Il carburo di silicio semi-isolante è un importante materiale di substrato per dispositivi RF ad alta frequenza e alta potenza perché combina alta resistività elettrica con alta conducibilità termica.

A differenza dei substrati SiC di tipo n conduttivi utilizzati principalmente per dispositivi di potenza verticali, il SiC semi-isolante è progettato per sopprimere la conduzione elettrica parassita attraverso il substrato. Ciò lo rende particolarmente adatto per strutture di dispositivi RF, a microonde e ad alta frequenza in cui la perdita del substrato può influire direttamente sul guadagno, sull'efficienza e sulle prestazioni in frequenza.

Tra i materiali SiC semi-isolanti, sono stati storicamente utilizzati due approcci:

• SiC semi-isolante ad alta purezza, o HPSI
• SiC semi-isolante drogato con vanadio

Sebbene entrambi possano fornire una resistività molto elevata, il meccanismo utilizzato per ottenere il comportamento semi-isolante è diverso.

Per gli ingegneri di dispositivi RF e gli acquirenti di wafer, questa differenza può influenzare:

• Stabilità elettrica
• Perdite RF
• Comportamento termico
• Trappole a livello profondo
• Effetti di back-gating
• Compatibilità epitassiale
• Affidabilità del dispositivo

Per questo motivo, la selezione del substrato non dovrebbe basarsi solo sulla resistività.

Perché i dispositivi RF necessitano di SiC semi-isolante

Un dispositivo RF che opera a frequenze a microonde o a onde millimetriche deve minimizzare il flusso di corrente indesiderato attraverso il substrato.

Se il substrato è elettricamente conduttivo, la capacità parassita e i percorsi di corrente possono aumentare le perdite RF.

Il SiC semi-isolante fornisce due caratteristiche importanti contemporaneamente:

Alta resistività elettrica

Non uniformità del rivestimento

Entrambi gli approcci possono creare substrati ad alta resistività, ma la loro fisica dei difetti e il comportamento elettrico sono diversi.

Questa combinazione è particolarmente interessante per applicazioni RF ad alta potenza.

La ricerca sul SiC semi-isolante ha da tempo identificato l'elettronica a microonde e ad alta frequenza come applicazioni chiave perché il materiale può fornire sia la resistenza richiesta per un funzionamento a basse perdite sia una conducibilità termica sufficiente per dissipare il calore del dispositivo.

Le applicazioni tipiche includono:

• Amplificatori di potenza RF
• Dispositivi a microonde
• Elettronica radar
• Comunicazioni satellitari
• Infrastrutture per telecomunicazioni
• Interruttori ad alta frequenza
• Moduli front-end RF
• Strutture HEMT ad alta potenza
• Elettronica RF ad alta temperatura

Per queste applicazioni, la qualità del substrato influisce non solo sulla lavorazione del wafer, ma anche sull'ambiente elettrico sottostante il dispositivo attivo.

1. Cos'è l'HPSI 4H-SiC?

HPSI significa:

Carburo di silicio semi-isolante ad alta purezza

A differenza del SiC drogato intenzionalmente con vanadio, il materiale HPSI è generalmente prodotto utilizzando un'elevata purezza del materiale e difetti intrinseci a livello profondo per compensare le impurità superficiali residue.

I prodotti commerciali attuali di HPSI 4H-SiC identificano specificamente il materiale come non drogato con vanadio.On-axis o specificatoLe impurità residue comunemente coinvolte includono:AzotoBoro

Altre impurità in tracce

I difetti intrinseci possono introdurre livelli elettronici profondi che compensano questi droganti superficiali residui.

• La ricerca sull'HPSI 4H-SiC ha identificato difetti correlati a vacanze, divacanze e complessi antisiti carbonio-vacanza carbonio tra i difetti che possono contribuire al comportamento semi-isolante.
• Questo meccanismo di compensazione consente un'elevata resistività senza fare affidamento sul drogaggio deliberato con metalli pesanti.
• 2. Cos'è il SiC semi-isolante drogato con vanadio?

