Les substrats de carbure de silicium sont largement utilisés pour la fabrication de dispositifs électriques conçus pour fonctionner à haute tension, haute température et haute fréquence de commutation.les avantages électriques du SiC ne peuvent être pleinement réalisés que lorsque les couches du substrat et de l'épitaxie présentent des densités de défaut cristallographique suffisamment faibles.

Parmi les défauts associés à la croissance des cristaux de SiC, les micropipes et les dislocations du plan basal sont particulièrement importants.les deux peuvent réduire le rendement du dispositif, affectent les performances électriques et créent des risques de fiabilité à long terme.

La compréhension de ces défauts aide les fabricants d'appareils, les fournisseurs d'épitaxie et les acheteurs de substrats à évaluer si unWafer au SiC est adapté aux diodes Schottky, aux MOSFET, aux dispositifs bipolaires et à d'autres applications de semi-conducteurs exigeantes.

Qu'est-ce qu'un micro-tube dans un cristal de silicium?

Une microtube est un défaut cristallographique à noyau creux qui se développe généralement autour d'une dislocation de vis avec un grand vecteur de Burgers.le cristal contient un canal creux étroit qui traverse une partie ou la totalité de la boule de SiC.

Le défaut se développe généralement approximativement le long de l'axe c cristallographique et peut intersecter la surface de la gaufre polie.

Parce qu'un microtube a un noyau creux réel, il est plus grave qu'une dislocation de filetage ordinaire.Il crée une région locale où la structure cristalline et les propriétés électriques sont considérablement perturbés.

Les micropipes étaient autrefois l'une des principales limitations affectant les substrats commerciaux de SiC.La qualité des semences et le contrôle des champs thermiques ont considérablement réduit la densité des micropipes dans les gaufres commerciales modernesNéanmoins, l'inspection des microtubes reste importante pour les appareils à haute tension et de grande surface, car même un petit nombre de défauts mortels peut réduire le rendement de fabrication.

Comment les micropipes affectent les performances des appareils SiC

Les micropipes peuvent affecter un appareil de plusieurs façons.

Une panne électrique prématurée

Une microtube perturbe la distribution du champ électrique à l'intérieur de l'appareil.

Cette amélioration locale du champ peut entraîner la rupture de l'appareil à une tension nettement inférieure à sa valeur nominale prévue.

L'effet est particulièrement grave dans les appareils haute tension, car la surface active du dispositif est plus grande et la probabilité de rencontrer un défaut critique du substrat augmente.

Courant de fuite accru

La distorsion du noyau creux et du réseau environnant peut créer des voies de fuite à travers le substrat et la structure épitaxielle.

Les dispositifs situés à proximité des micropluies peuvent donc présenter un courant de fuite inverse élevé, des caractéristiques de blocage instables ou une défaillance lors du dépistage électrique.

Réduction du rendement des galettes

Une microtube peut affecter l'ensemble de la structure verticale du dispositif au-dessus de sa position.

Pour les appareils de grande surface, un seul microtube peut rendre l'ensemble de la matrice inutilisable.

Propagation du défaut épitaxial

Les défauts dans un substrat SiC peuvent se propager dans une couche homoépitaxienne cultivée sur la gaufre.Les défauts du substrat liés aux vis peuvent donc influer sur la morphologie et la qualité cristalline de l'épi-couche débordée..

Les recherches sur l'épitaxie du SiC ont montré que les dislocations du substrat peuvent se répliquer ou se transformer à mesure que la couche épitaxienne grandit,C'est pourquoi la qualité des défauts du substrat reste pertinente même après le dépôt épitaxial..

Qu'est- ce qu'une dislocation du plan basal?

Une dislocation du plan basal, généralement abrégée en BPD, est une dislocation qui se situe principalement dans le plan basal du cristal SiC hexagonal.

Dans le 4H-SiC, le plan basal correspond au plan cristallographique perpendiculaire à l'axe c. Contrairement aux dislocations de filetage, qui s'étendent approximativement à travers l'épaisseur de la gaufre,Les BPD peuvent voyager latéralement à travers le cristal..

