Silikon karbid substratları, yüksek voltajda, yüksek sıcaklıkta ve yüksek anahtarlama frekansında çalışmak için tasarlanmış güç cihazlarının üretimi için yaygın olarak kullanılır.SiC'nin elektrik avantajları yalnızca substrat ve epitaksiyel katmanların yeterince düşük kristallografik kusur yoğunluklarına sahip olduklarında tam olarak gerçekleştirilebilir..

SiC kristal büyümesiyle ilişkili kusurlar arasında, mikropipler ve bazal düzlem çıkışları özellikle önemlidir.İkisi de cihaz verimini azaltabilir., elektrik performansını etkiler ve uzun vadeli güvenilirlik riskleri yaratır.

Bu kusurları anlamak, cihaz üreticilerinin, epitaksi tedarikçilerinin ve substrat alıcılarının bir cihazınSiC plakaları Schottky diyotları, MOSFET'ler, bipolar cihazlar ve diğer zorlu yarı iletken uygulamaları için uygundur.

SiC Kristalinde Mikropip Nedir?

Mikropip, atomik ölçekte kapalı bir dislokasyon çekirdeği oluşturmak yerine, büyük bir Burgers vektörü olan bir vida çıkışının etrafında yaygın olarak gelişen boş çekirdekli bir kristallografik hatadır.Kristal, SiC topunun tamamının veya bir kısmının içinden uzanan dar bir içi boş kanal içerir..

Kusur genellikle yaklaşık olarak kristallografik c ekseninin boyunca büyür ve cilalanmış wafer yüzeyini kesiyor olabilir.

Bir mikro borunun aslında boş bir çekirdeği olduğu için, sıradan bir iplik çıkmasından daha şiddetlidir.Kristal yapısının ve elektrik özelliklerinin önemli ölçüde bozulduğu yerel bir bölge yaratır..

Mikropipler bir zamanlar ticari SiC substratlarını etkileyen birincil sınırlamalardan biriydi.Tohum kalitesi ve ısı alanı kontrolü, modern ticari levhalarda mikro boru yoğunluklarını önemli ölçüde azalttıBununla birlikte, mikro boru denetimi yüksek voltajlı ve büyük alanlı cihazlar için önemli olmaya devam ediyor, çünkü küçük sayıda ölümcül kusur bile üretim verimini azaltabilir.

Mikropiplerin SiC cihazının performansını nasıl etkilediği

Mikropipler bir cihazı çeşitli şekillerde etkileyebilir.

Erken Elektrik Bozukluğu

Mikropip, cihazın içindeki elektrik alanının dağılımını bozar. Yüksek ters voltaj uygulandığında, elektrik alanı kusurun etrafında yoğunlaşabilir.

Bu yerel alan artışı, cihazın amaçlanan derecelendirilmesinin çok altında bir voltajda bozulmasına neden olabilir.

Etki, özellikle yüksek gerilimli cihazlarda ciddi bir hal alır, çünkü aktif cihaz alanı daha büyüktür ve kritik bir substrat kusuru ile karşılaşma olasılığı artar.

Artan Sızıntı Akımı

Çürük çekirdek ve çevresindeki ızgara bozulması, substrat ve epitaksyal yapıda sızıntı yolları oluşturabilir.

Bu nedenle, mikro boruların yakınında bulunan cihazlar yüksek ters sızıntı akımı, kararsız engelleme özellikleri veya elektrik taraması sırasında arıza gösterebilir.

Düşük Wafer Üretimi

Bir mikro boru, konumunun üzerindeki tüm dikey cihaz yapısını etkileyebilir.

Büyük alanlı cihazlar için, tek bir mikro boru tüm ölçeği kullanılamaz hale getirebilir. Bu nedenle, kullanılabilir cihaz alanını iyileştirmek ve üretim maliyetini düşürmek için mikro boru yoğunluğunu azaltmak gereklidir.