Il secondo approccio consiste nell'introdurre intenzionalmente vanadio nel SiC.

Il vanadio produce livelli energetici profondi all'interno del bandgap del SiC.

Questi livelli profondi possono compensare donatori e accettori superficiali elettricamente attivi, riducendo il numero di portatori di carica liberi.

Il concetto semplificato è:

Impurità donatrici/accettrici residue → compensate da livelli profondi di vanadio → bassa concentrazione di portatori → alta resistività

La compensazione con vanadio è stata utilizzata per molti anni per produrre SiC semi-isolante.

La ricerca ha identificato livelli accettori profondi correlati al vanadio intorno a circa 1 eV al di sotto della regione della banda di conduzione, sebbene il comportamento elettrico esatto dipenda dalla concentrazione di vanadio e da altri difetti intrinseci.

È importante distinguere:

Drogato con vanadio

da

4H-SiC

perché queste descrivono due caratteristiche diverse.

Il vanadio descrive il metodo di compensazione/drogaggio.

4H descrive il politipo cristallino del SiC.

On-axis o specificato

Pertanto, una richiesta di offerta (RFQ) dovrebbe sempre specificare entrambi:

Politipo: 4H-SiC

e

Metodo semi-isolante / requisito di resistività

piuttosto che richiedere semplicemente "SiC semi-isolante."

3. HPSI vs SiC drogato con vanadio

Non uniformità del rivestimento

Parametro

HPSI 4H-SiC

SiC drogato con vanadio

Meccanismo di compensazione

Il confronto corretto dovrebbe considerare:

Struttura del dispositivo

Frequenza RF

Temperatura operativa

Densità di potenza

• Struttura epitassiale
• Distribuzione delle trappole
• Stabilità della resistività
• Qualità del materiale del fornitore
• 4. Resistività: uno dei parametri RF più importanti
• Per il SiC semi-isolante, la resistività è un parametro di acquisto primario.
• Il suo scopo è limitare il flusso di corrente indesiderato attraverso il substrato.
• Le specifiche commerciali attuali di HPSI 4H-SiC possono raggiungere valori di almeno 10^6-10^8 Ω·cm o superiori a seconda del fornitore, del grado e della condizione di misurazione. Una famiglia di prodotti HPSI commerciali attuali specifica ≥10^8 Ω·cm per materiale di produzione selezionato.

Anche i prodotti semi-isolanti drogati con vanadio possono presentare una resistività estremamente elevata.

Ad esempio, è stato riportato che materiali commerciali semi-isolanti drogati con vanadio hanno una resistività superiore a 10^9 Ω·cm, a seconda del politipo e delle specifiche del prodotto.

Tuttavia, confrontare due wafer solo con l'affermazione:

Resistività >10^8 Ω·cm

non è sufficiente.

L'acquirente dovrebbe anche chiedere:

A quale temperatura è stata misurata la resistività?

Quale metodo di misurazione è stato utilizzato?

Il valore è minimo, tipico o medio?

La resistività è uniforme su tutto il wafer?

• Quanto è stabile la resistività dopo la lavorazione ad alta temperatura?
• Il wafer contiene trappole profonde elettricamente attive?
• Per i dispositivi RF, la stabilità della resistività può essere importante quanto il valore assoluto a temperatura ambiente.
• 5. Perché i difetti a livello profondo sono importanti
• Un wafer di semiconduttore può avere un'elevata resistività misurata e contenere comunque difetti elettricamente attivi.
• Il SiC semi-isolante si basa su livelli elettronici profondi per sopprimere i portatori liberi.

