Substratos de carboneto de silício são amplamente utilizados na fabricação de dispositivos de energia projetados para operar em alta tensão, alta temperatura e alta frequência de comutação. No entanto, as vantagens elétricas do SiC só podem ser plenamente realizadas quando o substrato e as camadas epitaxiais têm densidades de defeitos cristalográficos suficientemente baixas.

Entre os defeitos associados ao crescimento de cristais de SiC, os microtubos e as luxações do plano basal são particularmente importantes. Embora sejam muito diferentes em estrutura e comportamento, ambos podem reduzir o rendimento do dispositivo, afetar o desempenho elétrico e criar riscos de confiabilidade a longo prazo.

A compreensão desses defeitos ajuda os fabricantes de dispositivos, fornecedores de epitaxia e compradores de substratos a avaliar se umBolacha de SiC é adequado para diodos Schottky, MOSFETs, dispositivos bipolares e outras aplicações exigentes de semicondutores.

O que é um microtubo em um cristal SiC?

Um microtubo é um defeito cristalográfico de núcleo oco que comumente se desenvolve em torno de um deslocamento de parafuso com um grande vetor de Burgers. Em vez de formar um núcleo de discordância fechado em escala atômica, o cristal contém um canal estreito e oco que se estende por parte ou por toda a bola de SiC.

O defeito geralmente cresce aproximadamente ao longo do eixo c cristalográfico e pode cruzar a superfície polida do wafer.

Como um microtubo tem um núcleo oco, ele é mais severo do que um deslocamento de rosca comum. Ele cria uma região local onde a estrutura cristalina e as propriedades elétricas são substancialmente perturbadas.

Os microtubos já estiveram entre as principais limitações que afetavam os substratos comerciais de SiC. Melhorias no crescimento do transporte físico de vapor, na qualidade das sementes e no controle do campo térmico reduziram significativamente as densidades de microtubos em wafers comerciais modernos. No entanto, a inspeção de microtubos continua importante para dispositivos de alta tensão e grandes áreas, porque mesmo um pequeno número de defeitos matadores pode reduzir o rendimento de fabricação.

Como os microtubos afetam o desempenho do dispositivo SiC

Os microtubos podem afetar um dispositivo de diversas maneiras.

Avaria Elétrica Prematura

Um microtubo perturba a distribuição do campo elétrico dentro do dispositivo. Quando uma alta tensão reversa é aplicada, o campo elétrico pode concentrar-se ao redor do defeito.

Este aprimoramento de campo local pode causar a falha do dispositivo em uma tensão substancialmente abaixo da classificação pretendida.

O efeito é especialmente sério em dispositivos de alta tensão porque a área ativa do dispositivo é maior e a probabilidade de encontrar um defeito crítico no substrato aumenta.

Aumento da corrente de fuga

O núcleo oco e a distorção da rede circundante podem criar caminhos de vazamento através do substrato e da estrutura epitaxial.

Dispositivos localizados próximos a microtubos podem, portanto, apresentar elevada corrente de fuga reversa, características de bloqueio instáveis ​​ou falha durante a triagem elétrica.

Rendimento reduzido de wafer

Um microtubo pode afetar toda a estrutura vertical do dispositivo acima da sua posição. Qualquer matriz fabricada diretamente sobre o defeito pode precisar ser rejeitada.

Para dispositivos de grandes áreas, um único microtubo pode inutilizar toda a matriz. Portanto, reduzir a densidade dos microtubos é essencial para melhorar a área utilizável do dispositivo e reduzir o custo de fabricação.

Propagação de defeitos epitaxiais

Defeitos em um substrato de SiC podem se propagar em uma camada homoepitaxial cultivada no wafer. Os defeitos do substrato relacionados ao parafuso podem, portanto, influenciar a morfologia e a qualidade cristalina da epicamada crescida.

A pesquisa sobre a epitaxia do SiC mostrou que os deslocamentos do substrato podem replicar-se ou transformar-se à medida que a camada epitaxial cresce, razão pela qual a qualidade do defeito do substrato permanece relevante mesmo após a deposição epitaxial.

O que é uma luxação do plano basal?

Uma luxação do plano basal, comumente abreviada como BPD, é uma luxação que se encontra principalmente dentro do plano basal do cristal hexagonal de SiC.

