Los sustratos de carburo de silicio se utilizan ampliamente para fabricar dispositivos de potencia diseñados para funcionar a alto voltaje, alta temperatura y alta frecuencia de conmutación. Sin embargo, las ventajas eléctricas del SiC sólo pueden aprovecharse plenamente cuando el sustrato y las capas epitaxiales tienen densidades de defectos cristalográficos suficientemente bajas.

Entre los defectos asociados con el crecimiento de cristales de SiC, los microtubos y las dislocaciones del plano basal son particularmente importantes. Aunque difieren mucho en estructura y comportamiento, ambos pueden reducir el rendimiento del dispositivo, afectar el rendimiento eléctrico y crear riesgos de confiabilidad a largo plazo.

Comprender estos defectos ayuda a los fabricantes de dispositivos, proveedores de epitaxia y compradores de sustratos a evaluar si unOblea de SiC es adecuado para diodos Schottky, MOSFET, dispositivos bipolares y otras aplicaciones de semiconductores exigentes.

¿Qué es un microtubo en un cristal de SiC?

Un microtubo es un defecto cristalográfico de núcleo hueco que comúnmente se desarrolla alrededor de una dislocación de tornillo con un vector de Burgers grande. En lugar de formar un núcleo de dislocación cerrado a escala atómica, el cristal contiene un canal hueco estrecho que se extiende a través de parte o la totalidad de la bola de SiC.

El defecto generalmente crece aproximadamente a lo largo del eje c cristalográfico y puede cruzar la superficie pulida de la oblea.

Debido a que un microtubo tiene un núcleo hueco real, es más grave que una dislocación de rosca normal. Crea una región local donde la estructura cristalina y las propiedades eléctricas se alteran sustancialmente.

Los microtubos alguna vez estuvieron entre las principales limitaciones que afectaban a los sustratos comerciales de SiC. Las mejoras en el crecimiento del transporte físico de vapor, la calidad de las semillas y el control del campo térmico han reducido significativamente las densidades de microtubos en las obleas comerciales modernas. Sin embargo, la inspección de microtubos sigue siendo importante para dispositivos de alto voltaje y de gran superficie porque incluso una pequeña cantidad de defectos mortales pueden reducir el rendimiento de fabricación.

Cómo los microtubos afectan el rendimiento de los dispositivos de SiC

Los microtubos pueden afectar a un dispositivo de varias formas.

Avería eléctrica prematura

Un microtubo perturba la distribución del campo eléctrico en el interior del dispositivo. Cuando se aplica un alto voltaje inverso, el campo eléctrico puede concentrarse alrededor del defecto.

Esta mejora del campo local puede provocar que el dispositivo se averíe a un voltaje sustancialmente inferior a su clasificación prevista.

El efecto es especialmente grave en dispositivos de alto voltaje porque el área activa del dispositivo es mayor y aumenta la probabilidad de encontrar un defecto crítico en el sustrato.

Mayor corriente de fuga

El núcleo hueco y la distorsión de la red circundante pueden crear vías de fuga a través del sustrato y la estructura epitaxial.

Por lo tanto, los dispositivos ubicados cerca de microtubos pueden presentar una corriente de fuga inversa elevada, características de bloqueo inestables o fallas durante el apantallamiento eléctrico.

Rendimiento reducido de obleas

Un microtubo puede afectar a toda la estructura vertical del dispositivo por encima de su posición. Es posible que sea necesario rechazar cualquier troquel fabricado directamente sobre el defecto.

Para dispositivos de gran superficie, un solo microtubo puede inutilizar todo el troquel. Por lo tanto, reducir la densidad de los microtubos es esencial para mejorar el área utilizable del dispositivo y reducir el costo de fabricación.

Propagación del defecto epitaxial

Los defectos en un sustrato de SiC pueden propagarse hacia una capa homoepitaxial que crece sobre la oblea. Por lo tanto, los defectos del sustrato relacionados con los tornillos pueden influir en la morfología y la calidad cristalina de la epicapa demasiado crecida.

La investigación sobre la epitaxia de SiC ha demostrado que las dislocaciones del sustrato pueden replicarse o transformarse a medida que crece la capa epitaxial, razón por la cual la calidad del defecto del sustrato sigue siendo relevante incluso después del depósito epitaxial.

¿Qué es una dislocación del plano basal?