Epitaxial Defect Yayılımı

Bir SiC substratındaki kusurlar, wafer üzerinde yetiştirilen bir homoepitaxial tabakaya yayılabilir.Bu nedenle, vida ile ilgili substrat kusurları, örtülmüş epilayer'ın morfolojisini ve kristal kalitesini etkileyebilir..

SiC epitaksi üzerine yapılan araştırmalar, substrat çıkışlarının, epitaksi katman büyüdükçe çoğalabileceğini veya dönüştüğünü göstermiştir.Bu nedenle substrat kusuru kalitesi, epitaksyal çöküntüsünden sonra bile önemlidir..

Bazal düzlemin çıkması nedir?

Genellikle BPD olarak kısaltılan bazal düzlem çıkması, esas olarak altıgen SiC kristalinin bazal düzleminde bulunan bir çıkıştır.

4H-SiC'de, baz düzlem c eksenine dik olan kristallografik düzleme karşılık gelir.BPD'ler kristalden yan tarafa seyahat edebilir..

BPD'ler, termal stres, eşit olmayan sıcaklık dağılımı veya gerginlik gevşeme nedeniyle fiziksel buhar taşımacılığı kristal büyümesi sırasında ortaya çıkabilir.Araştırmalar, büyüyen kristaldeki termoelastik stresin BPD'lerin nükleerleşmesini ve çoğalmasını destekleyebileceğini göstermektedir, özellikle baz düzlem boyunca çözülen kesme gerginliği yeterince yüksek olduğunda.

Ayrıca soğutma, dilimleme, öğütme veya diğer wafer işleme aşamalarında ortaya çıkan stresle de ilişkilendirilebilirler.

Bazal düzlem dislokasyonlarının SiC performansını nasıl etkilediği

BPD'ler özellikle önemlidir çünkü hem bipolar hem de tek kutupsal SiC cihazlarını etkileyebilirler.

Yükleme Hatalarının Oluşumu

Bazal düzlem çıkması ile ilişkili en önemli risklerden biri, yığma hatası genişlemesi kaynağı olarak hareket etme yeteneğidir.

Bipolar akım bir SiC cihazından geçerken, bir BPD yakınında elektron deliği rekombinasyonu, bir yığma hatasının epitaksiyel katman boyunca genişlemesine izin veren enerji sağlayabilir.

Genişletilmiş yığma hatası yerel elektronik yapıyı değiştirir ve bozulmuş taşıyıcı taşımacılığı olan bir bölge yaratır.

Bipolar Bozulma

Yükleme hatası genişlemesi, bir bipolar SiC cihazının çalışma sırasında ileri voltajını artırabilir.

Tarihsel olarak, aşağıdaki gibi cihazlar için önemli bir güvenilirlik sorunu olmuştur:

• PiN diyotları;
• Bipolar bağlantı transistörleri;
• Tiristörler;
• SiC MOSFET'lerin gövde diodesini.

Yükleme hatası genişledikçe, etkili iletken alan azalır ve cihazın açık durum direnci artabilir.

Aygıt başlangıçta elektrik testini geçebilir, ancak uzun süreli akım enjeksiyonu sonrasında yavaş yavaş performansın bozulmasını gösterebilir.

SiC MOSFET vücut diyotlarına etkisi

SiC MOSFET'ler tek kutuplu cihazlar olarak sınıflandırılsa da, içsel vücut diyotları bipolar akım iletiyor.

Vücut diodunun uzun süre çalışması durumunda, BPD ile ilişkili yığma hatası genişlemesi ileri gerilim akışına veya artan yan direncine neden olabilir.

Modern cihaz yapıları ve epitaksiyel işlemler bu riski önemli ölçüde azalttı, ancak MOSFET vücut-diyot işlevi beklendiğinde BPD yoğunluğu önemli bir husus olarak kalmaktadır.

Sızıntı ve Güvenilirlik Riskleri

BPD'ler ve ilgili yığma hataları yerel taşıyıcı ömrünü, rekombinasyon davranışını ve akım akışını değiştirebilir.

