材料の観点から炭化シリコン電源装置のテクノロジーの信頼性を改善するにはどうすればよいですか？

- 炭化シリコン材料の信頼性を改善する方法は？

シリコン炭化物産業チェーンには、炭化シリコンパウダー、シリコン炭化物インゴット、シリコンカーバイド基板、シリコン炭化物エピタキシー、シリコンカーバイドウェーハ、シリコン炭化物チップ、シリコン炭化物デバイスパッケージが含まれます。その中で、基質、エピタキシャルウェーハ、ウェーハ、デバイスのパッケージングとテストは、シリコン炭化物のバリューチェーンで最も重要な4つの部品です。基板のコストは、炭化シリコンデバイスの総コストの50％を占めています。エピタキシー、ウェーハ、パッケージングとテストのコストは、それぞれ25％、20％、5％です。

炭化シリコン材料の信頼性は、最終的なデバイスの性能にとって非常に重要です。材料の特性と、業界チェーン内のすべての部分からの欠陥の原因を調査し、上流および下流の企業と協力することにより、シリコン炭化物の電力装置の信頼性を向上させます。

1。炭化シリコンクリスタルインゴットの成長と準備方法

炭化シリコンの異性体は250種類以上ありますが、4H-SIC単結晶構造は主に電源半導体を作るために使用されます。シリコン炭化物の単結晶の成長中、4H結晶形は小さな成長窓を持ち、温度と圧力設計の厳格な基準を持っています。成長プロセス中の不正確な制御は、2H、3C、6H、15Rなどの他の構造とともに炭化シリコン結晶をもたらします。

業界では、シリコン炭化物単結晶インゴット、つまり昇華PVT、HT-CVD、およびLPE（溶液成長法）の調製には3つの方法があります。その中でも、昇華PVTは最も主流の準備方法であり、商業使用のためのシリコン炭化物インゴットの約95％がPVTによって栽培されています。プロセス中にシリコン炭化物粉を特別な装備で加熱し、温度が2200〜2500°Cに上昇した後、粉末が崇高になり始めます。

炭化シリコンにはガス状と固体しかないが、液体状態はないため、インゴットは昇華後に上部に結晶化します。シリコン単結晶の成長率は約300mm/hで、炭化シリコン単結晶の成長速度は約400um/hです。 2つの違いは800倍近くであることが明らかにわかります。たとえば、5センチメートルのインゴットの形成には、200〜300時間の継続的かつ安定した成長が必要です。これは、炭化物のシリコンインゴットの準備速度が非常に遅いため、インゴットが高価になることを示しています。

2。シリコン炭化物の欠陥単結晶インゴットと基質

シリコン炭化物のインゴットと基質の両方に、積み重ね断層、微小管、浸透したネジ脱臼、貫通エッジ脱臼、ベースプレーンの転位など、多くの結晶欠陥が含まれています。

炭化シリコンインゴットの欠陥は、最終的なデバイスの収量に大きく影響します。これは、業界チェーンの非常に重要なトピックであり、さまざまな基板メーカーが炭化シリコンの炭化物インゴットの欠陥密度を減らすための努力を節約していません。

3。炭化シリコン基板の信頼性

基質は、クリスタルインゴットを薄いスライスに切り、滑らかにし、研磨することによって得られる生成物です。基質は、研磨プロセスの後に良好な表面品質を得て、エピタキシャル成長の欠陥の生成を抑制し、それによって高品質のエピタキシャルウェーハを得ることができます。その表面の品質には、平坦性、表面近くの脱臼、残留応力が含まれます。

エピタキシャル成長の初期段階での欠陥の発生を抑制するために、基質の表面はストレスがなく、表面近くの脱臼でなければなりません。表面近くの残留損傷が十分に除去されていない場合、基質上のエピタキシャル成長は巨視的な欠陥を引き起こします。したがって、基質の品質レベルは、その後のエピタキシャル成長の品質レベルに深刻な影響を与えます。

4.炭化シリコンエピタキシャルの成長と信頼性

エピタキシーとは、基質の上面にある単結晶材料4H-SICの成長を指します。これは、基質と均一です。炭化シリコンには多くの異性体があります。高品質のエピタキシャル材料の調製を確保するために、他の結晶タイプの導入を避けるために特別な技術が必要です。現在の標準化されたプロセスは、4°のベベルを使用することです4H-SIC単結晶基質ステップ制御成長技術を備えています。