Una dislocación del plano basal, comúnmente abreviada como BPD, es una dislocación que se encuentra principalmente dentro del plano basal del cristal hexagonal de SiC.

En 4H-SiC, el plano basal corresponde al plano cristalográfico perpendicular al eje c. A diferencia de las dislocaciones de rosca, que se extienden aproximadamente a través del espesor de la oblea, los BPD pueden viajar lateralmente a través del cristal.

Los BPD pueden originarse durante el crecimiento de cristales por transporte físico de vapor debido al estrés térmico, la distribución no uniforme de la temperatura o la relajación de la tensión. Las investigaciones indican que la tensión termoelástica en el cristal en crecimiento puede promover la nucleación y multiplicación de BPD, particularmente cuando la tensión de corte resuelta a lo largo del plano basal se vuelve suficientemente alta.

También pueden estar asociados con el estrés introducido durante el enfriamiento, corte, molienda u otros pasos del procesamiento de obleas.

Cómo las dislocaciones del plano basal afectan el rendimiento del SiC

Los BPD son especialmente importantes porque pueden afectar a dispositivos de SiC tanto bipolares como unipolares.

Formación de fallas de apilamiento

Uno de los riesgos más importantes asociados con una dislocación del plano basal es su capacidad para actuar como fuente de expansión de la falla de apilamiento.

Cuando la corriente bipolar fluye a través de un dispositivo de SiC, la recombinación de huecos de electrones cerca de un BPD puede proporcionar energía que permite que una falla de apilamiento se expanda a través de la capa epitaxial.

La falla de apilamiento ampliada cambia la estructura electrónica local y crea una región con transporte de portador degradado.

Degradación bipolar

La expansión de fallas de apilamiento puede aumentar el voltaje directo de un dispositivo de SiC bipolar durante el funcionamiento. Este fenómeno se denomina comúnmente degradación bipolar.

Históricamente ha sido una preocupación importante por la confiabilidad de dispositivos como:

• diodos PiN;
• transistores de unión bipolar;
• tiristores;
• el diodo del cuerpo de los MOSFET de SiC.

A medida que la falla de apilamiento se expande, el área de conducción efectiva puede disminuir y la resistencia en estado encendido del dispositivo puede aumentar.

Inicialmente, el dispositivo puede pasar las pruebas eléctricas, pero gradualmente muestra un rendimiento degradado después de una inyección de corriente prolongada.

Impacto en los diodos del cuerpo MOSFET de SiC

Aunque los MOSFET de SiC se clasifican como dispositivos unipolares, los diodos de su cuerpo intrínseco conducen corriente bipolar.

Cuando el diodo del cuerpo funciona durante un período prolongado, la expansión de falla de apilamiento relacionada con BPD puede causar una deriva de voltaje directo o una mayor resistencia de encendido.

Las estructuras de dispositivos modernos y los procesos epitaxiales han reducido este riesgo significativamente, pero la densidad de BPD sigue siendo una consideración importante cuando se espera el funcionamiento del cuerpo-diodo MOSFET.

Riesgos de fugas y confiabilidad

Las BPD y las fallas de apilamiento asociadas pueden modificar la vida útil de la portadora local, el comportamiento de recombinación y el flujo de corriente.

Dependiendo de su posición e interacción con otros defectos, pueden contribuir a:

• fuga local;
• inestabilidad del voltaje directo;
• hacinamiento actual;
• vida degradada de los portadores minoritarios;
• variación de la confiabilidad a largo plazo.

Un BPD no necesariamente causa una falla catastrófica inmediata. Su impacto depende del tipo de dispositivo, las condiciones actuales, la estructura epitaxial y si la dislocación permanece en el plano basal o se convierte en otro tipo de dislocación.

Propagación de BPD desde el sustrato hacia la capa epitaxial

Durante el crecimiento epitaxial de 4H-SiC, una BPD que se origina en el sustrato puede comportarse de dos maneras principales.

Puede:

1. continuar propagándose como una dislocación del plano basal en la epicapa; o
2. convertirse en una dislocación del borde de roscado cerca de la interfaz sustrato-epicapa.

Generalmente se prefiere la conversión a una dislocación del borde de roscado porque es menos probable que una dislocación del borde de roscado genere una falla de apilamiento en el plano basal en expansión bajo una corriente bipolar.

