Кремниевые карбиды широко используются для производства силовых устройств, предназначенных для работы при высоком напряжении, высокой температуре и высокой частоте переключения.электрические преимущества SiC могут быть полностью реализованы только тогда, когда у подложки и эпитаксиальных слоев достаточно низкая плотность кристаллографических дефектов.

Среди дефектов, связанных с ростом кристаллов SiC, особенно важны микротрубы и вывихы базальной плоскости.оба могут уменьшить производительность устройства, влияют на электрические характеристики и создают долгосрочные риски надежности.

Понимание этих недостатков помогает производителям устройств, поставщикам эпитаксии и покупателям субстратов оценить, является лиВафли с Си-Си Подходит для диодов Шоттки, MOSFET, биполярных устройств и других требовательных полупроводниковых приложений.

Что такое микротруба в кристалле Си-Си?

Микротруба - это кристаллографический дефект с полым ядром, который обычно развивается вокруг вывихной дислокации с большим вектором Бургерса.кристалл содержит узкий полынистый канал, проходящий через часть или весь SiC boule.

Дефект обычно растет приблизительно вдоль кристаллографической оси с и может пересекать полированную поверхность пластины.

Поскольку микротруба имеет фактически полые ядра, это более серьезно, чем обычное вывихение нитей.Это создает локальную область, где кристаллическая структура и электрические свойства существенно нарушены..

Микротрубы когда-то были одним из основных ограничений, влияющих на коммерческие SiC субстраты.Качество семян и контроль теплового поля значительно снизили плотность микротруб в современных коммерческих пластинахТем не менее, инспекция микротрубки остается важной для высоковольтных и больших устройств, потому что даже небольшое количество убийственных дефектов может снизить производительность изготовления.

Как микротрубы влияют на производительность устройства SiC

Микротрубы могут влиять на устройство несколькими способами.

Преждевременный электрический сбой

При применении высокого обратного напряжения электрическое поле может сконцентрироваться вокруг дефекта.

Это локальное усиление поля может привести к тому, что устройство разрушится при напряжении, значительно ниже предполагаемого.

Эффект особенно серьезен в высоковольтных устройствах, потому что площадь активного устройства больше, и вероятность возникновения критического дефекта подложки увеличивается.

Увеличение тока утечки

Половое ядро и окружающая решетка могут создавать утечки через субстрат и эпитаксиальную структуру.

Устройства, расположенные вблизи микротруб, поэтому могут проявлять повышенный обратный ток утечки, нестабильные характеристики блокировки или отказ во время электрического скрининга.

Уменьшенная производительность пластин

Микротруба может повлиять на всю вертикальную структуру устройства над его положением. Любая штамповка, изготовленная непосредственно над дефектом, может потребоваться отклонить.

Для устройств с большой площадью одна микротруба может сделать всю форму непригодной для использования.

Распространение эпитаксиального дефекта

Дефекты в субстрате SiC могут распространяться в гомоэпитаксиальный слой, выращенный на вафере.Следовательно, дефекты субстрата, связанные с винтом, могут влиять на морфологию и кристаллическое качество переросшего эпислоя..

Исследования эпитаксии SiC показали, что вывих субстрата может реплицироваться или трансформироваться по мере роста эпитаксиального слоя,поэтому качество дефекта субстрата остается актуальным даже после эпитаксиального отложения..

Что такое дислокация базальной плоскости?

Вывих базальной плоскости, обычно сокращенный как BPD, является вывихом, который лежит в основном в базальной плоскости шестиугольного кристалла SiC.

В 4H-SiC базальная плоскость соответствует кристаллографической плоскости, перпендикулярной оси С. В отличие от дислокаций нитей, которые простираются приблизительно через толщину пластины,БПД могут перемещаться по бокам через кристалл.

BPD могут возникать во время физического роста кристаллов транспортировки пара из-за теплового напряжения, неравномерного распределения температуры или расслабления напряжения.Исследования показывают, что термоэластическое напряжение в растущем кристалле может способствовать нуклеации и размножению BPD, особенно когда разрешенное нагрузка сдвига вдоль базальной плоскости становится достаточно высоким.

Они также могут быть связаны с напряжением, введенным во время охлаждения, нарезания, измельчения или других этапов обработки пластинок.

Как дислокации базальной плоскости влияют на производительность СиС

BPD особенно важны, потому что они могут влиять как на биполярные, так и на однополярные устройства SiC.

Образование сбоев накладывания

Одним из наиболее значимых рисков, связанных с вывихом базальной плоскости, является его способность выступать в качестве источника расширения стекания.