Les BPD peuvent survenir lors de la croissance des cristaux de transport de vapeur physique en raison du stress thermique, de la distribution de température non uniforme ou du relâchement de la contrainte.La recherche indique que le stress thermoélastique dans le cristal en croissance peut favoriser la nucléation et la multiplication des BPD, en particulier lorsque la contrainte de cisaillement résolue le long du plan basal devient suffisamment élevée.

Ils peuvent également être associés à des contraintes introduites lors du refroidissement, de la découpe, du broyage ou d'autres étapes de traitement des plaquettes.

Comment les dislocations du plan basal affectent les performances du SiC

Les BPD sont particulièrement importants car ils peuvent affecter à la fois les appareils SiC bipolaires et unipolaires.

Formation de défauts d'empilement

L'un des risques les plus importants associés à une dislocation du plan basal est sa capacité à agir comme source d'expansion de la faille d'empilement.

Lorsque le courant bipolaire circule à travers un dispositif SiC, la recombinaison électron-trous près d'un BPD peut fournir une énergie qui permet à une faille d'empilement de s'étendre à travers la couche épitaxielle.

La défaillance d'empilement élargie modifie la structure électronique locale et crée une région avec un transport de porteuse dégradé.

La dégradation bipolaire

L'expansion de la faille d'empilement peut augmenter la tension avant d'un appareil SiC bipolaire pendant le fonctionnement.

Il a toujours été une préoccupation majeure de fiabilité pour des appareils tels que:

• les diodes PiN;
• les transistors à jonction bipolaire;
• thyristors;
• la diode du corps des MOSFET SiC.

Au fur et à mesure que la faute d'empilement s'élargit, la zone de conduction efficace peut diminuer et la résistance de l'appareil à l'état actif peut augmenter.

L'appareil peut d'abord réussir les essais électriques, mais afficher progressivement une dégradation des performances après une injection prolongée de courant.

Impact sur les diodes du corps du MOSFET SiC

Bien que les MOSFET SiC soient classés comme des appareils unipolaires, leurs diodes corporelles intrinsèques conduisent un courant bipolaire.

Lorsque la diode de carrosserie fonctionne pendant une période prolongée, l'expansion de la défaillance d'empilement liée au BPD peut entraîner une dérive de tension vers l'avant ou une augmentation de la résistance.

Les structures de dispositifs modernes et les procédés épitaxiaux ont considérablement réduit ce risque, mais la densité de BPD reste une considération importante lorsque l'on s'attend à un fonctionnement de diode corporelle MOSFET.

Risques de fuite et de fiabilité

Les BPD et les défauts d'empilement associés peuvent modifier la durée de vie du transporteur local, le comportement de recombinaison et le débit de courant.

Selon leur position et leur interaction avec d'autres défauts, ils peuvent contribuer à:

• une fuite locale;
• l'instabilité de la tension vers l'avant;
• le surpeuplement actuel;
• durée de vie dégradée du transporteur minoritaire;
• variation de fiabilité à long terme.

Un BPD ne provoque pas nécessairement une défaillance catastrophique immédiate.structure épitaxienne et si la dislocation reste dans le plan basal ou se transforme en un autre type de dislocation.

Propagation du substrat dans la couche épitaxienne

Au cours de la croissance épitaxielle de 4H-SiC, un BPD originaire du substrat peut se comporter de deux manières principales.

Il peut:

1. continuer à se propager sous forme d'une dislocation du plan basal dans l'épicouche; ou
2. se transformer en une dislocation du bord du filetage près de l'interface substrat-épilayer.

La conversion en une dislocation du bord du filetage est généralement préférable car une dislocation du bord du filetage est moins susceptible de générer une faille d'empilement en expansion du plan basal sous courant bipolaire.

Des études d'épitaxie 4H-SiC ont observé que les BPD du substrat se transforment en dislocations du bord du filetage près de l'interface.Le comportement de conversion est influencé par la croissance de l'écoulement pas à pas et les conditions épitaxiennes.

Les variables de processus importantes peuvent inclure:

• l'angle de coupure du substrat;
• le rapport C/Si;
• le taux de croissance épitaxielle;
• la structure des marches de surface;
• les interruptions de croissance;
• conception de la couche tampon.