Los estudios de epitaxia 4H-SiC han observado que las BPD del sustrato se convierten en dislocaciones del borde de rosca cerca de la interfaz. El comportamiento de conversión está influenciado por el crecimiento del flujo escalonado y las condiciones epitaxiales.

Las variables de proceso importantes pueden incluir:

• ángulo de corte del sustrato;
• relación C/Si;
• tasa de crecimiento epitaxial;
• estructura de escalón de superficie;
• interrupciones del crecimiento;
• diseño de capa amortiguadora.

Por este motivo, la calidad del SiC de grado de dispositivo no se puede evaluar únicamente examinando el sustrato. El sustrato y la capa epitaxial deben considerarse como un sistema material integrado.

Microtubos vs Dislocaciones del Plano Basal

Aunque ambos son defectos cristalográficos, los microtubos y los BPD crean diferentes riesgos para los dispositivos.

En términos simples, los microtubos a menudo se asocian con una pérdida inmediata de rendimiento de fabricación, mientras que los BPD están más estrechamente asociados con la degradación operativa y la confiabilidad a largo plazo.

Sin embargo, el efecto real de cualquiera de los defectos depende de su ubicación, tamaño, campo de tensión circundante y relación con la estructura activa del dispositivo.

Cómo se detectan los microtubos y los BPD

Ningún método de inspección proporciona información completa sobre cada defecto de SiC. Los fabricantes suelen combinar varias técnicas.

Grabado con KOH fundido

El grabado con hidróxido de potasio fundido revela selectivamente dislocaciones como hoyos de grabado en la superficie de SiC.

Los microtubos, las dislocaciones de los tornillos de roscado, las dislocaciones del borde de la roscado y las dislocaciones del plano basal pueden producir características de grabado con diferentes formas y tamaños.

El grabado con KOH es útil para la medición y la investigación de la densidad de defectos, pero es destructivo porque modifica la superficie de la oblea. Un estudio de 6H-SiC grabado demostró que las condiciones optimizadas de KOH fundido pueden revelar microtubos y múltiples tipos de dislocaciones.

Topografía de rayos X

La topografía de rayos X es una técnica no destructiva que mapea la distorsión de la red causada por defectos cristalográficos.

Puede revelar:

• dislocaciones del plano basal;
• dislocaciones de tornillos de roscado;
• dislocaciones del borde de roscado;
• fallas de apilamiento;
• límites de grano de ángulo bajo.

La topografía de rayos X sincrotrón proporciona imágenes de defectos particularmente detalladas y se usa ampliamente en la investigación avanzada de cristales de SiC y el análisis de mecanismos de defectos.

Imágenes de luz polarizada y birrefringencia

Los campos de tensión alrededor de las dislocaciones cambian la respuesta óptica del cristal. Por lo tanto, las imágenes de luz polarizada se pueden utilizar para visualizar dislocaciones y patrones de tensión residual de forma no destructiva.

Trabajos recientes han destacado la observación con luz polarizada como un método rápido para la visualización de defectos y la inspección automatizada de la calidad de las obleas.

Imágenes de fotoluminiscencia

Las imágenes de fotoluminiscencia se utilizan con frecuencia para inspeccionar las capas epitaxiales de SiC.

Puede detectar defectos eléctricamente activos y ayudar a identificar fallas de apilamiento, características relacionadas con BPD y otras imperfecciones epitaxiales.

Se pueden seleccionar diferentes longitudes de onda de excitación para inspeccionar diferentes profundidades o tipos de defectos.

Inspección óptica e infrarroja

Debido a que los microtubos contienen núcleos huecos, algunos pueden observarse mediante métodos de transmisión óptica o infrarroja.

Se pueden utilizar sistemas de inspección óptica automatizados para mapear defectos de toda la oblea, aunque su capacidad de detección depende de las dimensiones del defecto, el espesor de la oblea y el contraste de la imagen.

Mapeo de dispositivos eléctricos

Las pruebas finales del dispositivo proporcionan evidencia adicional de los efectos del sustrato y de los defectos epitaxiales.

La correlación de mapas de defectos con resultados eléctricos puede revelar si un defecto en particular está asociado con:

• fuga inversa;
• bajo voltaje de ruptura;
• deriva de tensión directa;
• resistencia anormal;
• falla temprana de confiabilidad.

Por qué la densidad de defectos no es el único indicador de calidad

Generalmente es deseable una densidad total de dislocación más baja, pero un número de densidad único no describe completamente la calidad del sustrato.