Когда биполярный ток протекает через SiC-устройство, рекомбинация электронов-лунок вблизи BPD может обеспечить энергию, которая позволяет свертывающейся ошибке расширяться через эпитаксиальный слой.

Увеличенная ошибка свертывания изменяет локальную электронную структуру и создает область с деградированным транспортом носителя.

Биполярная деградация

Расширение накладной может увеличить напряжение вперед биполярного устройства SiC во время работы.

Исторически это было главной проблемой надежности для таких устройств, как:

• Диоды PiN;
• биполярные стыковые транзисторы;
• тиристоры;
• корпусный диод SiC MOSFET.

По мере расширения дефекта накладывания эффективная проводка может уменьшаться, а сопротивление устройства в режиме включения может увеличиваться.

Устройство может первоначально проходить испытания на электричестве, но постепенно демонстрирует снижение производительности после длительного впрыска тока.

Влияние на диоды корпуса SiC MOSFET

Хотя SiC MOSFET классифицируются как однополярные устройства, их внутренние диоды тела проводят биполярный ток.

При длительной работе корпусного диода, связанное с BPD расширение дефекта свертывания может привести к дрейфу напряжения вперед или увеличению сопротивления.

Современные конструкции устройств и эпитаксиальные процессы значительно снизили этот риск, но плотность BPD остается важным фактором, когда ожидается работа MOSFET-диодов.

Риски утечки и надежности

БПД и связанные с ними сбои складывания могут изменять срок службы местного носителя, поведение рекомбинации и ток.

В зависимости от их положения и взаимодействия с другими дефектами они могут способствовать:

• локальная утечка;
• нестабильность напряжения вперед;
• текущее переполнение;
• длительность жизни ухудшенного носителя меньшинства;
• длительное изменение надежности.

БПД не обязательно приводит к непосредственному катастрофическому сбою.эпитаксиальная структура и остается ли вывих в базальной плоскости или превращается в другой тип вывих.

BPD Распространение из субстрата в эпитаксиальный слой

Во время эпитаксиального роста 4H-SiC BPD, возникающий в субстрате, может вести себя двумя основными способами.

Он может:

1. продолжать размножаться как вывих базальной плоскости в эпислое; или
2. превращаются в вывих на краю нитки вблизи интерфейса субстрата-эпилаера.

Обычно предпочтительнее преобразование в вывих на краю нитей, поскольку вывих на краю нитей менее вероятно создаст расширяющийся разрыв в базальной плоскости под биполярным током.

Исследования эпитаксии 4H-SiC показали, что BPD субстрата превращаются в вывихы краев нитей вблизи интерфейса.На поведение преобразования влияет рост пошагового потока и эпитаксиальные условия.

К важным переменным процессов могут относиться:

• угол отрезки подложки;
• соотношение C/Si;
• скорость эпитаксиального роста;
• структуру поверхностных ступеней;
• прерывания роста;
• конструкция буферного слоя.

По этой причине качество SiC для устройства не может быть оценено только путем изучения субстрата.

Микротрубы против дислокации базовой плоскости

Несмотря на то, что оба являются кристаллографическими дефектами, микротрубы и BPD создают различные риски устройства.

Проще говоря, микротрубы часто связаны с немедленной потерей производительности производства, в то время как BPD более тесно связаны с эксплуатационной деградацией и долгосрочной надежностью.

Однако фактическое воздействие любого из дефектов зависит от его расположения, размера, окружающего поля напряжения и отношения к структуре активного устройства.

Как выявляют микротубы и БПЗ

Ни один из методов проверки не дает полную информацию о каждом дефекте SiC. Производители часто комбинируют несколько методов.

Сплавленный КОХ

Отливка растворенного гидроксида калия выборочно выявляет вывихы в виде отрезков на поверхности SiC.

Микротрубы, выдвижения винтовых нитей, выдвижения краев нитей и выдвижения базальной плоскости могут производить черты гравировки различной формы и размера.

КОХ-этировка полезна для измерения плотности дефектов и исследований, но она разрушительна, потому что она изменяет поверхность пластины.Исследование выгравированного 6H-SiC продемонстрировало, что оптимизированные условия расплавленного KOH могут выявить микротрубы и множественные типы вывих.

Рентгеновская топография

Рентгеновская топография - это неразрушающая техника, которая отображает искажение решетки, вызванное кристаллографическими дефектами.

Это может показать:

• вывих базальной плоскости;
• изгибы винтов для нанесения нитей;
• вывихы краев нитей;
• неисправности накладывания;
• низкоугольные границы зерна.