Tuttavia, i livelli profondi possono anche agire come trappole.A seconda dell'architettura del dispositivo, le trappole possono catturare o rilasciare portatori durante:Funzionamento RF

Funzionamento ad alto campo

Riscaldamento

Raffreddamento

Commutazione di polarizzazione

Funzionamento a lunga durata

• I potenziali effetti includono:
• Collasso della corrente
• Cambiamenti di resistenza dinamica
• Spostamento della tensione di soglia
• Back-gating
• Dispersione RF

Instabilità del dispositivo

• Questo è il motivo per cui la selezione HPSI rispetto al drogato con vanadio non può essere ridotta a una semplice domanda su quale wafer abbia una resistenza maggiore.
• Un substrato RF di alta qualità deve combinare:
• alta resistività + stabilità elettrica + difetti controllati + buone proprietà termiche
• 6. Difetti cristallini nel SiC 4H semi-isolante
• La qualità del substrato RF è influenzata anche dai difetti cristallografici.
• Le importanti categorie di difetti includono:

Micropipe

Dislocazioni a vite passanti

Dislocazioni a spigolo passanti

Dislocazioni del piano basale

Difetti di impilamento

Inclusioni di politipo

• Metodo di ispezione
• Fossette superficiali
• Danni sottosuperficiali
• Micropipe
• I micropipe sono difetti a nucleo cavo associati a dislocazioni a vite di grande vettore di Burgers.
• Sebbene la moderna crescita cristallina del SiC abbia drasticamente ridotto la densità di micropipe, essi rimangono un importante parametro storico e di acquisto.
• Per i substrati di grado RF, gli acquirenti dovrebbero determinare:
• Densità massima di micropipe
• Se il valore è garantito o tipico

Metodo di ispezione

Area di mappatura

Dislocazioni passanti

Le dislocazioni a vite passanti e le dislocazioni a spigolo passanti possono propagarsi negli strati epitassiali successivi.

• Il loro effetto dipende dal design finale del dispositivo.
• Invece di specificare solo:
• Bassa densità di dislocazioni
• la RFQ dovrebbe identificare le categorie di difetti richieste e i livelli di accettazione.

7. TTV è importante anche per i substrati RF

Le proprietà elettriche spesso ricevono la maggiore attenzione per il SiC semi-isolante, ma la geometria del wafer è ugualmente importante durante la fabbricazione del dispositivo.

TTV significa:

Variazione totale dello spessore

Rappresenta la differenza tra lo spessore massimo e minimo del wafer nell'area di misurazione specificata.

Un TTV elevato può creare problemi durante:

Litografia

Epitassia

Chuck del wafer

Lavorazione posteriore

Bonding del wafer

Assottigliamento

• Metrologia
• Gestione automatizzata
• Le specifiche commerciali dei substrati HPSI dimostrano che valori come TTV ≤10 µm sono tecnicamente raggiungibili per gradi e dimensioni del wafer selezionati, sebbene il valore richiesto debba sempre essere concordato tra acquirente e fornitore.
• Il lavoro di standardizzazione dei wafer di SiC di SEMI identifica anche spessore, tolleranza, planarità, orientamento e difetti come caratteristiche fondamentali del substrato fisico.
• 8. Bow e Warp
• TTV descrive la variazione dello spessore, ma non descrive la forma completa del wafer.
• Due parametri aggiuntivi sono importanti:
• Bow

eWarpUn wafer può avere un TTV accettabile pur presentando una deformazione globale eccessiva.

Ciò diventa sempre più importante all'aumentare del diametro del wafer.

Un warp eccessivo può causare:

Errori di gestione del robot

Problemi di chucking

Densità di micropipe

Non uniformità del rivestimento

Densità di dislocazioni

Errori di ispezione

Pertanto, una specifica seria per wafer RF dovrebbe normalmente contenere:

TTV + Bow + Warp

• piuttosto che solo TTV.
• 9. Rugosità superficiale e qualità CMP
• La faccia Si di un substrato SiC semi-isolante è normalmente preparata per la successiva crescita epitassiale.
• La superficie deve quindi avere una rugosità molto bassa e danni minimi da lucidatura.
• I substrati SiC semi-isolanti commerciali orientati all'RF possono raggiungere una rugosità superficiale sub-nanometrica; esempi attuali specificano una rugosità inferiore a circa 5 Å per prodotti selezionati.
• Tuttavia, Ra da solo non descrive completamente una superficie pronta per l'epitassia.

