Siliziumkarbidsubstrate werden häufig zur Herstellung von Leistungsgeräten verwendet, die für den Betrieb bei hoher Spannung, hoher Temperatur und hoher Schaltfrequenz ausgelegt sind. Allerdings können die elektrischen Vorteile von SiC nur dann voll ausgeschöpft werden, wenn das Substrat und die Epitaxieschichten ausreichend niedrige kristallographische Defektdichten aufweisen.

Unter den mit dem SiC-Kristallwachstum verbundenen Defekten sind Mikroröhren und Basalebenenversetzungen besonders wichtig. Obwohl sie sich in Struktur und Verhalten stark unterscheiden, können beide die Geräteausbeute verringern, die elektrische Leistung beeinträchtigen und langfristige Zuverlässigkeitsrisiken mit sich bringen.

Das Verständnis dieser Mängel hilft Geräteherstellern, Epitaxielieferanten und Substratkäufern bei der Beurteilung, ob aSiC-Wafer eignet sich für Schottky-Dioden, MOSFETs, bipolare Geräte und andere anspruchsvolle Halbleiteranwendungen.

Was ist ein Mikrorohr in einem SiC-Kristall?

Eine Mikroröhre ist ein Hohlkern-Kristalldefekt, der sich häufig um eine Schraubenversetzung mit einem großen Burgers-Vektor entwickelt. Anstatt auf atomarer Ebene einen geschlossenen Versetzungskern zu bilden, enthält der Kristall einen schmalen Hohlkanal, der sich durch einen Teil oder die gesamte SiC-Kugel erstreckt.

Der Defekt wächst im Allgemeinen ungefähr entlang der kristallographischen c-Achse und kann die polierte Waferoberfläche schneiden.

Da ein Mikrorohr einen echten hohlen Kern hat, ist es schwerwiegender als eine gewöhnliche Gewindeversetzung. Es entsteht ein lokaler Bereich, in dem die Kristallstruktur und die elektrischen Eigenschaften erheblich gestört sind.

Mikrorohre gehörten einst zu den größten Einschränkungen bei kommerziellen SiC-Substraten. Verbesserungen des physikalischen Dampftransportwachstums, der Saatqualität und der thermischen Feldkontrolle haben die Mikroröhrendichte in modernen kommerziellen Wafern erheblich reduziert. Dennoch bleibt die Inspektion von Mikrorohren für Hochspannungs- und großflächige Geräte weiterhin wichtig, da bereits eine kleine Anzahl schwerwiegender Defekte die Fertigungsausbeute verringern kann.

Wie Mikrorohre die Leistung von SiC-Geräten beeinflussen

Mikrorohre können ein Gerät auf verschiedene Weise beeinträchtigen.

Vorzeitiger Stromausfall

Ein Mikrorohr stört die elektrische Feldverteilung im Inneren des Geräts. Wenn eine hohe Sperrspannung angelegt wird, kann sich das elektrische Feld um den Defekt herum konzentrieren.

Diese lokale Feldverstärkung kann dazu führen, dass das Gerät bei einer Spannung ausfällt, die deutlich unter der vorgesehenen Nennspannung liegt.

Der Effekt ist bei Hochspannungsgeräten besonders schwerwiegend, da die aktive Gerätefläche größer ist und die Wahrscheinlichkeit, auf einen kritischen Substratdefekt zu stoßen, steigt.

Erhöhter Leckstrom

Der hohle Kern und die umgebende Gitterverzerrung können Leckpfade durch das Substrat und die Epitaxiestruktur erzeugen.

Geräte, die sich in der Nähe von Mikrorohren befinden, können daher einen erhöhten Sperrableitstrom, instabile Sperreigenschaften oder einen Ausfall bei der elektrischen Abschirmung aufweisen.

Reduzierte Waferausbeute

Ein Mikrorohr kann die gesamte vertikale Gerätestruktur oberhalb seiner Position beeinträchtigen. Jeder Stumpf, der direkt über dem Defekt hergestellt wurde, muss möglicherweise zurückgewiesen werden.

Bei großflächigen Geräten kann ein einziges Mikrorohr dazu führen, dass der gesamte Chip unbrauchbar wird. Daher ist die Reduzierung der Mikrorohrdichte für die Verbesserung der nutzbaren Gerätefläche und die Senkung der Herstellungskosten von entscheidender Bedeutung.

