Siliciumcarbidesubstraten worden veel gebruikt voor de productie van stroomapparaten die zijn ontworpen om te werken bij hoge spanning, hoge temperatuur en hoge schakelfrequentie. De elektrische voordelen van SiC kunnen echter alleen volledig worden gerealiseerd als het substraat en de epitaxiale lagen voldoende lage kristallografische defectdichtheden hebben.

Onder de defecten die verband houden met de groei van SiC-kristallen zijn micropijpen en dislocaties van het basale vlak bijzonder belangrijk. Hoewel ze sterk verschillen qua structuur en gedrag, kunnen beide de opbrengst van het apparaat verminderen, de elektrische prestaties beïnvloeden en betrouwbaarheidsrisico's op de lange termijn creëren.

Door deze defecten te begrijpen, kunnen fabrikanten van apparaten, epitaxieleveranciers en substraatkopers beoordelen of:SiC-wafel is geschikt voor Schottky-diodes, MOSFET's, bipolaire apparaten en andere veeleisende halfgeleidertoepassingen.

Wat is een micropijp in een SiC-kristal?

Een micropijp is een kristallografisch defect met holle kern dat zich gewoonlijk ontwikkelt rond een schroefdislocatie met een grote Burgers-vector. In plaats van een gesloten dislocatiekern op atomaire schaal te vormen, bevat het kristal een smal hol kanaal dat zich door een deel of de gehele SiC-boule uitstrekt.

Het defect groeit in het algemeen ongeveer langs de kristallografische c-as en kan het gepolijste wafeloppervlak kruisen.

Omdat een micropijp een daadwerkelijke holle kern heeft, is deze ernstiger dan een gewone dislocatie door schroefdraad. Het creëert een lokaal gebied waar de kristalstructuur en elektrische eigenschappen aanzienlijk worden verstoord.

Micropijpjes behoorden ooit tot de belangrijkste beperkingen van commerciële SiC-substraten. Verbeteringen in de groei van het fysieke damptransport, de zaadkwaliteit en de beheersing van het thermische veld hebben de micropijpdichtheid in moderne commerciële wafels aanzienlijk verminderd. Niettemin blijft micropijpinspectie belangrijk voor apparaten met hoge spanning en apparaten met een groot oppervlak, omdat zelfs een klein aantal dodelijke defecten de fabricageopbrengst kan verminderen.

Hoe microbuizen de prestaties van SiC-apparaten beïnvloeden

Micropijpjes kunnen een apparaat op verschillende manieren beïnvloeden.

Voortijdige elektrische storing

Een micropijp verstoort de elektrische veldverdeling in het apparaat. Wanneer een hoge sperspanning wordt aangelegd, kan het elektrische veld zich rond het defect concentreren.

Deze lokale veldverbetering kan ervoor zorgen dat het apparaat kapot gaat bij een spanning die aanzienlijk lager is dan de beoogde spanning.

Het effect is vooral ernstig bij hoogspanningsapparaten, omdat het actieve apparaatoppervlak groter is en de kans op een kritisch substraatdefect toeneemt.

Verhoogde lekstroom

De holle kern en de omringende roostervervorming kunnen lekkagepaden door het substraat en de epitaxiale structuur creëren.

Apparaten die zich in de buurt van micropijpen bevinden, kunnen daarom een ​​verhoogde sperlekstroom, onstabiele blokkeereigenschappen of storingen vertonen tijdens elektrische afscherming.

Verminderde wafelopbrengst

Een micropijp kan de volledige verticale apparaatstructuur boven zijn positie beïnvloeden. Elke matrijs die rechtstreeks over het defect is vervaardigd, moet mogelijk worden afgewezen.

Bij apparaten met een groot oppervlak kan een enkele micropijp de hele matrijs onbruikbaar maken. Daarom is het verminderen van de micropijpdichtheid essentieel voor het verbeteren van het bruikbare apparaatoppervlak en het verlagen van de productiekosten.