No 4H-SiC, o plano basal corresponde ao plano cristalográfico perpendicular ao eixo c. Ao contrário dos deslocamentos roscados, que se estendem aproximadamente pela espessura do wafer, os BPDs podem viajar lateralmente através do cristal.

Os BPDs podem se originar durante o crescimento do cristal no transporte físico de vapor devido ao estresse térmico, distribuição de temperatura não uniforme ou relaxamento de deformação. A pesquisa indica que a tensão termoelástica no cristal em crescimento pode promover a nucleação e multiplicação de BPDs, particularmente quando a tensão de cisalhamento resolvida ao longo do plano basal se torna suficientemente alta.

Eles também podem estar associados ao estresse introduzido durante o resfriamento, corte, moagem ou outras etapas de processamento de wafer.

Como as luxações do plano basal afetam o desempenho do SiC

Os BPDs são especialmente importantes porque podem afetar dispositivos SiC bipolares e unipolares.

Formação de Falhas de Empilhamento

Um dos riscos mais significativos associados a uma luxação do plano basal é a sua capacidade de atuar como fonte de expansão de falhas de empilhamento.

Quando a corrente bipolar flui através de um dispositivo SiC, a recombinação elétron-buraco perto de um BPD pode fornecer energia que permite que uma falha de empilhamento se expanda através da camada epitaxial.

A falha de empilhamento ampliada altera a estrutura eletrônica local e cria uma região com transporte de transportadores degradado.

Degradação Bipolar

A expansão de falha de empilhamento pode aumentar a tensão direta de um dispositivo SiC bipolar durante a operação. Este fenômeno é comumente chamado de degradação bipolar.

Historicamente, tem sido uma grande preocupação de confiabilidade para dispositivos como:

• Diodos PiN;
• transistores de junção bipolar;
• tiristores;
• o diodo corporal dos MOSFETs SiC.

À medida que a falha de empilhamento se expande, a área condutora efetiva pode diminuir e a resistência do dispositivo no estado ligado pode aumentar.

O dispositivo pode inicialmente passar no teste elétrico, mas gradualmente apresentar desempenho degradado após injeção prolongada de corrente.

Impacto nos diodos corporais SiC MOSFET

Embora os MOSFETs de SiC sejam classificados como dispositivos unipolares, seus diodos intrínsecos ao corpo conduzem corrente bipolar.

Quando o diodo do corpo opera por um período prolongado, a expansão da falha de empilhamento relacionada ao BPD pode causar desvio de tensão direta ou aumento da resistência ligada.

As estruturas modernas dos dispositivos e os processos epitaxiais reduziram significativamente este risco, mas a densidade BPD continua a ser uma consideração importante quando se espera a operação do diodo corporal MOSFET.

Riscos de vazamento e confiabilidade

BPDs e falhas de empilhamento associadas podem modificar a vida útil da portadora local, o comportamento de recombinação e o fluxo de corrente.

Dependendo da sua posição e interação com outros defeitos, podem contribuir para:

• vazamento local;
• instabilidade de tensão direta;
• lotação atual;
• vida degradada dos portadores minoritários;
• variação de confiabilidade de longo prazo.

Um BPD não causa necessariamente uma falha catastrófica imediata. Seu impacto depende do tipo de dispositivo, das condições atuais, da estrutura epitaxial e se a luxação permanece no plano basal ou se converte em outro tipo de luxação.

Propagação de BPD do substrato para a camada epitaxial

Durante o crescimento epitaxial do 4H-SiC, um BPD originado no substrato pode se comportar de duas maneiras principais.

Pode:

1. continue se propagando como um deslocamento do plano basal na epicamada; ou
2. converta em um deslocamento de borda rosqueada próximo à interface substrato-epilada.

A conversão em um deslocamento de borda rosqueada é geralmente preferida porque é menos provável que um deslocamento de borda rosqueada gere uma falha de empilhamento do plano basal em expansão sob corrente bipolar.

Estudos de epitaxia 4H-SiC observaram BPDs de substrato convertendo-se em deslocamentos de borda rosqueada perto da interface. O comportamento de conversão é influenciado pelo crescimento do fluxo escalonado e pelas condições epitaxiais.