Epitaktische Defektausbreitung

Defekte in einem SiC-Substrat können sich in eine auf dem Wafer gewachsene homoepitaxiale Schicht ausbreiten. Schraubenbedingte Substratdefekte können daher die Morphologie und Kristallqualität der überwachsenen Epischicht beeinflussen.

Untersuchungen zur SiC-Epitaxie haben gezeigt, dass sich Substratversetzungen beim Wachstum der Epitaxieschicht replizieren oder verändern können, weshalb die Qualität der Substratdefekte auch nach der epitaktischen Abscheidung relevant bleibt.

Was ist eine Basalebenenluxation?

Eine Basalebenenversetzung, allgemein als BPD abgekürzt, ist eine Versetzung, die hauptsächlich innerhalb der Basalebene des hexagonalen SiC-Kristalls liegt.

In 4H-SiC entspricht die Basisebene der kristallographischen Ebene senkrecht zur c-Achse. Im Gegensatz zu Fadenversetzungen, die sich ungefähr durch die Waferdicke erstrecken, können BPDs seitlich durch den Kristall wandern.

BPDs können während des physikalischen Dampftransportkristallwachstums aufgrund von thermischer Belastung, ungleichmäßiger Temperaturverteilung oder Spannungsrelaxation entstehen. Untersuchungen zeigen, dass thermoelastische Spannungen im wachsenden Kristall die Keimbildung und Vermehrung von BPDs fördern können, insbesondere wenn die aufgelöste Scherspannung entlang der Basisebene ausreichend hoch wird.

Sie können auch mit Spannungen verbunden sein, die beim Abkühlen, Schneiden, Schleifen oder anderen Wafer-Verarbeitungsschritten entstehen.

Wie Basalebenenversetzungen die SiC-Leistung beeinflussen

BPDs sind besonders wichtig, da sie sowohl bipolare als auch unipolare SiC-Geräte betreffen können.

Entstehung von Stapelfehlern

Eines der größten Risiken im Zusammenhang mit einer Basalebenenversetzung besteht darin, dass sie als Quelle für die Ausbreitung von Stapelfehlern dienen kann.

Wenn ein bipolarer Strom durch ein SiC-Gerät fließt, kann die Elektron-Loch-Rekombination in der Nähe eines BPD Energie liefern, die es einem Stapelfehler ermöglicht, sich durch die Epitaxieschicht auszudehnen.

Der vergrößerte Stapelfehler verändert die lokale elektronische Struktur und erzeugt eine Region mit verschlechtertem Ladungsträgertransport.

Bipolarer Abbau

Die Erweiterung durch Stapelfehler kann die Durchlassspannung eines bipolaren SiC-Geräts während des Betriebs erhöhen. Dieses Phänomen wird allgemein als bipolare Degradation bezeichnet.

In der Vergangenheit war dies ein großes Problem hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Geräten wie:

• PiN-Dioden;
• Bipolartransistoren;
• Thyristoren;
• die Body-Diode von SiC-MOSFETs.

Wenn sich der Stapelfehler ausdehnt, kann die effektive leitende Fläche kleiner werden und der Widerstand im eingeschalteten Zustand des Geräts ansteigen.

Das Gerät besteht möglicherweise zunächst die elektrischen Tests, zeigt jedoch nach längerer Stromeinspeisung allmählich eine verminderte Leistung.

Auswirkungen auf SiC-MOSFET-Body-Dioden

Obwohl SiC-MOSFETs als unipolare Geräte klassifiziert werden, leiten ihre intrinsischen Body-Dioden bipolaren Strom.

Wenn die Body-Diode über einen längeren Zeitraum in Betrieb ist, kann die BPD-bedingte Stapelfehlerausdehnung zu einer Durchlassspannungsdrift oder einem erhöhten Einschaltwiderstand führen.

Moderne Gerätestrukturen und Epitaxieprozesse haben dieses Risiko erheblich reduziert, die BPD-Dichte bleibt jedoch ein wichtiger Gesichtspunkt, wenn der Betrieb von MOSFET-Bodydioden erwartet wird.