Voortplanting van epitaxiale defecten

Defecten in een SiC-substraat kunnen zich voortplanten in een homo-epitaxiale laag die op de wafer is gegroeid. Schroefgerelateerde substraatdefecten kunnen daarom de morfologie en kristallijne kwaliteit van de overwoekerde epilaag beïnvloeden.

Onderzoek naar SiC-epitaxie heeft aangetoond dat substraatdislocaties zich kunnen repliceren of transformeren naarmate de epitaxiale laag groeit. Daarom blijft de kwaliteit van substraatdefecten relevant, zelfs na epitaxiale afzetting.

Wat is een dislocatie van het basaalvlak?

Een dislocatie in het basale vlak, gewoonlijk afgekort als BPD, is een dislocatie die voornamelijk binnen het basale vlak van het hexagonale SiC-kristal ligt.

In 4H-SiC komt het basale vlak overeen met het kristallografische vlak loodrecht op de c-as. In tegenstelling tot threading-dislocaties, die zich ongeveer door de wafeldikte uitstrekken, kunnen BPD's lateraal door het kristal reizen.

BPD's kunnen ontstaan ​​tijdens kristalgroei door fysisch damptransport als gevolg van thermische spanning, niet-uniforme temperatuurverdeling of spanningsrelaxatie. Onderzoek wijst uit dat thermo-elastische spanning in het groeiende kristal de kernvorming en vermenigvuldiging van BPD's kan bevorderen, vooral wanneer de opgeloste schuifspanning langs het basale vlak voldoende hoog wordt.

Ze kunnen ook in verband worden gebracht met spanningen die worden geïntroduceerd tijdens het koelen, snijden, slijpen of andere stappen voor het verwerken van wafels.

Hoe dislocaties van het basaalvlak de SiC-prestaties beïnvloeden

BPD's zijn vooral belangrijk omdat ze zowel bipolaire als unipolaire SiC-apparaten kunnen beïnvloeden.

Vorming van stapelfouten

Een van de belangrijkste risico's die gepaard gaan met een dislocatie van het basale vlak is het vermogen ervan om te fungeren als bron voor uitbreiding van stapelfouten.

Wanneer bipolaire stroom door een SiC-apparaat vloeit, kan recombinatie van elektron-gaten nabij een BPD energie leveren waardoor een stapelfout zich door de epitaxiale laag kan uitbreiden.

De vergrote stapelfout verandert de lokale elektronische structuur en creëert een regio met verslechterd transportvervoer.

Bipolaire degradatie

Uitbreiding van stapelfouten kan de voorwaartse spanning van een bipolair SiC-apparaat tijdens bedrijf verhogen. Dit fenomeen wordt gewoonlijk bipolaire degradatie genoemd.

Het is van oudsher een groot betrouwbaarheidsprobleem geweest voor apparaten zoals:

• PiN-diodes;
• bipolaire junctie-transistors;
• thyristoren;
• de lichaamsdiode van SiC MOSFET's.

Naarmate de stapelfout groter wordt, kan het effectieve geleidende oppervlak afnemen en kan de weerstand van het apparaat in de status stijgen.

Het apparaat kan in eerste instantie de elektrische tests doorstaan, maar na langdurige stroominjectie geleidelijk verminderde prestaties vertonen.

Impact op SiC MOSFET-lichaamsdiodes

Hoewel SiC-MOSFET's zijn geclassificeerd als unipolaire apparaten, geleiden hun intrinsieke lichaamsdiodes bipolaire stroom.

Wanneer de lichaamsdiode gedurende langere tijd werkt, kan BPD-gerelateerde stapelfoutuitbreiding voorwaartse spanningsdrift of verhoogde aan-weerstand veroorzaken.

Moderne apparaatstructuren en epitaxiale processen hebben dit risico aanzienlijk verminderd, maar BPD-dichtheid blijft een belangrijke overweging wanneer MOSFET-lichaamsdiode-werking wordt verwacht.

