo filettato vicino all'interfaccia substrato-epistrato. L'ottimizzazione del processo epitassiale può aumentare il tasso di conversione, ma non elimina fisicamente ogni difetto cristallografico.

Quale metodo è migliore per ispezionare le dislocazioni del SiC?

Il metodo appropriato dipende dal wafer e dall'applicazione. La topografia a raggi X fornisce una mappatura dettagliata e non distruttiva dei difetti, l'attacco KOH fornisce chiari solchi di dislocazione e la fotoluminescenza è ampiamente utilizzata per l'ispezione dello strato epitassiale.

Quali informazioni dovrebbero essere incluse in una richiesta di substrato SiC?

Un'indagine completa dovrebbe specificare diametro del wafer, politipo, tipo di conduttività, drogaggio, orientamento, angolo di taglio, spessore, lucidatura, ruvidità superficiale, densità del microtubo, requisiti di dislocazione, esclusione dei bordi, metodo di ispezione, quantità e applicazione prevista.