Dos obleas con densidades generales de defectos similares pueden ofrecer diferentes rendimientos del dispositivo porque los defectos tienen diferentes tipos y distribuciones espaciales.

Las consideraciones importantes incluyen:

• tipo de defecto;
• densidad de grupos de defectos;
• distribución radial;
• exclusión de bordes;
• área utilizable;
• presencia de grandes zonas libres de defectos;
• correlación entre defectos del sustrato y de la epicapa;
• tamaño previsto del dispositivo.

Una oblea destinada a muchos dispositivos pequeños puede tolerar una distribución defectuosa que sería inaceptable para una pequeña cantidad de troqueles grandes de alto voltaje.

Por lo tanto, las especificaciones del sustrato deben evaluarse en relación con la arquitectura del dispositivo planificada y las dimensiones del troquel.

Qué deben comprobar los compradores de sustratos de SiC

Al comprar sustratos de SiC para epitaxia o fabricación de dispositivos, los compradores no deben confiar únicamente en el diámetro, el espesor y el dopaje.

La siguiente información relacionada con defectos también debe discutirse con el proveedor.

Densidad del microtubo

Solicite la densidad máxima o típica del microtubo y aclare si el valor se aplica a la oblea completa, al área utilizable o a los puntos de medición seleccionados.

Para aplicaciones exigentes, es posible que se requiera una especificación sin microtubos dentro del área activa.

Densidad de dislocación del plano basal

Pregunte cómo se mide la densidad de BPD y si el valor informado se refiere al sustrato, a una capa epitaxial o a ambos.

Se debe indicar la técnica de medición porque el grabado, la topografía de rayos X y los métodos ópticos pueden no producir resultados directamente intercambiables.

Densidad de dislocación de roscado

Los BPD deben evaluarse junto con:

• dislocaciones de tornillos de roscado;
• dislocaciones del borde de roscado;
• roscado de dislocaciones mixtas.

La conversión de DBP en dislocaciones del hilo durante la epitaxia hace que esta evaluación combinada sea particularmente importante.

Mapas de defectos

Para aplicaciones de alto valor, solicite un mapa de defectos a nivel de oblea en lugar de solo una densidad promedio.

Un mapa de defectos facilita la identificación de grupos, defectos relacionados con los bordes y regiones adecuadas para matrices de gran superficie.

Compatibilidad epitaxial

Confirme que la orientación del sustrato, el ángulo de corte, el acabado de la superficie y el nivel del defecto sean adecuados para el proceso epitaxial previsto.

La propagación y conversión de BPD puede depender de las condiciones de crecimiento epitaxial, incluida la relación C/Si y la tasa de crecimiento.

Estándar de inspección

La especificación de compra debe definir:

• método de inspección;
• superficie inspeccionada;
• exclusión de bordes;
• frecuencia de muestreo;
• criterios de aceptación;
• formato de informe.

Sin criterios de inspección consistentes, puede resultar difícil comparar las cifras de densidad de defectos de diferentes proveedores.

Cómo los fabricantes de SiC reducen estos defectos

La reducción de microtubos y BPD requiere control durante todo el crecimiento de las bolas y la fabricación de obleas.

Las estrategias importantes incluyen:

• mejorar la calidad de los cristales de semilla;
• estabilizar el campo térmico PVT;
• reducir los gradientes térmicos radiales y axiales;
• controlar la interfaz de crecimiento de cristales;
• minimizar el estrés termoelástico;
• optimizar las condiciones de enfriamiento;
• controlar la formación de hombros de cristales;
• reducir la tensión residual inducida por el mecanizado;
• optimizando el crecimiento del flujo escalonado epitaxial.

La reducción de microtubos se ha beneficiado enormemente de la mejora de la tecnología de crecimiento y la selección de semillas.

La reducción de BPD sigue siendo más compleja porque los BPD pueden nuclearse y multiplicarse bajo tensión termoelástica durante el crecimiento de la bola. También pueden propagarse de manera diferente según las condiciones epitaxiales.

Selección de sustratos de SiC para diferentes aplicaciones

La especificación de defectos aceptable depende del uso final.

Diodos de barrera Schottky

Los microtubos y otros defectos que aumentan las fugas o reducen el voltaje de ruptura son críticos.