Lekkage- en betrouwbaarheidsrisico's

BPD's en bijbehorende stapelfouten kunnen de levensduur van lokale vervoerders, het recombinatiegedrag en de stroomstroom wijzigen.

Afhankelijk van hun positie en interactie met andere defecten kunnen ze bijdragen aan:

• lokale lekkage;
• instabiliteit van de voorwaartse spanning;
• huidige drukte;
• verminderde levensduur van minderheidsdragers;
• betrouwbaarheidsvariatie op lange termijn.

Een borderline-stoornis leidt niet noodzakelijkerwijs tot een onmiddellijk catastrofaal falen. De impact ervan hangt af van het apparaattype, de huidige omstandigheden, de epitaxiale structuur en of de dislocatie in het basale vlak blijft of wordt omgezet in een ander dislocatietype.

BPD-voortplanting van het substraat naar de epitaxiale laag

Tijdens epitaxiale groei van 4H-SiC kan een BPD die zijn oorsprong vindt in het substraat zich op twee manieren gedragen.

Het kan:

1. blijf zich voortplanten als een dislocatie van het basale vlak in de epilaag; of
2. omzetten in een dislocatie van de schroefdraadrand nabij het substraat-epilaag-grensvlak.

Omzetting in een dislocatie van de threading edge heeft gewoonlijk de voorkeur omdat het minder waarschijnlijk is dat een dislocatie van de threading edge een uitdijende stapelfout in het basale vlak genereert onder bipolaire stroom.

Studies naar 4H-SiC-epitaxie hebben waargenomen dat substraat-BPD's zich omzetten in dislocaties van de schroefdraadrand nabij het grensvlak. Het conversiegedrag wordt beïnvloed door stapstroomgroei en epitaxiale omstandigheden.

Belangrijke procesvariabelen kunnen zijn:

• substraat afgesneden hoek;
• C/Si-verhouding;
• epitaxiale groeisnelheid;
• oppervlaktestapstructuur;
• groeionderbrekingen;
• bufferlaag ontwerp.

Om deze reden kan de SiC-kwaliteit van apparaten niet alleen worden beoordeeld door het substraat te onderzoeken. Het substraat en de epitaxiale laag moeten worden beschouwd als een geïntegreerd materiaalsysteem.

Micropijpen versus dislocaties van het basaalvlak

Hoewel beide kristallografische defecten zijn, creëren micropijpen en BPD's verschillende apparaatrisico's.

In eenvoudige bewoordingen worden micropijpen vaak geassocieerd met onmiddellijk productieverlies, terwijl BPD's nauwer verband houden met operationele achteruitgang en betrouwbaarheid op de lange termijn.

Het werkelijke effect van elk defect hangt echter af van de locatie, de grootte, het omringende spanningsveld en de relatie tot de actieve apparaatstructuur.

Hoe micropipes en BPD's worden gedetecteerd

Geen enkele inspectiemethode biedt volledige informatie over elk SiC-defect. Fabrikanten combineren vaak meerdere technieken.

Gesmolten KOH-etsing

Bij het etsen met gesmolten kaliumhydroxide worden selectief dislocaties zichtbaar als etsputten op het SiC-oppervlak.

Micropijpen, dislocaties van draadschroeven, dislocaties van draadranden en dislocaties van het basale vlak kunnen etskenmerken met verschillende vormen en afmetingen produceren.

KOH-etsen is nuttig voor het meten en onderzoeken van de defectdichtheid, maar is destructief omdat het het waferoppervlak wijzigt. Een onderzoek naar geëtst 6H-SiC heeft aangetoond dat geoptimaliseerde omstandigheden voor gesmolten KOH micropijpen en meerdere soorten dislocaties kunnen onthullen.

Röntgentopografie

Röntgentopografie is een niet-destructieve techniek die roostervervorming veroorzaakt door kristallografische defecten in kaart brengt.

Het kan onthullen:

• dislocaties van het basale vlak;
• dislocaties van schroefdraadschroeven;
• dislocaties van de snijkant;
• stapelfouten;
• korrelgrenzen met een lage hoek.