現在使用されている現在使用されているプロセスは、CVDメソッドです。一般的に使用される装置は、温水水平エピタキシャル炉であり、よく使用される反応前駆体ガスはシラン（SIH4）、メタン（CH4）、エチレン（C2H4）など、窒素（N2）およびトリメチルアルミニウム（TMA）が不純物の原因として使用されます。典型的な成長温度範囲は1500〜1650°で、成長率は5〜30μm/hです。

エピタキシャル層の成長は、結晶の成長とウェーハ処理で導入された多くの表面または表面近くの欠陥を排除し、結晶格子をきれいにし、表面の形態を改善します。厚いエピタキシャル層、良好な表面形態、および低ドーピング濃度は、分解電圧を増加させるために非常に重要です。このようなエピタキシャルウェーファーは、パラメーターの安定性と収量を大幅に改善できる電力デバイスの製造に使用されます。

5.炭化シリコンエピタキシャルウェーハと基質の欠陥との関係

上記のように、炭化シリコンのエピタキシャル層の欠陥は、基質と成長プロセスに関連しています。エピタキシャル層の欠陥には、表面地形の欠陥、微小管欠陥、脱臼、その他のタイプが含まれます。表面の形態の欠陥には、ニンジンの欠陥（場合によっては彗星の形）、浅いピット、三角形の欠陥、ドロップアウトが含まれます。基質の微小管欠陥は、エピタキシャル層にコピーされます。現在、基質内の微小管の密度は0.1/cm2よりもはるかに低く、ほとんど除去されています。

炭化シリコンのエピタキシャル層のほとんどの脱臼は、基質の脱臼に由来します。基質脱臼には主にTSD、TED、およびBPDがあります。エピタキシーによって導入される一般的な脱臼とニンジンの欠陥は、炭化シリコンのエピタキシーの質に影響を与える重要な問題です。

6.最終的なデバイスでの炭化シリコンエピタキシャルウェーハ欠陥の影響

エピタキシャル成長プロセス中、基質のTSDの約98％がTSDに変換され、残りはFrank SFSに変換されます。 TEDの100％がTEDに変更されます。 BPDの約95％がTEDに変わり、少量のBPDが維持されます。

TSDとTEDは、最終シリコンカーバイドデバイスのパフォーマンスにほとんど影響を与えませんが、BPDはデバイスのパフォーマンスの低下を引き起こします。したがって、人々はBPDにもっと注意を払います。積み重ね障害、ニンジンの欠陥、三角形の欠陥、落下物、その他の欠陥は、キラー欠陥です。これらの欠陥がデバイスに表示されると、デバイスはテストに失敗し、双極デバイスなどの収量が低くなります。 TriodesとIGBTはBPDにより敏感です。

欠陥/デバイス	SBD	MOSFET、JFET	PIN、BJT、Thyristor、IGBT
TSD（ピットなし）	なし	なし	なし、しかしそれは部分的なキャリアの寿命を減らすでしょう
テッド（ピットなし）	なし	なし	なし、しかしそれは部分的なキャリアの寿命を減らすでしょう
BPD（インターフェイスの脱臼、ハーフリングアレイを含む）	なし、しかしそれはMPSダイオードの劣化を引き起こします	なしではありませんが、ボディダイオードの劣化を引き起こします	双極分解（耐性および漏れ電流の増加）
内因性の積み重ね障害	VB削減（20％〜50％）	VB削減（20％〜50％）	VB削減（20％〜50％）
ニンジンの欠陥、三角形の欠陥	VB削減（30％〜70％）	VB削減（30％〜70％）	VB削減（30％〜70％）
欠陥のドロップ	VB削減（50％-90％）	VB削減（50％-90％）	VB削減（50％-90％）

 

7.炭化シリコン材料が直面する2つの課題

シリコン炭化物材料が直面する重要な課題の1つは、プロモーションの価格が高すぎ、基質の価格がシリコンおよびサファイア基質の価格よりもはるかに高いことです。現在、炭化シリコンの主流の直径は4〜6インチであり、価格を下げるためにサイズを拡張するには、より成熟した成長技術が必要です。

一方、炭化シリコンの脱臼密度は102-104程度で、これはシリコンおよびヒ素ガリウムの密度よりもはるかに高くなっています。さらに、炭化シリコンには依然として大きなストレスがあり、表面パラメーターの問題を引き起こす可能性があります。シリコン炭化物基板の品質を改善することは、エピタキシャル材料の品質、デバイスの準備、信頼性、デバイスの寿命を改善する重要な方法です。

 

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