Leckage- und Zuverlässigkeitsrisiken

BPDs und damit verbundene Stapelfehler können die lokale Trägerlebensdauer, das Rekombinationsverhalten und den Stromfluss verändern.

Abhängig von ihrer Position und Wechselwirkung mit anderen Defekten können sie dazu beitragen:

• lokale Leckage;
• Instabilität der Vorwärtsspannung;
• aktuelles Gedränge;
• verminderte Lebensdauer von Minderheitsträgern;
• langfristige Zuverlässigkeitsschwankung.

Eine BPD führt nicht unbedingt zu einem sofortigen katastrophalen Ausfall. Ihre Auswirkungen hängen vom Gerätetyp, den aktuellen Bedingungen, der Epitaxiestruktur und davon ab, ob die Versetzung in der Basisebene verbleibt oder sich in einen anderen Versetzungstyp umwandelt.

BPD-Ausbreitung vom Substrat in die Epitaxieschicht

Während des epitaktischen Wachstums von 4H-SiC kann sich ein aus dem Substrat stammendes BPD im Wesentlichen auf zwei Arten verhalten.

Es kann sein:

1. breiten sich weiterhin als Basalebenenversetzung in der Epischicht aus; oder
2. wandeln sich in eine Fadenkantenversetzung in der Nähe der Substrat-Epischicht-Grenzfläche um.

Die Umwandlung in eine Durchdringungskantenversetzung wird normalerweise bevorzugt, da eine Durchdringungskantenversetzung unter bipolarem Strom mit geringerer Wahrscheinlichkeit einen sich ausdehnenden Stapelfehler in der Basisebene erzeugt.

Studien zur 4H-SiC-Epitaxie haben beobachtet, dass sich Substrat-BPDs in der Nähe der Grenzfläche in Fadenkantenversetzungen umwandeln. Das Konversionsverhalten wird durch Stufenflusswachstum und epitaktische Bedingungen beeinflusst.

Wichtige Prozessvariablen können sein:

• Substrat-Abschnittswinkel;
• C/Si-Verhältnis;
• epitaktische Wachstumsrate;
• Oberflächenstufenstruktur;
• Wachstumsunterbrechungen;
• Pufferschichtdesign.

Aus diesem Grund kann die Qualität von SiC in Gerätequalität nicht allein durch die Untersuchung des Substrats beurteilt werden. Substrat und Epitaxieschicht müssen als integriertes Materialsystem betrachtet werden.

Mikropipes vs. Basalebenenversetzungen

Obwohl es sich bei beiden um kristallografische Defekte handelt, bergen Mikroröhren und BPDs unterschiedliche Geräterisiken.

Vereinfacht ausgedrückt sind Mikrorohre häufig mit einem unmittelbaren Produktionsausbeuteverlust verbunden, während BPDs eher mit einer Verschlechterung des Betriebs und der langfristigen Zuverlässigkeit verbunden sind.

Die tatsächliche Auswirkung jedes Defekts hängt jedoch von seiner Lage, Größe, dem umgebenden Spannungsfeld und seiner Beziehung zur aktiven Gerätestruktur ab.

Wie Mikropipes und BPDs erkannt werden

Keine einzelne Inspektionsmethode liefert vollständige Informationen über jeden SiC-Defekt. Hersteller kombinieren oft mehrere Techniken.

Ätzen mit geschmolzenem KOH

Durch das Ätzen mit geschmolzenem Kaliumhydroxid werden Versetzungen als Ätzgruben auf der SiC-Oberfläche selektiv sichtbar gemacht.

Mikrorohre, Gewindeschraubenversetzungen, Gewindekantenversetzungen und Basalebenenversetzungen können Ätzmerkmale unterschiedlicher Form und Größe erzeugen.

Das KOH-Ätzen ist für die Messung und Forschung von Defektdichten nützlich, aber es ist destruktiv, da es die Waferoberfläche verändert. Eine Untersuchung von geätztem 6H-SiC zeigte, dass optimierte Bedingungen für geschmolzenes KOH Mikroröhren und mehrere Versetzungstypen erkennen lassen können.

Röntgentopographie

Die Röntgentopographie ist eine zerstörungsfreie Technik, die durch kristallographische Defekte verursachte Gitterverzerrungen abbildet.