Synchrotron-röntgentopografie levert bijzonder gedetailleerde defectbeelden op en wordt veel gebruikt in geavanceerd SiC-kristalonderzoek en analyse van defectmechanismen.

Beeldvorming met gepolariseerd licht en dubbele breking

Spanningsvelden rond dislocaties veranderen de optische respons van het kristal. Beeldvorming met gepolariseerd licht kan daarom worden gebruikt om dislocaties en restspanningspatronen niet-destructief te visualiseren.

Recent werk heeft observatie met gepolariseerd licht benadrukt als een snelle methode voor het visualiseren van defecten en geautomatiseerde inspectie van de waferkwaliteit.

Fotoluminescentie beeldvorming

Fotoluminescentiebeeldvorming wordt vaak gebruikt om epitaxiale SiC-lagen te inspecteren.

Het kan elektrisch actieve defecten detecteren en stapelfouten, BPD-gerelateerde kenmerken en andere epitaxiale onvolkomenheden helpen identificeren.

Er kunnen verschillende excitatiegolflengten worden geselecteerd om verschillende diepten of defecttypen te inspecteren.

Optische en infraroodinspectie

Omdat micropijpen holle kernen bevatten, kunnen sommige worden waargenomen met behulp van optische of infraroodtransmissiemethoden.

Geautomatiseerde optische inspectiesystemen kunnen worden gebruikt voor het in kaart brengen van defecten over de hele wafer, hoewel hun detectievermogen afhangt van de defectafmetingen, waferdikte en beeldcontrast.

In kaart brengen van elektrische apparaten

De laatste tests van het apparaat leveren aanvullend bewijs op van substraat- en epitaxiale defecteffecten.

Het correleren van defectkaarten met elektrische resultaten kan uitwijzen of een bepaald defect verband houdt met:

• omgekeerde lekkage;
• lage doorslagspanning;
• voorwaartse spanningsdrift;
• abnormale aan-weerstand;
• vroegtijdig falen van de betrouwbaarheid.

Waarom defectdichtheid niet de enige kwaliteitsindicator is

Een lagere totale dislocatiedichtheid is over het algemeen wenselijk, maar een enkel dichtheidsgetal beschrijft de substraatkwaliteit niet volledig.

Twee wafers met vergelijkbare totale defectdichtheden kunnen verschillende apparaatopbrengsten opleveren omdat de defecten verschillende typen en ruimtelijke verdelingen hebben.

Belangrijke overwegingen zijn onder meer:

• type defect;
• dichtheid van defectclusters;
• radiale distributie;
• randuitsluiting;
• bruikbare oppervlakte;
• aanwezigheid van grote defectvrije zones;
• correlatie tussen substraat- en epilaagdefecten;
• beoogde apparaatgrootte.

Een wafer die bedoeld is voor veel kleine apparaten kan een defectverdeling tolereren die onaanvaardbaar zou zijn voor een klein aantal grote hoogspanningschips.

Daarom moeten substraatspecificaties worden geëvalueerd in relatie tot de geplande apparaatarchitectuur en matrijsafmetingen.

Wat kopers van SiC-substraten moeten controleren

Bij de aanschaf van SiC-substraten voor epitaxie of apparaatfabricage moeten kopers niet alleen vertrouwen op diameter, dikte en doping.

De volgende defectgerelateerde informatie moet ook met de leverancier worden besproken.

Dichtheid van de micropijp

Vraag de maximale of typische microbuisdichtheid op en verduidelijk of de waarde geldt voor de volledige wafer, het bruikbare gebied of geselecteerde meetpunten.

Voor veeleisende toepassingen kan een micropijpvrije specificatie binnen het actieve gebied vereist zijn.

Dislocatiedichtheid van het basaalvlak

Vraag hoe de BPD-dichtheid wordt gemeten en of de gerapporteerde waarde betrekking heeft op het substraat, een epitaxiale laag of beide.