L'acquirente dovrebbe anche ispezionare:

Graffi

Fossette

Opacità

Segni di lucidatura

Particelle

Contaminazione

Danni superficiali

Step bunching

• Difetti sui bordi
• Un wafer può avere un Ra misurato molto basso pur contenendo difetti isolati che influenzano la crescita epitassiale.
• 10. CMP faccia Si e finitura posteriore
• Per le applicazioni di epitassia RF, la superficie frontale è comunemente la faccia di silicio.
• Imballaggio
• Faccia Si: CMP, pronta per epitassia
• Faccia C: lucidatura ottica o finitura posteriore specificata
• La preparazione esatta della superficie dovrebbe sempre essere inclusa nella RFQ.
• Ad esempio:

Anteriore: CMP faccia Si, pronta per epitassia

Posteriore: lucidato otticamente

Richiedere semplicemente:

Lucidato su entrambi i lati

potrebbe non fornire informazioni sufficienti sulla qualità CMP effettiva richiesta per l'epitassia.

11. Orientamento: On-Axis vs Off-Axis

Un'altra importante differenza tra i substrati semi-isolanti RF e i substrati per dispositivi di potenza è l'orientamento.

I substrati di potenza 4H-SiC conduttivi sono comunemente forniti con un orientamento intenzionale off-axis per la crescita omoepitassiale.

I substrati semi-isolanti RF, in particolare quelli destinati come substrati estranei per l'epitassia di nitruri, sono frequentemente forniti on-axis.
I prodotti RF HPSI 4H-SiC commerciali attuali utilizzano orientamenti on-axis per determinati gradi di substrato.

La RFQ dovrebbe quindi specificare chiaramente:

Politipo

Piano superficiale

On-axis o off-axis

Tolleranza di orientamento

Faccia Si o faccia C

12. Selezione del diametro

Il SiC semi-isolante è storicamente stato disponibile in diametri inferiori rispetto ai substrati di potenza SiC conduttivi mainstream.

I diametri comuni dei substrati RF includono:

• Orientamento
• 76,2 mm
• 100 mm
• 150 mm
• Lo sviluppo di grandi diametri continua, ma la disponibilità dipende fortemente da:

Politipo

Metodo di compensazione

Grado

• Fornitore
• Specifiche dei difetti
• Gli acquirenti non dovrebbero presumere che ogni specifica SiC da 200 mm di tipo n sia automaticamente disponibile come wafer HPSI da 200 mm.
• Ad esempio, le informazioni sui prodotti commerciali attuali mostrano offerte HPSI 4H in 100 mm e 150 mm, mentre la disponibilità di 200 mm può essere associata ad altre famiglie di prodotti SiC.

Per questo motivo, la disponibilità del diametro dovrebbe essere confermata prima di finalizzare un processo di dispositivo.

• Orientamento
• Una RFQ professionale dovrebbe contenere più del semplice diametro e resistività.
• Parametro
• Informazioni RFQ raccomandate
• Materiale

SiC monocristallino

Politipo

4H-SiC

Tipo elettrico

Semi-isolante

Il wafer è on-axis?

Quali sono i limiti di TTV, bow e warp?