Variáveis ​​de processo importantes podem incluir:

• ângulo de corte do substrato;
• relação C/Si;
• taxa de crescimento epitaxial;
• estrutura de degrau de superfície;
• interrupções de crescimento;
• projeto de camada tampão.

Por esta razão, a qualidade do SiC de nível de dispositivo não pode ser avaliada apenas pelo exame do substrato. O substrato e a camada epitaxial devem ser considerados como um sistema de material integrado.

Microtubos vs Luxações do Plano Basal

Embora ambos sejam defeitos cristalográficos, microtubos e BPDs criam riscos diferentes para os dispositivos.

Em termos simples, os microtubos estão frequentemente associados à perda imediata de rendimento de fabricação, enquanto os BPDs estão mais intimamente associados à degradação operacional e à confiabilidade a longo prazo.

No entanto, o efeito real de qualquer defeito depende da sua localização, tamanho, campo de tensão circundante e relação com a estrutura ativa do dispositivo.

Como Micropipes e BPDs são detectados

Nenhum método de inspeção fornece informações completas sobre todos os defeitos do SiC. Os fabricantes costumam combinar várias técnicas.

Gravura KOH Fundida

A gravação com hidróxido de potássio fundido revela seletivamente deslocamentos como poços de gravação na superfície do SiC.

Microtubos, luxações de parafuso rosqueado, luxações de borda rosqueada e luxações do plano basal podem produzir características de gravação com diferentes formas e tamanhos.

A gravação com KOH é útil para medição e pesquisa de densidade de defeitos, mas é destrutiva porque modifica a superfície do wafer. Um estudo de 6H-SiC gravado demonstrou que condições otimizadas de KOH fundido podem revelar microtubos e vários tipos de deslocamento.

Topografia de Raios X

A topografia de raios X é uma técnica não destrutiva que mapeia a distorção da rede causada por defeitos cristalográficos.

Pode revelar:

• luxações do plano basal;
• deslocamentos de parafusos de rosqueamento;
• rosqueamento de deslocamentos de borda;
• falhas de empilhamento;
• limites de grão de baixo ângulo.

A topografia de raios X síncrotron fornece imagens de defeitos particularmente detalhadas e é amplamente utilizada em pesquisas avançadas de cristais de SiC e análise de mecanismos de defeitos.

Imagens de luz polarizada e birrefringência

Os campos de tensão ao redor das discordâncias alteram a resposta óptica do cristal. A imagem de luz polarizada pode, portanto, ser usada para visualizar deslocamentos e padrões de tensão residual de forma não destrutiva.

Trabalhos recentes destacaram a observação de luz polarizada como um método rápido para visualização de defeitos e inspeção automatizada da qualidade do wafer.

Imagem de fotoluminescência

A imagem por fotoluminescência é freqüentemente usada para inspecionar camadas epitaxiais de SiC.

Ele pode detectar defeitos eletricamente ativos e ajudar a identificar falhas de empilhamento, características relacionadas ao BPD e outras imperfeições epitaxiais.

Diferentes comprimentos de onda de excitação podem ser selecionados para inspecionar diferentes profundidades ou tipos de defeitos.

Inspeção óptica e infravermelha

Como os microtubos contêm núcleos ocos, alguns podem ser observados usando métodos de transmissão óptica ou infravermelha.

Sistemas automatizados de inspeção óptica podem ser usados ​​para mapeamento de defeitos de wafer inteiro, embora sua capacidade de detecção dependa das dimensões do defeito, da espessura do wafer e do contraste da imagem.

Mapeamento de dispositivos elétricos

O teste final do dispositivo fornece evidências adicionais dos efeitos do substrato e do defeito epitaxial.

A correlação de mapas de defeitos com resultados elétricos pode revelar se um defeito específico está associado a:

• vazamento reverso;
• baixa tensão de ruptura;
• desvio de tensão direta;
• resistência anormal;
• falha precoce de confiabilidade.

Por que a densidade de defeitos não é o único indicador de qualidade

Uma densidade total de discordâncias mais baixa é geralmente desejável, mas um único número de densidade não descreve completamente a qualidade do substrato.