Pour cette raison, la qualité du SiC pour appareil ne peut pas être évaluée uniquement par l'examen du substrat. Le substrat et la couche épitaxielle doivent être considérés comme un système de matériaux intégré.

Micropipes contre les dislocations du plan basal

Bien que les deux soient des défauts cristallographiques, les micropipes et les BPD créent des risques différents pour les appareils.

En termes simples, les micropipes sont souvent associés à une perte de rendement immédiate de fabrication, tandis que les BPD sont plus étroitement associés à une dégradation opérationnelle et à une fiabilité à long terme.

Cependant, l'effet réel de l'un ou l'autre défaut dépend de son emplacement, de sa taille, du champ de contrainte environnant et de sa relation avec la structure active du dispositif.

Comment détecter les micropipes et les BPD

Aucune méthode d'inspection unique ne fournit des informations complètes sur chaque défaut de SiC. Les fabricants combinent souvent plusieurs techniques.

Grave KOH fondue

La gravure à l'hydroxyde de potassium fondu révèle de manière sélective des dislocations sous forme de fosses de gravure sur la surface du SiC.

Les micropipes, les dislocations des vis de filetage, les dislocations des bords de filetage et les dislocations du plan basal peuvent produire des caractéristiques de gravure de formes et de tailles différentes.

La gravure KOH est utile pour la mesure et la recherche de la densité des défauts, mais elle est destructrice car elle modifie la surface de la gaufre.Une étude du 6H-SiC gravé a démontré que des conditions de KOH en fusion optimisées peuvent révéler des micropipes et de multiples types de dislocations.

Topographie par rayons X

La topographie par rayons X est une technique non destructive qui mape la distorsion du réseau causée par des défauts cristallographiques.

Elle peut révéler:

• une dislocation du plan basal;
• délocalisations de vis de filetage;
• des délocalisations du bord du filetage;
• les défauts d'empilement;
• les limites des grains à bas angle.

La topographie par rayons X synchrotron fournit des images de défauts particulièrement détaillées et est largement utilisée dans la recherche avancée sur les cristaux de SiC et l'analyse des mécanismes de défaut.

L'imagerie de la lumière polarisée et de la bifringence

Les champs de contrainte autour des dislocations modifient la réponse optique du cristal.

Des travaux récents ont mis en évidence l'observation de la lumière polarisée comme méthode rapide de visualisation des défauts et d'inspection automatisée de la qualité des plaquettes.

Imagerie par photoluminescence

L'imagerie par photoluminescence est fréquemment utilisée pour inspecter les couches épitaxales de SiC.

Il peut détecter les défauts électriquement actifs et aider à identifier les défauts d'empilement, les caractéristiques liées au BPD et d'autres imperfections épitaxiennes.

Différentes longueurs d'onde d'excitation peuvent être sélectionnées pour inspecter différentes profondeurs ou types de défauts.

Inspection optique et infrarouge

Comme les micropipes contiennent des noyaux creux, certaines peuvent être observées à l'aide de méthodes de transmission optique ou infrarouge.

Les systèmes d'inspection optique automatisés peuvent être utilisés pour la cartographie des défauts de la plaque entière, bien que leur capacité de détection dépend des dimensions des défauts, de l'épaisseur de la plaque et du contraste de l'image.

Cartographie des appareils électriques

L'essai final du dispositif fournit des preuves supplémentaires des effets des défauts du substrat et de l'épitaxie.

La corrélation des cartes de défauts avec les résultats électriques peut révéler si un défaut particulier est associé à:

• une fuite inverse;
• basse tension de rupture;
• dérive de tension vers l'avant;
• une résistance d'allumage anormale;
• défaillance précoce de la fiabilité.

Pourquoi la densité des défauts n'est pas le seul indicateur de qualité

Une densité de dislocation totale inférieure est généralement souhaitable, mais un seul nombre de densité ne décrit pas pleinement la qualité du substrat.

Deux plaquettes avec des densités globales de défauts similaires peuvent fournir des rendements de dispositifs différents parce que les défauts ont des types et des distributions spatiales différents.