Es kann Folgendes offenbaren:

• Versetzungen der Basalebene;
• Gewindeschraubenversetzungen;
• Einfädelungskantenversetzungen;
• Stapelfehler;
• Korngrenzen mit kleinem Winkel.

Die Synchrotron-Röntgentopographie liefert besonders detaillierte Defektbilder und wird häufig in der fortgeschrittenen SiC-Kristallforschung und Defektmechanismusanalyse eingesetzt.

Bildgebung mit polarisiertem Licht und Doppelbrechung

Spannungsfelder um Versetzungen verändern die optische Reaktion des Kristalls. Daher kann die Bildgebung mit polarisiertem Licht verwendet werden, um Versetzungen und Restspannungsmuster zerstörungsfrei sichtbar zu machen.

Jüngste Arbeiten haben die Beobachtung mit polarisiertem Licht als schnelle Methode zur Defektvisualisierung und automatisierten Waferqualitätsprüfung hervorgehoben.

Photolumineszenz-Bildgebung

Photolumineszenzbildgebung wird häufig zur Inspektion epitaktischer SiC-Schichten eingesetzt.

Es kann elektrisch aktive Defekte erkennen und dabei helfen, Stapelfehler, BPD-bezogene Merkmale und andere epitaktische Mängel zu identifizieren.

Zur Untersuchung unterschiedlicher Tiefen oder Defektarten können unterschiedliche Anregungswellenlängen ausgewählt werden.

Optische und Infrarotinspektion

Da Mikroröhren hohle Kerne enthalten, können einige mit optischen oder infraroten Übertragungsmethoden beobachtet werden.

Automatisierte optische Inspektionssysteme können für die Kartierung von Defekten auf dem gesamten Wafer verwendet werden, ihre Erkennungsfähigkeit hängt jedoch von den Defektabmessungen, der Waferdicke und dem Bildkontrast ab.

Zuordnung elektrischer Geräte

Die abschließende Geräteprüfung liefert zusätzliche Beweise für die Auswirkungen von Substrat- und Epitaxiedefekten.

Die Korrelation von Defektkarten mit elektrischen Ergebnissen kann Aufschluss darüber geben, ob ein bestimmter Defekt mit Folgendem zusammenhängt:

• Rückwärtsleckage;
• niedrige Durchbruchspannung;
• Vorwärtsspannungsdrift;
• abnormaler Einschaltwiderstand;
• Frühzeitiges Versagen der Zuverlässigkeit.

Warum die Fehlerdichte nicht der einzige Qualitätsindikator ist

Eine niedrigere Gesamtversetzungsdichte ist im Allgemeinen wünschenswert, eine einzelne Dichtezahl beschreibt jedoch die Substratqualität nicht vollständig.

Zwei Wafer mit ähnlicher Gesamtdefektdichte können unterschiedliche Geräteausbeuten liefern, da die Defekte unterschiedliche Arten und räumliche Verteilungen haben.

Wichtige Überlegungen sind:

• Fehlerart;
• Defektclusterdichte;
• radiale Verteilung;
• Kantenausschluss;
• nutzbare Fläche;
• Vorhandensein großer fehlerfreier Zonen;
• Korrelation zwischen Substrat- und Epischichtdefekten;
• vorgesehene Gerätegröße.

Ein Wafer, der für viele kleine Geräte vorgesehen ist, kann eine Defektverteilung tolerieren, die für eine kleine Anzahl großer Hochspannungschips unakzeptabel wäre.

Daher sollten Substratspezifikationen in Bezug auf die geplante Gerätearchitektur und die Chipabmessungen bewertet werden.

Was Käufer von SiC-Substraten beachten sollten

Beim Kauf von SiC-Substraten für die Epitaxie oder Geräteherstellung sollten sich Käufer nicht nur auf Durchmesser, Dicke und Dotierung verlassen.

Die folgenden mangelbezogenen Informationen sollten ebenfalls mit dem Lieferanten besprochen werden.

Mikrorohrdichte

Fordern Sie die maximale oder typische Mikrorohrdichte an und klären Sie, ob der Wert für den gesamten Wafer, die Nutzfläche oder ausgewählte Messpunkte gilt.

Für anspruchsvolle Anwendungen kann eine mikrorohrfreie Spezifikation innerhalb des aktiven Bereichs erforderlich sein.