Dois wafers com densidades gerais de defeitos semelhantes podem fornecer rendimentos de dispositivos diferentes porque os defeitos têm tipos e distribuições espaciais diferentes.

Considerações importantes incluem:

• tipo de defeito;
• densidade de cluster de defeitos;
• distribuição radial;
• exclusão de borda;
• área útil;
• presença de grandes zonas livres de defeitos;
• correlação entre defeitos do substrato e da epicamada;
• tamanho pretendido do dispositivo.

Um wafer destinado a muitos dispositivos pequenos pode tolerar uma distribuição de defeitos que seria inaceitável para um pequeno número de grandes matrizes de alta tensão.

Portanto, as especificações do substrato devem ser avaliadas em relação à arquitetura planejada do dispositivo e às dimensões da matriz.

O que os compradores de substrato de SiC devem verificar

Ao adquirir substratos de SiC para epitaxia ou fabricação de dispositivos, os compradores não devem confiar apenas no diâmetro, espessura e dopagem.

As seguintes informações relacionadas ao defeito também devem ser discutidas com o fornecedor.

Densidade do Microtubo

Solicite a densidade máxima ou típica do microtubo e esclareça se o valor se aplica ao wafer completo, à área útil ou aos pontos de medição selecionados.

Para aplicações exigentes, pode ser necessária uma especificação sem microtubos dentro da área ativa.

Densidade de deslocamento do plano basal

Pergunte como a densidade do BPD é medida e se o valor relatado se refere ao substrato, a uma camada epitaxial ou a ambos.

A técnica de medição deve ser indicada porque a corrosão, a topografia de raios X e os métodos ópticos podem não produzir resultados diretamente intercambiáveis.

Densidade de deslocamento de rosqueamento

Os BPDs devem ser avaliados em conjunto com:

• deslocamentos de parafusos de rosqueamento;
• rosqueamento de deslocamentos de borda;
• rosqueando luxações mistas.

A conversão de BPDs em luxações rosqueadas durante a epitaxia torna esta avaliação combinada particularmente importante.

Mapas de Defeitos

Para aplicações de alto valor, solicite um mapa de defeitos no nível do wafer, em vez de apenas uma densidade média.

Um mapa de defeitos facilita a identificação de clusters, defeitos relacionados às bordas e regiões adequadas para matrizes de grandes áreas.

Compatibilidade Epitaxial

Confirme se a orientação do substrato, o ângulo de corte, o acabamento superficial e o nível do defeito são adequados para o processo epitaxial pretendido.

A propagação e conversão de BPDs podem depender das condições de crescimento epitaxial, incluindo a relação C/Si e a taxa de crescimento.

Padrão de inspeção

A especificação de compra deve definir:

• método de inspeção;
• superfície inspecionada;
• exclusão de borda;
• frequência de amostragem;
• critérios de aceitação;
• formato de relatório.

Sem critérios de inspeção consistentes, pode ser difícil comparar os números de densidade de defeitos de diferentes fornecedores.

Como os fabricantes de SiC reduzem esses defeitos

A redução de microtubos e BPDs requer controle durante todo o crescimento de boules e fabricação de wafers.

Estratégias importantes incluem:

• melhorando a qualidade do cristal-semente;
• estabilização do campo térmico PVT;
• redução dos gradientes térmicos radiais e axiais;
• controlar a interface de crescimento de cristal;
• minimizando o estresse termoelástico;
• otimizar as condições de resfriamento;
• controlar a formação de ombros de cristal;
• reduzindo a tensão residual induzida pela usinagem;
• otimizando o crescimento do fluxo escalonado epitaxial.

A redução de microtubos beneficiou-se enormemente da melhoria da tecnologia de crescimento e da seleção de sementes.

A redução do BPD permanece mais complexa porque os BPDs podem nuclear e multiplicar-se sob estresse termoelástico durante o crescimento do boule. Eles também podem se propagar de forma diferente dependendo das condições epitaxiais.

Seleção de substratos de SiC para diferentes aplicações

A especificação de defeito aceitável depende do uso final.

Diodos de barreira Schottky

Microtubos e outros defeitos que aumentam o vazamento ou diminuem a tensão de ruptura são críticos.