Les considérations importantes sont les suivantes:

• le type de défaut;
• la densité des grappes de défauts;
• la répartition radiale;
• l'exclusion des bords;
• surface utilisable;
• la présence de grandes zones exemptes de défauts;
• la corrélation entre les défauts du substrat et ceux de l'épicouche;
• la taille prévue du dispositif.

Une plaque destinée à de nombreux petits appareils peut tolérer une distribution de défaut inacceptable pour un petit nombre de grosses matrices haute tension.

Par conséquent, les spécifications du substrat doivent être évaluées en fonction de l'architecture du dispositif et des dimensions du matériau.

Ce que les acheteurs de substrat SiC devraient vérifier

Lorsqu'ils achètent des substrats de SiC pour l'épitaxie ou la fabrication de dispositifs, les acheteurs ne devraient pas se fier uniquement au diamètre, à l'épaisseur et au dopage.

Les informations suivantes relatives aux défauts doivent également être discutées avec le fournisseur.

Densité des micropipes

Demandez la densité maximale ou typique des micropluies et précisez si cette valeur s'applique à la plaque complète, à la surface utilisable ou aux points de mesure choisis.

Pour les applications exigeantes, une spécification sans micropoies dans la zone active peut être requise.

Densité de dislocation du plan basal

Demandez comment est mesurée la densité BPD et si la valeur déclarée se réfère au substrat, à une couche épitaxienne ou aux deux.

La technique de mesure doit être indiquée car la topographie par gravure, la topographie par rayons X et les méthodes optiques peuvent ne pas produire de résultats directement interchangeables.

Densité de dislocation du fil

Les DPB doivent être évaluées conjointement avec:

• délocalisations de vis de filetage;
• des délocalisations du bord du filetage;
• filtrage des dislocations mixtes.

La conversion des BPD en dislocations de filetage lors de l'épitaxie rend cette évaluation combinée particulièrement importante.

Cartes de défauts

Pour les applications de grande valeur, demandez une carte de défaut au niveau des plaquettes plutôt qu'une seule densité moyenne.

Une carte des défauts facilite l'identification des grappes, des défauts liés aux bords et des régions adaptées aux matrices de grande surface.

Compatibilité épitaxienne

Confirmer que l'orientation du substrat, l'angle de découpe, la finition de la surface et le niveau de défaut conviennent au procédé épitaxial prévu.

La propagation et la conversion des BPD peuvent dépendre des conditions de croissance épitaxiale, y compris le rapport C/Si et le taux de croissance.

Norme d'inspection

Le cahier des charges d'achat doit définir:

• méthode d'inspection;
• la surface inspectée;
• l'exclusion des bords;
• la fréquence d'échantillonnage;
• les critères d'acceptation;
• le format de déclaration.

En l'absence de critères d'inspection cohérents, il peut être difficile de comparer les chiffres de la densité des défauts de différents fournisseurs.

Comment les fabricants de SiC réduisent ces défauts

La réduction des micropipes et des BPD nécessite un contrôle tout au long de la croissance des boules et de la fabrication des plaquettes.

Les stratégies importantes sont les suivantes:

• l'amélioration de la qualité des cristaux de graines;
• stabilisation du champ thermique PVT;
• réduire les gradients thermiques radiaux et axiaux;
• contrôle de l'interface de croissance des cristaux;
• réduire au minimum les contraintes thermoélastiques;
• l'optimisation des conditions de refroidissement;
• contrôler la formation de cristal à l'épaule;
• réduire les contraintes résiduelles induites par l'usinage;
• Optimisation de la croissance de l'écoulement de l'épitaxie.

La réduction des micropies a grandement bénéficié de l'amélioration de la technologie de croissance et de la sélection des semences.

La réduction de la BPD reste plus complexe car les BPD peuvent se nucléariser et se multiplier sous stress thermoélastique pendant la croissance des boules.

Sélection des substrats SiC pour différentes applications

La spécification de défaut acceptable dépend de l'utilisation finale.

Diodes de barrière de Schottky

Les micropipes et autres défauts qui augmentent les fuites ou réduisent la tension de rupture sont essentiels.