Konumlarına ve diğer kusurlar ile etkileşimlerine bağlı olarak şunlara katkıda bulunabilirler:

• Yerel sızıntı;
• ileri gerilim dengesizliği;
• Mevcut kalabalık;
• azınlık taşıyıcı ömrü bozulmuş;
• Uzun vadeli güvenilirlik değişimi.

Bir BPD mutlaka acil bir felaketle sonuçlanmaz.epitaksyal yapı ve çıkışın baz düzleminde kalıp kalmadığı veya başka bir çıkış tipine dönüştüğü.

BPD Substrattan Epitaxial Katmana yayılma

4H-SiC epitaksiyel büyüme sırasında, altta bulunan bir BPD iki ana şekilde davranabilir.

Aşağıdakiler olabilir:

1. epi katmanındaki baz düzleminde bir çıkış olarak çoğalmaya devam etmek veya
2. Substrat-epilayer arayüzünün yakınında bir sıvı kenarı çıkışına dönüştürür.

Yünleme kenarının çıkması genellikle tercih edilir, çünkü bir yünleme kenarının çıkması bipolar akım altında genişleyen bazal düzlemde yığılma hatası oluşturma olasılığı daha azdır.

4H-SiC epitaksi çalışmalarında, altyapı BPD'lerinin arayüzün yakınında iplik kenarının çıkışlarına dönüştüğünü gözlemlemiştir.Dönüşüm davranışı adım akış büyüme ve epitaksiyal koşullar tarafından etkilenir.

Önemli süreç değişkenleri şunları içerebilir:

• Substrat kesim açısı;
• C/Si oranı;
• epitaksyal büyüme oranı;
• yüzey basamak yapısı;
• büyüme kesintileri;
• tampon katman tasarımı.

Bu nedenle, cihaz derecesindeki SiC kalitesi yalnızca substratı incelemekle değerlendirilemez.

Mikropipler vs Bazal düzlem dislokasyonları

Her ikisi de kristalografik kusurlar olmasına rağmen, mikro borular ve BPD'ler farklı cihaz riskleri yaratır.

Basit terimlerle, mikro borular genellikle anında üretim verim kaybı ile ilişkilidirken, BPD'ler operasyonel bozulma ve uzun vadeli güvenilirlikle daha yakından ilişkilidir.

Bununla birlikte, herhangi bir kusurun gerçek etkisi, konumuna, boyutuna, çevresindeki stres alanına ve aktif cihaz yapısına ilişkisine bağlıdır.

Mikropipler ve BPD'ler Nasıl tespit edilir?

Tek bir denetim yöntemi, tüm SiC kusurları hakkında tam bilgi vermez.

Erimiş KOH kazım

Erimiş potasyum hidroksit kazımı, SiC yüzeyinde kazım çukurları olarak dislokasyonları seçici olarak ortaya çıkarır.

Mikropipler, ipliklenme vida çıkışları, ipliklenme kenar çıkışları ve bazal düzlem çıkışları farklı şekiller ve boyutlarda kazım özellikleri üretebilir.

KOH kazımı, kusur yoğunluğunu ölçmek ve araştırmak için yararlıdır, ancak wafer yüzeyini değiştirdiği için yıkıcıdır.Çizilmiş 6H-SiC'nin bir çalışması, optimize edilmiş erimiş-KOH koşullarının mikro borular ve birden fazla yer değiştirme türlerini ortaya çıkarabileceğini gösterdi.

X-ışını topografisi

X-ışını topografisi, kristallografik kusurların neden olduğu ızgara bozulmasını haritalandıran yıkıcı olmayan bir tekniktir.

Aşağıdakileri ortaya çıkarabilir:

• Bazal düzlemde dislokasyonlar;
• Döşeme vidalarının çıkması;
• Fişleme kenarının çıkması;
• yığma hataları;
• Düşük açılı tahıl sınırları.

Sinkrotron X-ışını topografisi özellikle ayrıntılı kusur görüntüleri sağlar ve gelişmiş SiC kristal araştırmasında ve kusur mekanizması analizinde yaygın olarak kullanılır.