De meettechniek moet worden vermeld omdat etsen, röntgentopografie en optische methoden mogelijk geen direct uitwisselbare resultaten opleveren.

Threading-dislocatiedichtheid

BPD's moeten worden geëvalueerd samen met:

• dislocaties van schroefdraadschroeven;
• dislocaties van de snijkant;
• het inpassen van gemengde dislocaties.

De omzetting van BPS in threading-dislocaties tijdens epitaxie maakt deze gecombineerde beoordeling bijzonder belangrijk.

Defecte kaarten

Voor toepassingen met een hoge waarde kunt u een defectkaart op waferniveau aanvragen in plaats van alleen een gemiddelde dichtheid.

Een defectkaart maakt het gemakkelijker om clusters, randgerelateerde defecten en regio's die geschikt zijn voor matrijzen met een groot oppervlak te identificeren.

Epitaxiale compatibiliteit

Bevestig dat de substraatoriëntatie, de afsnijhoek, de oppervlakteafwerking en het defectniveau geschikt zijn voor het beoogde epitaxiale proces.

De voortplanting en omzetting van BPD's kan afhankelijk zijn van epitaxiale groeiomstandigheden, waaronder de C/Si-verhouding en de groeisnelheid.

Inspectienorm

De aankoopspecificatie moet het volgende definiëren:

• inspectiemethode;
• geïnspecteerd oppervlak;
• randuitsluiting;
• bemonsteringsfrequentie;
• acceptatiecriteria;
• rapportageformaat.

Zonder consistente inspectiecriteria kunnen de defectdichtheidscijfers van verschillende leveranciers moeilijk te vergelijken zijn.

Hoe SiC-fabrikanten deze defecten verminderen

Het verminderen van micropijpen en BPD's vereist controle tijdens de groei van de boule en de productie van wafels.

Belangrijke strategieën zijn onder meer:

• het verbeteren van de kwaliteit van de zaadkristallen;
• het stabiliseren van het PVT-thermische veld;
• het verminderen van radiale en axiale thermische gradiënten;
• het regelen van het kristalgroei-interface;
• het minimaliseren van thermo-elastische spanning;
• het optimaliseren van de koelomstandigheden;
• het beheersen van de vorming van kristalschouder;
• het verminderen van door machinale bewerking veroorzaakte restspanning;
• het optimaliseren van epitaxiale stapstroomgroei.

De reductie van micropijpen heeft enorm geprofiteerd van verbeterde groeitechnologie en zaadselectie.

De reductie van BPD blijft complexer omdat BPD's kunnen kiemen en zich kunnen vermenigvuldigen onder thermo-elastische stress tijdens de groei van de boule. Ze kunnen zich ook anders voortplanten, afhankelijk van de epitaxiale omstandigheden.

SiC-substraten selecteren voor verschillende toepassingen

De aanvaardbare defectspecificatie is afhankelijk van het eindgebruik.

Schottky-barrièrediodes

Microleidingen en andere defecten die de lekkage vergroten of de doorslagspanning verlagen, zijn van cruciaal belang.

Omdat Schottky-apparaten voornamelijk afhankelijk zijn van transport van meerderheidsdragers, is BPD-gerelateerde bipolaire degradatie over het algemeen minder direct dan bij PiN-diodes. Substraat- en epilaagdefecten kunnen echter nog steeds de opbrengst en betrouwbaarheid beïnvloeden.

SiC MOSFET's

Een lage microbuisdichtheid is noodzakelijk voor een hoog doorslagrendement.

BPD-regeling is ook belangrijk wanneer de intrinsieke lichaamsdiode zal geleiden tijdens de werking van de omvormer of tijdens het testen van de betrouwbaarheid.

PiN-diodes en bipolaire apparaten

BPD-dichtheid is vooral belangrijk omdat bipolaire stroominjectie stapelfoutuitbreiding en voorwaartse spanningsdegradatie kan veroorzaken.