Versetzungsdichte der Basalebene

Fragen Sie, wie die BPD-Dichte gemessen wird und ob sich der angegebene Wert auf das Substrat, eine Epitaxieschicht oder beides bezieht.

Die Messtechnik sollte angegeben werden, da Ätzen, Röntgentopographie und optische Methoden möglicherweise nicht direkt austauschbare Ergebnisse liefern.

Threading-Versetzungsdichte

BPDs sollten zusammen mit Folgendem bewertet werden:

• Gewindeschraubenversetzungen;
• Einfädelungskantenversetzungen;
• Einfädeln gemischter Versetzungen.

Aufgrund der Umwandlung von BPDs in Threading-Versetzungen während der Epitaxie ist diese kombinierte Bewertung besonders wichtig.

Defektkarten

Fordern Sie für hochwertige Anwendungen eine Defektkarte auf Waferebene an und nicht nur eine durchschnittliche Dichte.

Eine Fehlerkarte erleichtert die Identifizierung von Clustern, kantenbezogenen Fehlern und Regionen, die für großflächige Chips geeignet sind.

Epitaktische Kompatibilität

Bestätigen Sie, dass die Substratausrichtung, der Schnittwinkel, die Oberflächenbeschaffenheit und das Defektniveau für den beabsichtigten Epitaxieprozess geeignet sind.

Die Ausbreitung und Umwandlung von BPDs kann von den epitaktischen Wachstumsbedingungen abhängen, einschließlich des C/Si-Verhältnisses und der Wachstumsrate.

Inspektionsstandard

Die Kaufspezifikation sollte Folgendes definieren:

• Inspektionsmethode;
• geprüfte Oberfläche;
• Kantenausschluss;
• Abtastfrequenz;
• Akzeptanzkriterien;
• Berichtsformat.

Ohne einheitliche Prüfkriterien kann es schwierig sein, die Fehlerdichtezahlen verschiedener Lieferanten zu vergleichen.

Wie SiC-Hersteller diese Fehler reduzieren

Die Reduzierung von Micropipes und BPDs erfordert eine Kontrolle während des gesamten Boule-Wachstums und der Wafer-Herstellung.

Wichtige Strategien sind:

• Verbesserung der Impfkristallqualität;
• Stabilisierung des PVT-Wärmefeldes;
• Reduzierung radialer und axialer Wärmegradienten;
• Steuern der Kristallwachstumsschnittstelle;
• Minimierung der thermoelastischen Spannung;
• Optimierung der Kühlbedingungen;
• Kontrolle der Kristallschulterbildung;
• Reduzierung der bearbeitungsbedingten Restspannung;
• Optimierung des epitaktischen Step-Flow-Wachstums.

Die Reduzierung von Mikrorohren hat stark von einer verbesserten Wachstumstechnologie und Saatgutauswahl profitiert.

Die BPD-Reduktion bleibt komplexer, da BPDs während des Boule-Wachstums unter thermoelastischer Belastung Keime bilden und vermehren können. Abhängig von den Epitaxiebedingungen können sie sich auch unterschiedlich ausbreiten.

Auswahl von SiC-Substraten für verschiedene Anwendungen

Die zulässige Fehlerspezifikation hängt von der Endverwendung ab.

Schottky-Barrieredioden

Mikrorohre und andere Defekte, die die Leckage erhöhen oder die Durchbruchspannung senken, sind kritisch.

Da Schottky-Geräte in erster Linie auf dem Transport von Mehrheitsträgern basieren, ist die BPD-bedingte bipolare Verschlechterung im Allgemeinen weniger direkt als bei PiN-Dioden. Allerdings können Substrat- und Epischichtdefekte immer noch die Ausbeute und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

SiC-MOSFETs

Für eine hohe Zerkleinerungsausbeute ist eine geringe Mikrorohrdichte erforderlich.

Die BPD-Steuerung ist auch dann wichtig, wenn die intrinsische Body-Diode während des Wandlerbetriebs oder bei Zuverlässigkeitstests leitet.

PiN-Dioden und bipolare Geräte

Die BPD-Dichte ist besonders wichtig, da die bipolare Strominjektion eine Stapelfehlerausweitung und eine Verschlechterung der Vorwärtsspannung auslösen kann.