Polarize Işık ve Birefringence Görüntüleme

Çıkışların çevresindeki stres alanları kristalin optik tepkisini değiştirir. Bu nedenle, polarize ışık görüntülemesi, çıkışları ve kalıntı stres kalıplarını yıkıcı olmayan bir şekilde görselleştirmek için kullanılabilir.

Yakın zamanda yapılan çalışmalar, polarize ışık gözlemini, kusur görselleştirme ve otomatik wafer kalitesi denetimi için hızlı bir yöntem olarak vurguladı.

Fotoluminesans Görüntüleme

SiC epitaksyal katmanlarını incelemek için sıklıkla fotoluminesans görüntüleme kullanılır.

Elektriksel olarak aktif kusurları tespit edebilir ve yığma hatalarını, BPD ile ilgili özellikleri ve diğer epitaksyal kusurları tanımlamaya yardımcı olabilir.

Farklı derinlikleri veya kusur türlerini incelemek için farklı uyarılma dalga boyları seçilebilir.

Optik ve Kızılötesi Denetim

Mikropipler içi boş çekirdekler içerdiği için, bazıları optik veya kızılötesi iletim yöntemleri kullanarak gözlemlenebilir.

Otomatik optik denetim sistemleri, tüm wafer kusurlarının haritalaması için kullanılabilir, ancak tespit yetenekleri kusur boyutlarına, wafer kalınlığına ve görüntü kontrastına bağlıdır.

Elektrikli Cihaz Haritası

Son cihaz testi, substrat ve epitaksyal kusur etkilerinin ek kanıtlarını sağlar.

Kusur haritalarının elektrik sonuçlarıyla ilişkilendirilmesi, belirli bir kusurun şu durumlarla ilişkili olup olmadığını ortaya çıkarabilir:

• ters sızıntı;
• Düşük arıza voltajı;
• ileri gerilim sürüklenmesi;
• anormal bir çalıştırma direnişi;
• Erken güvenilirlik başarısızlığı.

Kusur yoğunluğu neden tek kalite göstergesi değildir?

Genellikle daha düşük bir toplam dislokasyon yoğunluğu arzu edilir, ancak tek bir yoğunluk sayısı substrat kalitesini tam olarak tanımlamaz.

Benzer genel kusur yoğunluğuna sahip iki wafer, kusurların farklı türlere ve mekansal dağılımlara sahip olması nedeniyle farklı cihaz verimleri verebilir.

Önemli hususlar şunlardır:

• kusur türü;
• kusur kümesi yoğunluğu;
• radyal dağılım;
• Kenar dışlama;
• kullanılabilir alan;
• Büyük kusursuz bölgelere sahip olmak;
• Alt katman ve epi katman kusurları arasındaki ilişki;
• tasarlanan cihaz boyutu.

Birçok küçük cihaz için tasarlanmış bir levha, küçük bir sayıda büyük yüksek voltajlı ölçek için kabul edilemez bir kusur dağılımına dayanabilir.

Bu nedenle, substrat özellikleri planlanan cihaz mimarisi ve ölçekleri ile ilişkili olarak değerlendirilmelidir.

SiC Substrate Alıcılarının Kontrol Etmesi Gerekenler

Epitaksi veya cihaz üretimi için SiC substratları satın alırken, alıcılar sadece çap, kalınlık ve doping'e güvenmemelidir.

Aşağıdaki kusur ile ilgili bilgiler de tedarikçiyle tartışılmalıdır.

Mikropip yoğunluğu

Maksimum veya tipik mikro boru yoğunluğunu isteyin ve değerin tüm wafer, kullanılabilir alan veya seçilen ölçüm noktaları için geçerli olup olmadığını açıklayın.

Zorlu uygulamalar için, aktif alan içinde mikro borussuz bir spesifikasyon gerekebilir.