1. Quali sono le specifiche di micropipe e dislocazioni?
2. La faccia Si CMP è pronta per epitassia?
3. Quale rugosità superficiale è garantita?
4. Sono disponibili mappe di particelle e graffi?
5. Viene fornita la tracciabilità a livello di wafer?
6. Può essere fornito un certificato di ispezione?
7. Possono essere supportate specifiche di substrato RF personalizzate?
8. Queste domande rendono più facile confrontare i preventivi di diversi fornitori di substrati.
9. 15. HPSI o drogato con vanadio: quale scegliere?
10. Non esiste una singola specifica adatta a ogni dispositivo RF.
11. Tuttavia, per le moderne applicazioni di substrati RF in SiC 4H, l'HPSI è particolarmente attraente perché può fornire una resistività molto elevata senza drogaggio deliberato con vanadio.
12. Ciò rimuove una fonte di impurità a livello profondo introdotta intenzionalmente e ha aiutato l'HPSI a diventare un'importante piattaforma materiale per strutture RF avanzate.
13. Il SiC drogato con vanadio può ancora fornire un'eccellente resistività e rimane tecnicamente rilevante, specialmente per piattaforme di dispositivi consolidate e combinazioni specifiche di substrato/politipo.
14. La valutazione corretta dovrebbe quindi includere:
15. resistività

più

stabilità dei livelli profondi

più

qualità cristallina

più

geometria

più

preparazione superficiale

Alta conducibilità termica

Conclusione

Alta conducibilità termica

Per i dispositivi RF e a microonde, il substrato deve fornire una combinazione di:

Alta conducibilità termica

Comportamento elettrico stabile

Alta conducibilità termica

Bassa densità di difetti cristallini

TTV, bow e warp controllati

Bassa rugosità superficiale

Qualità CMP pronta per epitassia

Ispezione affidabile a livello di wafer.

• L'HPSI 4H-SiC ottiene il comportamento semi-isolante principalmente attraverso l'elevata purezza del materiale e la compensazione intrinseca dei livelli profondi piuttosto che il drogaggio intenzionale con vanadio.
• Il SiC drogato con vanadio utilizza livelli profondi introdotti deliberatamente per compensare i portatori residui.
• Entrambi gli approcci possono creare substrati ad alta resistività, ma la loro fisica dei difetti e il comportamento elettrico sono diversi.
• Per l'approvvigionamento di substrati RF, la specifica più utile non è quindi semplicemente:
• SiC 4H semi-isolante, alta resistività
• ma una combinazione completa di:
• Politipo + Metodo di compensazione + Resistività + Densità dei difetti + TTV + Bow/Warp + Rugosità superficiale + Qualità CMP + Criteri di ispezione.
• Ciò fornisce sia al fornitore che al produttore di dispositivi RF una chiara base tecnica per la qualificazione dei wafer.

FAQ

Cosa significa HPSI nei wafer di SiC?

HPSI significa High-Purity Semi-Insulating (Semi-isolante ad alta purezza). Nei moderni substrati 4H-SiC, l'elevata resistività può essere ottenuta attraverso una purezza del materiale controllata e una compensazione intrinseca dei livelli profondi senza drogare intenzionalmente il cristallo con vanadio.

L'HPSI è uguale al SiC drogato con vanadio?

No. Entrambi i materiali possono essere semi-isolanti, ma i meccanismi di compensazione sono diversi. L'HPSI si basa generalmente su difetti intrinseci a livello profondo e alta purezza, mentre il materiale drogato con vanadio introduce intenzionalmente livelli profondi correlati al vanadio.

Quale resistività è richiesta per il SiC semi-isolante?

Il valore richiesto dipende dal dispositivo RF e dalle condizioni di misurazione. I prodotti commerciali di SiC semi-isolante possono specificare una resistività da circa 10^6-10^8 Ω·cm o sostanzialmente superiore a seconda del tipo di materiale, del grado e del fornitore. Gli acquirenti dovrebbero specificare sia la resistività minima che le condizioni di misurazione.

Il 4H-SiC è sempre migliore del 6H-SiC per l'RF?

Non automaticamente. La selezione del politipo dipende dall'architettura del dispositivo, dal processo epitassiale e dalla piattaforma di produzione consolidata. Tuttavia, il 4H-SiC è diventato un'importante piattaforma commerciale per substrati RF semi-isolanti ad alta purezza.