– 실리콘 카바이드 재료의 신뢰성을 향상시키는 방법은 무엇입니까?
탄화규소 산업 체인에는 탄화규소 분말, 탄화규소 잉곳, 탄화규소 기판, 탄화규소 에피택시, 탄화규소 웨이퍼, 탄화규소 칩 및 탄화규소 장치 패키징이 포함됩니다. 그 중 기판, 에피택셜 웨이퍼, 웨이퍼, 디바이스 패키징 및 테스트는 실리콘 카바이드 가치 사슬에서 가장 중요한 네 가지 부분입니다. 기판 비용은 탄화규소 장치 총 비용의 50%를 차지합니다. 에피택시, 웨이퍼, 패키징 및 테스트 비용은 각각 25%, 20% 및 5%입니다.
실리콘 카바이드 재료의 신뢰성은 최종 장치의 성능에 매우 중요합니다. 산업 체인의 모든 부품에서 재료의 특성과 결함 원인을 탐색하고 업스트림 및 다운스트림 회사와의 협력을 통해 실리콘 카바이드 전력 장치의 신뢰성을 향상시킵니다.
1. 탄화규소 결정 잉곳의 성장 및 제조방법
탄화규소의 이성질체 종류는 250종 이상이며, 4H-SiC 단결정 구조는 주로 전력 반도체를 만드는 데 사용됩니다. 탄화 규소 단결정의 성장 중에 4H 결정 형태는 작은 성장 창을 가지며 온도 및 압력 설계에 대한 엄격한 표준을 갖습니다. 성장 공정 동안 부정확한 제어는 2H, 3C, 6H 및 15R과 같은 다른 구조를 가진 탄화규소 결정을 생성합니다.
업계에서는 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 세 가지 방법, 즉 승화 PVT, HT-CVD 및 LPE(용액 성장 방법)가 있습니다. 그 중 승화 PVT가 가장 주류를 이루는 제조 방법으로 상업용 실리콘 카바이드 잉곳의 약 95%가 PVT로 성장된다. 공정 중에 특수 장비에서 실리콘 카바이드 분말을 가열하면 온도가 2200-2500°C로 상승한 후 분말이 승화되기 시작합니다.
탄화규소는 기체와 고체만 있고 액체 상태는 없기 때문에 잉곳은 승화 후 상단에서 결정화됩니다. 실리콘 단결정의 성장 속도는 약 300mm/h이고, 탄화규소 단결정의 성장 속도는 약 400um/h이다. 둘의 차이가 거의 800배나 되는 것을 분명히 알 수 있습니다. 예를 들어, 5~6센티미터 잉곳을 형성하려면 200~300시간 동안 지속적이고 안정적인 성장이 필요합니다. 이는 실리콘 카바이드 잉곳의 준비 속도가 매우 느려 잉곳이 비싸다는 것을 보여줍니다.
2. 탄화규소 단결정 잉곳 및 기판의 결함
실리콘 카바이드 잉곳과 기판 모두 적층 결함, 미세소관, 관통 나사 전위, 관통 모서리 전위, 베이스 평면 전위 등과 같은 많은 결정 결함을 포함합니다.
실리콘 카바이드 잉곳 결함은 최종 장치의 수율에 큰 영향을 미치며 이는 산업 체인에서 매우 중요한 주제이며 다양한 기판 제조업체는 실리콘 카바이드 잉곳의 결함 밀도를 줄이기 위해 노력을 아끼지 않습니다.
3. 실리콘 카바이드 기판의 신뢰성
기질은 결정 잉곳을 얇게 자르고 평활화하고 연마하여 얻은 제품입니다. 기판은 연마 공정 후에 양호한 표면 품질을 얻음으로써 에피택셜 성장에서의 결함 발생을 억제할 수 있어 고품질의 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있다. 표면 품질에는 평탄도, 표면 근처 전위 및 잔류 응력이 포함됩니다.
에피택셜 성장 초기 단계에서 결함 발생을 억제하기 위해서는 기판 표면에 응력이 없고 표면 근처 전위가 없어야 합니다. 표면 근처의 잔류 손상이 충분히 제거되지 않으면 기판의 에피택셜 성장으로 인해 거시적 결함이 발생합니다. 따라서 기판의 품질 수준은 후속 에피택셜 성장의 품질 수준에 심각한 영향을 미칩니다.
4. 실리콘 카바이드 에피택셜 성장 및 신뢰성
에피택시는 기판과 균질한 기판의 상부 표면에 단결정 물질 4H-SiC의 성장을 의미한다. 실리콘 카바이드는 많은 이성질체를 가지고 있습니다. 고품질 에피택셜 재료의 준비를 보장하기 위해서는 다른 결정 유형을 도입하지 않도록 특별한 기술이 필요합니다. 현재 표준화된 프로세스는 4° 베벨을 사용하는 것입니다.4H-SiC 단결정 기판단계 제어 성장 기술로.