Bazal düzlem dislokasyon yoğunluğu

BPD yoğunluğunun nasıl ölçüldüğünü ve bildirilen değerin substratı, bir epitaksyal katmanı veya her ikisini de ifade edip etmediğini sorun.

Ölçüm tekniği belirtilmelidir, çünkü kazma, X-ışını topografisi ve optik yöntemler doğrudan birbirini değiştirebilecek sonuçlar vermeyebilir.

İpekleme dislokasyon yoğunluğu

BPD'ler aşağıdakilerle birlikte değerlendirilmelidir:

• Döşeme vidalarının çıkması;
• Fişleme kenarının çıkması;
• Karışık dislokasyonlar.

BPD'lerin epitaksi sırasında iplikasyon çıkışlarına dönüştürülmesi, bu birleşik değerlendirmeyi özellikle önemlidir.

Hata Haritaları

Yüksek değerli uygulamalar için, sadece ortalama yoğunluk yerine wafer düzeyinde bir kusur haritası isteyin.

Bir kusur haritası, küme, kenar ile ilgili kusurları ve büyük alan ölçekleri için uygun bölgeleri tanımlamayı kolaylaştırır.

Epitaxial Uyumluluk

Substrat yöneliminin, kesim açısının, yüzey finişinin ve kusur seviyesinin öngörülen epitaksyal işlem için uygun olduğunu doğrulayın.

BPD'lerin yayılması ve dönüşümü, C/Si oranı ve büyüme hızı da dahil olmak üzere epitaksyal büyüme koşullarına bağlı olabilir.

Denetim standardı

Satın alma şartnamesinde şunlar tanımlanmalıdır:

• denetim yöntemi;
• denetlenen yüzey;
• Kenar dışlama;
• örnekleme sıklığı;
• Kabul kriterleri;
• raporlama biçimi.

Uyumlu denetim kriterleri olmadan, farklı tedarikçilerden artan kusur yoğunluğu rakamlarını karşılaştırmak zor olabilir.

SiC Üreticileri Bu Kusurları Nasıl Azaltır?

Mikropipleri ve BPD'leri azaltmak, top büyümesi ve wafer üretimi boyunca kontrol gerektirir.

Önemli stratejiler şunlardır:

• tohum kristalleri kalitesini artırmak;
• PVT termal alanını dengeleme;
• Radial ve aksyal termal eğimi azaltmak;
• Kristal büyüme arayüzünün kontrolü;
• Termoelastik gerginliği en aza indirmek;
• Soğutma koşullarının optimize edilmesi;
• Kristal omuz oluşumunun kontrolü;
• İşlemden kaynaklanan kalıntı gerginliği azaltmak;
• Epitaxial adım akışını optimize etmek.

Mikropip azaltımı, gelişmiş büyüme teknolojisi ve tohum seçimi ile büyük ölçüde yararlandı.

BPD'nin azaltılması daha karmaşık kalır çünkü BPD'ler top büyümesi sırasında termoelastik stres altında nükleerleşebilir ve çoğalabilir.

Farklı Uygulamalar için SiC Substratları Seçimi

Kabul edilebilir kusur özellikleri nihai kullanıma bağlıdır.

Schottky Bariyer Diyotları

Mikropipler ve sızıntıları arttıran veya düşük arıza voltajı olan diğer kusurlar kritiktir.

Schottky cihazları öncelikle çoğunluk taşıyıcı taşımacılığına bağlı olduğundan, BPD ile ilgili bipolar bozulma genellikle PiN diyotlarına göre daha az direktir.Substrat ve epilayer kusurları hala verimi ve güvenilirliği etkileyebilir..

SiC MOSFET'ler

Yüksek parçalanma verimi için düşük mikro boru yoğunluğu gereklidir.

BPD kontrolü, dönüştürücü çalışması veya güvenilirlik testi sırasında içsel vücut diodunun yürütüleceği zaman da önemlidir.

PiN diyotları ve bipolar cihazlar

BPD yoğunluğu özellikle önemlidir çünkü bipolar akım enjeksiyonu yığma hatası genişlemesini ve ileri gerilim bozulmasını tetikleyebilir.