Comme les appareils Schottky reposent principalement sur le transport majoritaire, la dégradation bipolaire liée au DBP est généralement moins directe que dans les diodes PiN.Les défauts du substrat et de l'épicouche peuvent encore affecter le rendement et la fiabilité.

MOSFETs à base de silicium

Une faible densité de micropipes est nécessaire pour un rendement de décomposition élevé.

Le contrôle de la BPD est également important lorsque la diode intrinsèque du corps conduit pendant le fonctionnement du convertisseur ou les essais de fiabilité.

Diodes PiN et appareils bipolaires

La densité de BPD est particulièrement importante car l'injection de courant bipolaire peut déclencher une expansion de la faute d'empilement et une dégradation de la tension avant.

Appareils à haute tension et à grande surface

Les grandes matrices sont plus susceptibles de rencontrer un défaut mortel.

Ces applications nécessitent généralement des spécifications de défaut plus strictes et une cartographie plus détaillée de l'ensemble des plaquettes.

Wafers de recherche et de développement de procédés

Les substrats de qualité d'essai ou de recherche peuvent tolérer des densités de défauts plus élevées lorsque l'objectif est l'essai d'équipements, le développement de procédés ou la recherche de matériaux non critiques.

Toutefois, le degré de défaut doit toujours être documenté afin que les résultats expérimentaux puissent être interprétés correctement.

Conclusion

Les micropipes et les dislocations du plan basal affectent les performances du substrat SiC par différents mécanismes physiques.

Les micropaies sont des défauts de noyau creux qui peuvent provoquer des fuites graves, une panne prématurée et une perte immédiate de rendement.Les dislocations du plan basal sont des défauts cristallographiques planaires qui peuvent se propager dans la couche épitaxienne ou initier une expansion de la faille d'empilement sous courant bipolaire.

Pour les appareils électriques SiC, la qualité du substrat doit donc être évaluée en utilisant plus qu'une spécification générale de la densité de défaut.méthode de contrôle, le comportement épitaxial et la sensibilité de la structure du dispositif.

Comme la fabrication de plaquettes de SiC continue de s'améliorer, une densité de microtube plus faible et une meilleure gestion de la BPD aident les fabricants d'appareils à obtenir un rendement plus élevé,des performances électriques plus stables et une fiabilité de fonctionnement plus longue.

Questions fréquemment posées

Les micropipes sont-ils encore courants dans les plaquettes commerciales de SiC?

Les densités de micropipes dans les substrats commerciaux modernes de SiC sont beaucoup plus faibles que celles des générations précédentes de matériaux.l'inspection reste importante car un seul micropip peut affecter un grand appareil haute tension.

Une luxation du plan basal est-elle toujours un défaut mortel?

L'effet dépend de sa propagation dans l'épi-couche active, de sa transformation en dislocation du filetage ou de sa promotion de l'expansion de la faille d'empilement pendant le fonctionnement.

Pourquoi les BPD sont-ils particulièrement importants pour les appareils SiC bipolaires?

L'injection de courant bipolaire peut stimuler l'expansion des défauts d'empilement provenant de BPD. Cela peut augmenter la tension avant et dégrader les performances de l'appareil au fil du temps.

Est-il possible d'éliminer les BPD pendant la croissance épitaxienne?

Certains BPD de substrat peuvent se convertir en dislocations de bord de filetage près de l'interface substrat-épilayer.mais il n' élimine pas physiquement tous les défauts cristallographiques.

Quelle méthode est la meilleure pour inspecter les dislocations de SiC?

La méthode appropriée dépend de la plaque et de l'application. La topographie aux rayons X fournit une cartographie détaillée des défauts non destructifs, la gravure KOH fournit des fosses de gravure de dislocation claires,et la photoluminescence est largement utilisée pour l'inspection de la couche épitaxielle.

Quelles informations doivent être incluses dans une enquête sur le substrat SiC?

Une enquête complète doit préciser le diamètre, le polytype, le type de conductivité, le dopage, l'orientation, l'angle de découpe, l'épaisseur, le polissage, la rugosité de la surface, la densité des microtubes, les exigences en matière de dislocation.,l'exclusion des bords, la méthode d'inspection, la quantité et l'application prévue.