Синхротронная рентгеновская топография обеспечивает особенно подробные изображения дефектов и широко используется в передовых исследованиях кристаллов SiC и анализе механизмов дефектов.

Поляризованный свет и бирефренгенсная визуализация

Поляризованная световая визуализация может быть использована для визуализации вывихов и остаточных стрессовых моделей неразрушительно.

Недавние исследования показали, что наблюдение за поляризованным светом является быстрым методом визуализации дефектов и автоматической проверки качества пластинок.

Фотолюминесцентное изображение

Фотолюминесцентное изображение часто используется для осмотра эпитаксиальных слоев SiC.

Он может обнаруживать электрически активные дефекты и помогает идентифицировать дефекты свертывания, особенности, связанные с BPD, и другие эпитаксиальные несовершенства.

Различные длины волн возбуждения могут быть выбраны для проверки различных глубин или типов дефектов.

Оптическая и инфракрасная инспекция

Поскольку микротрубы содержат полые ядра, некоторые из них можно наблюдать с помощью оптических или инфракрасных методов передачи.

Автоматизированные системы оптической инспекции могут быть использованы для картографирования дефектов целых пластинок, хотя их способность обнаружения зависит от размеров дефектов, толщины пластинок и контраста изображения.

Картография электрического устройства

Окончательное испытание устройства дает дополнительные доказательства воздействия дефектов субстрата и эпитаксии.

Соотнесение карт дефектов с результатами электрических исследований позволяет выяснить, связан ли конкретный дефект с:

• обратная утечка;
• низкое разрывное напряжение;
• Движение напряжения вперед;
• аномальное сопротивление;
• ранняя ошибка надежности.

Почему плотность дефектов - не единственный показатель качества

В целом желательна более низкая плотность общих дислокаций, но одно число плотности не полностью описывает качество подложки.

Две пластинки с схожей общей плотностью дефектов могут давать разные производительности устройства, потому что дефекты имеют разные типы и пространственное распределение.

К важным соображениям относятся:

• тип дефекта;
• плотность кластера дефектов;
• радиальное распределение;
• исключение краев;
• полезная площадь;
• наличие больших зон, свободных от дефектов;
• корреляция между дефектами субстрата и эпислоя;
• предполагаемый размер устройства.

Пластинка, предназначенная для многих небольших устройств, может переносить распределение дефектов, которое было бы неприемлемо для небольшого количества больших высоковольтных матриц.

Следовательно, спецификации подложки должны оцениваться в зависимости от планируемой архитектуры устройства и габаритов.

Что покупатели SiC-субстрата должны проверить

При покупке SiC-субстратов для эпитаксии или изготовления устройств покупатели не должны полагаться только на диаметр, толщину и допинг.

Следующая информация, касающаяся дефекта, также должна обсуждаться с поставщиком.

Плотность микротруб

Укажите максимальную или типичную плотность микротруб и уточните, относится ли это значение к полной пластине, к полезной площади или к выбранным точкам измерения.

Для требовательных применений может потребоваться спецификация, не содержащая микротруб в активной области.

Плотность дислокации базальной плоскости

Спросите, как измеряется плотность BPD и относится ли сообщаемое значение к субстрату, эпитаксиальному слою или обоим.

Техника измерения должна быть указана, поскольку резьба, рентгеновская топография и оптические методы могут не давать непосредственно взаимозаменяемых результатов.

Плотность дислокации нитей

Оценка БПД должна проводиться вместе с:

• изгибы винтов для нанесения нитей;
• вывихы краев нитей;
• Застегивание смешанных вывих.

Преобразование BPD в вывих нитей во время эпитаксии делает эту комбинированную оценку особенно важной.

Карты дефектов

Для высококачественных приложений требуйте карту дефектов на уровне пластины, а не только среднюю плотность.

Карта дефектов облегчает выявление кластеров, дефектов, связанных с краями, и регионов, подходящих для больших площадей.

Эпитаксиальная совместимость

Подтвердить, что ориентация подложки, угол отсека, отделка поверхности и уровень дефекта подходят для предполагаемого эпитаксиального процесса.

Распространение и преобразование BPD может зависеть от эпитаксиальных условий роста, включая соотношение C/Si и скорость роста.

Инспекционный стандарт

Спецификация закупок должна определять:

• метод проверки;
• проверяемая поверхность;
• исключение краев;
• частота отбора проб;
• критерии принятия;
• формат отчетности.

Без согласованных критериев проверки сравнивать показатели плотности дефектов от разных поставщиков может быть сложно.

Как производители SiC уменьшают эти дефекты

Сокращение микротруб и BPD требует контроля на протяжении всего роста шариков и производства пластинок.