Yüksek Voltajlı, Büyük Alanlı Aygıtlar

Büyük ölçekler, ölümcül bir kusurun kesişme olasılığı daha yüksektir.

Bu uygulamalar genellikle daha sıkı kusur özellikleri ve daha ayrıntılı tüm wafer haritalamasını gerektirir.

Araştırma ve Süreç Geliştirme Waferleri

Test derecesi veya araştırma derecesi altyapılar, amaç ekipman testleri, süreç geliştirme veya kritik olmayan malzeme araştırması olduğunda daha yüksek kusur yoğunluklarına katlanabilir.

Bununla birlikte, deney sonuçlarının doğru bir şekilde yorumlanabilmesi için kusur derecesi yine de belgelenmelidir.

Sonuçlar

Mikropipler ve bazal düzlem dislokasyonları farklı fiziksel mekanizmalar yoluyla SiC substrat performansını etkiler.

Mikropipler, ciddi sızıntılara, erken bozulmaya ve anında matkap verim kaybına neden olabilecek boş çekirdek kusurlarıdır.Bazal düzlük dislokasyonları, epitaksyal katmana yayılabilecek veya bipolar akım altında yığma hatası genişlemesini başlatabilecek düz kristalografik kusurlardır..

Bu nedenle SiC güç cihazları için substrat kalitesi, genel bir kusur yoğunluğu spesifikasyonundan daha fazlasını kullanarak değerlendirilmelidir.denetim yöntemi, epitaksiyel davranış ve amaçlanan cihaz yapısının hassasiyeti.

SiC wafer üretimi gelişmeye devam ettikçe, daha düşük mikro boru yoğunluğu ve daha iyi BPD yönetimi, cihaz üreticilerinin daha yüksek verim elde etmelerine yardımcı oluyor.daha istikrarlı elektrik performansı ve daha uzun çalışma güvenilirliği.

Sıkça Sorulan Sorular

Ticari SiC levhalarında mikro borular hâlâ yaygın mı?

Modern ticari SiC substratlarında mikro boru yoğunlukları, önceki nesillerdeki malzemelerden çok daha düşüktür.Tek bir mikro boru büyük bir yüksek voltajlı cihazı etkileyebilir çünkü inceleme önemli kalır.

Bazal düzlemin çıkması her zaman ölümcül bir kusur mu?

Etkisi, aktif epi katmana yayılıp yayılmadığından, işlev sırasında bir iplik dislokasyonuna dönüştüğünden veya yığma hatasının genişlemesini teşvik ettiğinden bağlıdır.

BPD'ler bipolar SiC cihazları için neden özellikle önemlidir?

Bipolar akım enjeksiyonu, BPD'lerden kaynaklanan yığma hatalarının genişlemesini teşvik edebilir.

Epitaksyal büyüme sırasında BPD'ler çıkarılabilir mi?

Bazı substrat BPD'ler, substrat-epilayer arayüzünün yakınında iplikasyon kenarının yer değiştirmesine dönüşebilir.Ama fiziksel olarak her kristallografik kusuru ortadan kaldırmaz..

SiC çıkışlarını incelemek için en iyi yöntem hangisidir?

Uygun yöntem levha ve uygulamaya bağlıdır. X-ışını topografisi ayrıntılı yıkıcı olmayan kusur haritasını sağlar, KOH kazımı net dislokasyon kazım çukurları sağlar,ve fotoluminesans epitaksyal katman denetimi için yaygın olarak kullanılır.

SiC substrat soruşturmasında hangi bilgiler yer almalıdır?

Tam bir soruşturmada wafer çapı, politip, iletkenlik türü, doping, yönelim, kesim açısı, kalınlık, cilalama, yüzey kabalığı, mikro boru yoğunluğu, dislokasyon gereksinimleri belirtilmelidir.,Kenar dışlama, denetim yöntemi, miktar ve amaçlanan uygulama.