Debido a que los dispositivos Schottky dependen principalmente del transporte de portadora mayoritaria, la degradación bipolar relacionada con BPD es generalmente menos directa que en los diodos PiN. Sin embargo, los defectos del sustrato y de la epicapa aún pueden afectar el rendimiento y la confiabilidad.

MOSFET de SiC

Es necesaria una baja densidad de microtubos para un alto rendimiento de descomposición.

El control BPD también es importante cuando el diodo del cuerpo intrínseco conducirá durante la operación del convertidor o las pruebas de confiabilidad.

Diodos PiN y dispositivos bipolares

La densidad de BPD es especialmente importante porque la inyección de corriente bipolar puede desencadenar la expansión de fallas de apilamiento y la degradación de la tensión directa.

Dispositivos de alto voltaje y área grande

Los troqueles grandes tienen una mayor probabilidad de cruzarse con un defecto mortal.

Estas aplicaciones generalmente requieren especificaciones de defectos más estrictas y un mapeo más detallado de toda la oblea.

Obleas de investigación y desarrollo de procesos

Los sustratos de grado de prueba o de investigación pueden tolerar densidades de defectos más altas cuando el objetivo es probar equipos, desarrollar procesos o investigar materiales no críticos.

Sin embargo, el grado del defecto aún debe documentarse para que los resultados experimentales puedan interpretarse correctamente.

Conclusión

Los microtubos y las dislocaciones del plano basal afectan el rendimiento del sustrato de SiC a través de diferentes mecanismos físicos.

Los microtubos son defectos de núcleo hueco que pueden generar fugas graves, roturas prematuras y pérdida inmediata de rendimiento del troquel. Las dislocaciones del plano basal son defectos cristalográficos planos que pueden propagarse hacia la capa epitaxial o iniciar una expansión por falla de apilamiento bajo una corriente bipolar.

Por lo tanto, para los dispositivos de potencia de SiC, la calidad del sustrato debe evaluarse utilizando más que una especificación general de densidad de defectos. Los compradores deben considerar el tipo de defecto, la distribución espacial, el método de inspección, el comportamiento epitaxial y la sensibilidad de la estructura del dispositivo previsto.

A medida que la fabricación de obleas de SiC continúa mejorando, una menor densidad de microtubos y una mejor gestión de BPD están ayudando a los fabricantes de dispositivos a lograr un mayor rendimiento, un rendimiento eléctrico más estable y una mayor confiabilidad operativa.

Preguntas frecuentes

¿Siguen siendo comunes los microtubos en las obleas de SiC comerciales?

Las densidades de microtubos en los sustratos comerciales modernos de SiC son mucho más bajas que las de generaciones anteriores de materiales. Sin embargo, la inspección sigue siendo importante porque un solo microtubo puede afectar a un dispositivo grande de alto voltaje.

¿Una dislocación del plano basal es siempre un defecto mortal?

No necesariamente. Su efecto depende de si se propaga a la epicapa activa, se convierte en una dislocación del hilo o promueve la expansión de la falla de apilamiento durante la operación.

¿Por qué los BPD son particularmente importantes para los dispositivos bipolares de SiC?

La inyección de corriente bipolar puede estimular la expansión de fallas de apilamiento que se originan en los BPD. Esto puede aumentar el voltaje directo y degradar el rendimiento del dispositivo con el tiempo.

¿Se pueden eliminar los BPD durante el crecimiento epitaxial?

Algunas BPD de sustrato pueden convertirse en dislocaciones del borde de roscado cerca de la interfaz sustrato-epicapa. La optimización del proceso epitaxial puede aumentar la tasa de conversión, pero no elimina físicamente todos los defectos cristalográficos.

¿Qué método es mejor para inspeccionar dislocaciones de SiC?

El método apropiado depende de la oblea y la aplicación. La topografía de rayos X proporciona un mapeo detallado de defectos no destructivo, el grabado con KOH proporciona claros hoyos de grabado de dislocaciones y la fotoluminiscencia se usa ampliamente para la inspección de la capa epitaxial.

¿Qué información se debe incluir en una consulta sobre sustratos de SiC?

Una consulta completa debe especificar el diámetro de la oblea, el politipo, el tipo de conductividad, el dopaje, la orientación, el ángulo de corte, el espesor, el pulido, la rugosidad de la superficie, la densidad del microtubo, los requisitos de dislocación, la exclusión de bordes, el método de inspección, la cantidad y la aplicación prevista.