현재 일반적으로 사용되는 프로세스는 CVD 방법입니다. 일반적으로 사용되는 장비는 열벽 수평 에피택시로이며, 자주 사용되는 반응 전구체 가스는 실란(SiH4), 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4) 등이며, 질소(N2)와 트리메틸알루미늄(TMA)은 불순물 공급원으로 사용됩니다. 일반적인 성장 온도 범위는 1500~1650℃이고 성장 속도는 5~30μm/h입니다.
에피택셜 층의 성장은 결정 성장 및 웨이퍼 처리에서 발생하는 많은 표면 또는 표면 근처의 결함을 제거하여 결정 격자를 깔끔하게 만들고 표면 형태를 개선할 수 있습니다. 두꺼운 에피택셜 층, 우수한 표면 형태 및 낮은 도핑 농도는 항복 전압을 높이는 데 매우 중요합니다. 이러한 에피택셜 웨이퍼는 파라미터 안정성과 수율을 크게 향상시킬 수 있는 전력 장치를 제조하는 데 사용됩니다.
5. 실리콘 카바이드 에피택셜 웨이퍼와 기판 결함의 관계
위에서 언급한 바와 같이 탄화규소 에피층의 결함은 기판 및 성장 공정과 관련이 있습니다. 에피택시층 결함에는 표면 형상 결함, 미세소관 결함, 전위 및 기타 유형이 포함됩니다. 표면 형태 결함에는 당근 결함(경우에 따라 혜성 모양), 얕은 구덩이, 삼각형 결함 및 드롭아웃이 포함됩니다. 기판의 미세소관 결함은 에피택셜 층에 복사됩니다. 현재 기판의 마이크로튜브 밀도는 거의 제거된 0.1/cm2보다 훨씬 낮습니다.
실리콘 카바이드 에피택셜 층의 대부분의 전위는 기판 전위에서 비롯됩니다. 기판 전위는 주로 TSD, TED 및 BPD를 갖는다. epitaxy에 의해 도입된 일반적인 전위 및 당근 결함은 탄화규소 epitaxy의 품질에 영향을 미치는 중요한 문제입니다.
6. 실리콘 카바이드 에피택셜 웨이퍼 결함이 최종 장치에 미치는 영향
에피택셜 성장 공정 동안 기판에 있는 TSD의 약 98%가 TSD로 변환되고 나머지는 Frank SF로 변환됩니다. TED의 100%가 TED로 변경됩니다. BPD의 약 95%가 TED로 전환되고 소량의 BPD가 유지됩니다.
TSD와 TED는 최종 실리콘 카바이드 장치의 성능에 거의 영향을 미치지 않지만 BPD는 장치 성능 저하를 유발합니다. 그래서 사람들은 BPD에 더 많은 관심을 기울입니다. 적재 결함, 당근 결함, 삼각형 결함, 낙하물 및 기타 결함은 킬러 결함입니다. 이러한 결함이 장치에 나타나면 장치는 테스트에 실패하여 예를 들어 바이폴라 장치와 같이 수율이 낮아집니다. 삼극관과 IGBT는 BPD에 더 민감합니다.
| 결함/장치 | SBD | MOSFET, JFET | 핀, BJT, 사이리스터, IGBT |
| TSD(피트 없음) | 없음 | 없음 | 없음, 하지만 부분 반송파의 수명을 감소시킵니다. |
| TED(피트 없음) | 없음 | 없음 | 없음, 하지만 부분 반송파의 수명을 감소시킵니다. |
| BPD(계면 전위, 하프 링 어레이 포함) | 없음, 하지만 MPS 다이오드 성능 저하를 일으킴 | 없음, 하지만 바디 다이오드 성능 저하를 유발함 | 바이폴라 열화(온 저항 및 누설 전류 증가) |
| 내인성 스태킹 결함 | VB감소 (20%-50%) | VB감소 (20%-50%) | VB감소 (20%-50%) |
| 당근 결함, 삼각형 결함 | VB감소 (30%-70%) | VB감소 (30%-70%) | VB감소 (30%-70%) |
| 낙하 결함 | VB감소(50%-90%) | VB감소(50%-90%) | VB감소(50%-90%) |
7. 실리콘 카바이드 소재가 직면한 두 가지 과제
실리콘 카바이드 재료가 직면한 중요한 문제 중 하나는 판촉 가격이 너무 높고 기판 가격이 실리콘 및 사파이어 기판보다 훨씬 높다는 것입니다. 현재 실리콘 카바이드 기판의 주류 직경은 4~6인치이며 가격을 낮추기 위해 크기를 확장하려면 더 성숙한 성장 기술이 필요합니다.
한편, 실리콘 카바이드의 전위 밀도는 102-104 정도로 실리콘 및 비화 갈륨보다 훨씬 높습니다. 또한 실리콘 카바이드는 여전히 큰 응력을 가지고 있어 표면 매개변수에 문제를 일으킬 수 있습니다. 실리콘 카바이드 기판의 품질을 개선하는 것은 에피택셜 재료의 품질, 장치 준비 수율, 장치의 신뢰성 및 수명을 향상시키는 중요한 방법입니다.
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