Hochspannungs-Großflächengeräte

Bei großen Matrizen ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie einen Killerdefekt durchschneiden.

Diese Anwendungen erfordern im Allgemeinen strengere Fehlerspezifikationen und eine detailliertere Abbildung des gesamten Wafers.

Forschung und Prozessentwicklung Wafer

Test- oder Forschungssubstrate können höhere Fehlerdichten tolerieren, wenn das Ziel Gerätetests, Prozessentwicklung oder unkritische Materialforschung ist.

Der Fehlergrad sollte jedoch dennoch dokumentiert werden, damit die Versuchsergebnisse korrekt interpretiert werden können.

Abschluss

Mikroröhren und Basalebenenversetzungen beeinflussen die Leistung des SiC-Substrats durch verschiedene physikalische Mechanismen.

Mikrorohre sind Hohlkerndefekte, die zu schwerwiegenden Leckagen, vorzeitigem Ausfall und sofortigem Verlust der Chipausbeute führen können. Basalebenenversetzungen sind planare kristallographische Defekte, die sich in die Epitaxieschicht ausbreiten oder unter bipolarem Strom eine Stapelfehlerausdehnung auslösen können.

Bei SiC-Leistungsbauelementen sollte die Substratqualität daher nicht nur anhand einer allgemeinen Fehlerdichtespezifikation bewertet werden. Käufer sollten die Art des Defekts, die räumliche Verteilung, die Inspektionsmethode, das Epitaxieverhalten und die Empfindlichkeit der beabsichtigten Gerätestruktur berücksichtigen.

Da sich die Herstellung von SiC-Wafern weiter verbessert, helfen eine geringere Mikrorohrdichte und ein besseres BPD-Management Geräteherstellern dabei, höhere Erträge, eine stabilere elektrische Leistung und eine längere Betriebszuverlässigkeit zu erzielen.

Häufig gestellte Fragen

Sind Mikroröhren in kommerziellen SiC-Wafern immer noch üblich?

Die Mikroröhrendichte in modernen kommerziellen SiC-Substraten ist viel geringer als in früheren Materialgenerationen. Dennoch bleibt die Inspektion wichtig, da ein einzelnes Mikrorohr Auswirkungen auf ein großes Hochspannungsgerät haben kann.

Ist eine Basalebenenluxation immer ein tödlicher Defekt?

Nicht unbedingt. Seine Wirkung hängt davon ab, ob es sich in die aktive Epischicht ausbreitet, sich in eine Fadenversetzung umwandelt oder die Stapelfehlerausdehnung während des Betriebs fördert.

Warum sind BPDs für bipolare SiC-Geräte besonders wichtig?

Bipolare Strominjektion kann die Ausbreitung von Stapelfehlern stimulieren, die von BPDs herrühren. Dies kann die Vorwärtsspannung erhöhen und mit der Zeit die Geräteleistung beeinträchtigen.

Können BPDs während des epitaktischen Wachstums entfernt werden?

Einige Substrat-BPDs können sich in der Nähe der Substrat-Epischicht-Grenzfläche in Gewindekantenversetzungen umwandeln. Die Optimierung des epitaktischen Prozesses kann die Umwandlungsrate erhöhen, sie beseitigt jedoch nicht jeden kristallografischen Defekt physikalisch.

Welche Methode eignet sich am besten zur Untersuchung von SiC-Versetzungen?

Die geeignete Methode hängt vom Wafer und der Anwendung ab. Die Röntgentopographie ermöglicht eine detaillierte zerstörungsfreie Defektkartierung, das KOH-Ätzen liefert klare Versetzungsätzgruben und Photolumineszenz wird häufig zur Inspektion von Epitaxieschichten eingesetzt.

Welche Informationen sollten in einer SiC-Substratanfrage enthalten sein?

Eine vollständige Anfrage sollte Waferdurchmesser, Polytyp, Leitfähigkeitstyp, Dotierung, Ausrichtung, Off-Cut-Winkel, Dicke, Polierung, Oberflächenrauheit, Mikroröhrendichte, Versetzungsanforderungen, Kantenausschluss, Inspektionsmethode, Menge und beabsichtigte Anwendung angeben.