К важным стратегиям относятся:

• улучшение качества кристаллов семян;
• стабилизация теплового поля PVT;
• уменьшение радиального и осевого тепловых градиентов;
• управление интерфейсом роста кристаллов;
• минимизация термоэластического напряжения;
• оптимизация условий охлаждения;
• Контроль формирования кристаллических плеч;
• уменьшение остаточного напряжения, вызванного обработкой;
• оптимизируя эпитаксиальный рост.

Уменьшение микротипов значительно выиграло от улучшенной технологии выращивания и отбора семян.

Редукция BPD остается более сложной, поскольку BPD могут нуклеиноваться и размножаться под термоэластичным напряжением во время роста шариков.

Выбор SiC-субстратов для различных применений

Приемлемая спецификация дефекта зависит от конечного использования.

Диоды барьера Шоттки

Микротрубы и другие дефекты, которые увеличивают утечку или снижают разрывное напряжение, являются критическими.

Поскольку устройства Schottky в основном используют транспорт большинства носителей, биполярная деградация, связанная с BPD, обычно менее прямая, чем в диодах PiN.дефекты подложки и эпислоя все еще могут повлиять на урожайность и надежность.

SiC MOSFET

Низкая плотность микротруб необходима для высокой урожайности разложения.

Контроль BPD также важен, когда диод внутреннего корпуса будет проводить при работе преобразователя или испытаниях надежности.

Диоды PiN и биполярные устройства

Плотность BPD особенно важна, поскольку биполярное впрыск тока может вызвать расширение стекания и деградацию напряжения вперед.

Высоковольтные устройства большой площади

Большие матрицы имеют большую вероятность пересечения дефекта убийцы.

Эти приложения, как правило, требуют более строгих спецификаций дефектов и более подробного отображения целых пластин.

Ведение исследований и разработки процессов по производству пластин

Субстраты испытательного или исследовательского качества могут переносить более высокую плотность дефектов, когда целью является испытание оборудования, разработка процессов или исследование некритических материалов.

Тем не менее, степень дефекта должна быть задокументирована, чтобы результаты эксперимента могли быть правильно интерпретированы.

Заключение

Микротрубы и дислокации базальной плоскости влияют на производительность SiC-субстрата с помощью различных физических механизмов.

Микротрубы - это дефекты пустого ядра, которые могут привести к серьезным утечкам, преждевременному повреждению и немедленной потере производительности.Дислокации базовой плоскости - это плоские кристаллографические дефекты, которые могут распространяться в эпитаксиальный слой или инициировать расширение сборки под биполярным током.

Для СиС-силовых устройств качество подложки следует оценивать с использованием не только общей спецификации плотности дефекта.метод проверки, эпитаксиальное поведение и чувствительность конструкции устройства.

Поскольку производство SiC-олочек продолжает улучшаться, более низкая плотность микротруб и лучшее управление BPD помогают производителям устройств достичь более высокой производительности,более стабильные электрические характеристики и более длительная эксплуатационная надежность.

Часто задаваемые вопросы

Микротрубы все еще распространены в коммерческих пластинах SiC?

Плотность микротипов в современных коммерческих SiC-субстратах намного ниже, чем в предыдущих поколениях материала.Инспекция остается важной, потому что одна микротруба может повлиять на большое устройство высокого напряжения.

Вывих базальной плоскости всегда убийственный дефект?

Его действие зависит от того, распространяется ли он в активный эпислой, превращается ли в вывих нити или способствует расширению слагаемого дефекта во время работы.

Почему BPD особенно важны для биполярных SiC-устройств?

Биполярное введение тока может стимулировать расширение неисправностей накладывания, происходящих от BPD. Это может увеличить напряжение вперед и ухудшить производительность устройства с течением времени.

Можно ли удалить BPD во время эпитаксиального роста?

Оптимизация эпитаксиального процесса может увеличить скорость преобразования.но это не физически устраняет каждый кристаллографический дефект.

Какой метод лучше всего для осмотра вывихов SiC?

Подходящий метод зависит от пластины и применения. рентгеновская топография обеспечивает подробное неразрушающее отображение дефектов, вырезка KOH обеспечивает четкие вывихные вырезки,и фотолюминесценция широко используется для осмотра эпитаксиального слоя.

Какая информация должна быть включена в запрос на SiC-субстрат?

В полном исследовании должны быть указаны диаметр пластинки, политип, тип проводимости, допинг, ориентация, угол отсека, толщина, полировка, шероховатость поверхности, плотность микротруб, требования к вывиху,исключение краев, метод проверки, количество и предполагаемое применение.