Hoogspanningsapparaten voor grote oppervlakken

Grote matrijzen hebben een grotere kans om een ​​killer-defect te kruisen.

Deze toepassingen vereisen over het algemeen strengere defectspecificaties en een meer gedetailleerde mapping van de hele wafer.

Wafers voor onderzoek en procesontwikkeling

Substraten van test- of onderzoekskwaliteit kunnen hogere defectdichtheden tolereren als het doel het testen van apparatuur, procesontwikkeling of niet-kritisch materiaalonderzoek is.

De defectgraad moet echter nog steeds worden gedocumenteerd, zodat experimentele resultaten correct kunnen worden geïnterpreteerd.

Conclusie

Micropijpen en dislocaties van het basale vlak beïnvloeden de prestaties van het SiC-substraat via verschillende fysieke mechanismen.

Micropijpen zijn holle kerndefecten die ernstige lekkage, voortijdige defecten en onmiddellijk verlies aan matrijsopbrengst kunnen veroorzaken. Basale vlakdislocaties zijn planaire kristallografische defecten die zich kunnen voortplanten in de epitaxiale laag of stapelfoutexpansie kunnen initiëren onder bipolaire stroom.

Voor SiC-vermogensapparaten moet de substraatkwaliteit daarom worden geëvalueerd met behulp van meer dan een algemene specificatie van de defectdichtheid. Kopers moeten rekening houden met het type defect, de ruimtelijke verdeling, de inspectiemethode, het epitaxiale gedrag en de gevoeligheid van de beoogde apparaatstructuur.

Naarmate de productie van SiC-wafels blijft verbeteren, helpen een lagere micropijpdichtheid en een beter BPD-beheer apparaatfabrikanten een hoger rendement, stabielere elektrische prestaties en een langere bedrijfsbetrouwbaarheid te bereiken.

Veelgestelde vragen

Zijn micropijpjes nog steeds gebruikelijk in commerciële SiC-wafels?

De microbuisdichtheden in moderne commerciële SiC-substraten zijn veel lager dan die in eerdere materiaalgeneraties. Toch blijft inspectie belangrijk omdat één enkele micropijp een groot hoogspanningsapparaat kan aantasten.

Is een dislocatie van het basaalvlak altijd een dodelijk defect?

Niet noodzakelijkerwijs. Het effect ervan hangt af van de vraag of het zich voortplant naar de actieve epilaag, wordt omgezet in een threading-dislocatie of de uitbreiding van stapelfouten tijdens bedrijf bevordert.

Waarom zijn BPD's bijzonder belangrijk voor bipolaire SiC-apparaten?

Bipolaire stroominjectie kan de uitbreiding van stapelfouten die afkomstig zijn van BPD's stimuleren. Dit kan de voorwaartse spanning verhogen en de prestaties van het apparaat in de loop van de tijd verslechteren.

Kunnen BPD's worden verwijderd tijdens epitaxiale groei?

Sommige substraat-BPD's kunnen worden omgezet in dislocaties van de schroefdraadrand nabij het substraat-epilaag-grensvlak. Epitaxiale procesoptimalisatie kan de conversie verhogen, maar elimineert niet fysiek elk kristallografisch defect.

Welke methode is het beste voor het inspecteren van SiC-dislocaties?

De juiste methode is afhankelijk van de wafer en de toepassing. Röntgentopografie biedt gedetailleerde niet-destructieve defectkartering, KOH-etsen levert duidelijke dislocatie-etsputten op en fotoluminescentie wordt veel gebruikt voor inspectie van epitaxiale lagen.

Welke informatie moet worden opgenomen in een SiC-substraatonderzoek?

Een volledig onderzoek moet de wafeldiameter, het polytype, het geleidbaarheidstype, de doping, de oriëntatie, de afsnijhoek, de dikte, het polijsten, de oppervlakteruwheid, de dichtheid van de micropijp, de dislocatievereisten, de randuitsluiting, de inspectiemethode, de hoeveelheid en de beoogde toepassing specificeren.