Como os dispositivos Schottky dependem principalmente do transporte de portadores majoritários, a degradação bipolar relacionada ao BPD é geralmente menos direta do que nos diodos PiN. No entanto, defeitos no substrato e na epicamada ainda podem afetar o rendimento e a confiabilidade.

MOSFETs de SiC

A baixa densidade do microtubo é necessária para um alto rendimento de decomposição.

O controle BPD também é importante quando o diodo intrínseco do corpo conduzirá durante a operação do conversor ou testes de confiabilidade.

Diodos PiN e dispositivos bipolares

A densidade BPD é especialmente importante porque a injeção de corrente bipolar pode desencadear a expansão da falha de empilhamento e a degradação da tensão direta.

Dispositivos de alta tensão para grandes áreas

Matrizes grandes têm maior probabilidade de cruzar um defeito assassino.

Essas aplicações geralmente exigem especificações de defeitos mais rigorosas e mapeamento mais detalhado do wafer inteiro.

Wafers de pesquisa e desenvolvimento de processos

Substratos de grau de teste ou de pesquisa podem tolerar densidades de defeitos mais altas quando o objetivo é testar equipamentos, desenvolvimento de processos ou pesquisa de materiais não críticos.

No entanto, o grau do defeito ainda deve ser documentado para que os resultados experimentais possam ser interpretados corretamente.

Conclusão

Microtubos e deslocamentos do plano basal afetam o desempenho do substrato SiC através de diferentes mecanismos físicos.

Microtubos são defeitos de núcleo oco que podem criar vazamentos graves, quebra prematura e perda imediata de rendimento da matriz. As luxações do plano basal são defeitos cristalográficos planares que podem se propagar para a camada epitaxial ou iniciar a expansão da falha de empilhamento sob corrente bipolar.

Para dispositivos de energia SiC, a qualidade do substrato deve, portanto, ser avaliada usando mais do que uma especificação geral de densidade de defeitos. Os compradores devem considerar o tipo de defeito, a distribuição espacial, o método de inspeção, o comportamento epitaxial e a sensibilidade da estrutura do dispositivo pretendido.

À medida que a fabricação de wafers de SiC continua a melhorar, a menor densidade de microtubos e um melhor gerenciamento de BPD estão ajudando os fabricantes de dispositivos a obter maior rendimento, desempenho elétrico mais estável e maior confiabilidade operacional.

Perguntas frequentes

Os microtubos ainda são comuns em wafers comerciais de SiC?

As densidades de microtubos em substratos comerciais modernos de SiC são muito mais baixas do que aquelas nas gerações anteriores de material. No entanto, a inspeção continua importante porque um único microtubo pode afetar um grande dispositivo de alta tensão.

Uma luxação do plano basal é sempre um defeito fatal?

Não necessariamente. Seu efeito depende se ele se propaga para a epicamada ativa, se converte em um deslocamento de rosca ou promove expansão por falha de empilhamento durante a operação.

Por que os BPDs são particularmente importantes para dispositivos bipolares de SiC?

A injeção de corrente bipolar pode estimular a expansão de falhas de empilhamento originadas de BPDs. Isso pode aumentar a tensão direta e degradar o desempenho do dispositivo ao longo do tempo.

Os BPDs podem ser removidos durante o crescimento epitaxial?

Alguns BPDs de substrato podem ser convertidos em deslocamentos de borda rosqueada próximos à interface substrato-epilada. A otimização do processo epitaxial pode aumentar a taxa de conversão, mas não elimina fisicamente todos os defeitos cristalográficos.

Qual método é melhor para inspecionar discordâncias de SiC?

O método apropriado depende do wafer e da aplicação. A topografia de raios X fornece mapeamento detalhado de defeitos não destrutivos, a gravação KOH fornece poços de gravação de deslocamento claros e a fotoluminescência é amplamente utilizada para inspeção da camada epitaxial.

Que informações devem ser incluídas em uma consulta sobre substrato de SiC?

Uma consulta completa deve especificar o diâmetro do wafer, politipo, tipo de condutividade, dopagem, orientação, ângulo de corte, espessura, polimento, rugosidade superficial, densidade do microtubo, requisitos de deslocamento, exclusão de borda, método de inspeção, quantidade e aplicação pretendida.