A medida que los dispositivos de GaN migran de las fábricas de investigación a la fabricación de gran volumen, el silicio se ha convertido en el sustrato más viable desde el punto de vista económico para la epitaxis de GaN de gran diámetro.GaN-sobre-Si El despliegue de las plaquetas más allá de los 150 mm, y especialmente hacia los 200 mm y 300 mm, presenta un desafío mecánico que a menudo es más limitante que la densidad de dislocación o la movilidad: el arco y la curvatura de la oblea.

A diferencia de los defectos eléctricos, la deformación mecánica no aparece inmediatamente en las curvas IV o en las mediciones de Hall.precisión de superposición degradantePor lo tanto, la comprensión y la mitigación del arco no es un problema de materiales periféricos, sino un problema de integración central.

El origen físico del arco en estructuras GaN-on-Si

El arco de obleas en GaN-on-Si se origina de una combinación de desajuste térmico, deformación de la red y acumulación de estrés de película.

El coeficiente de expansión térmica (CTE) de GaN (~ 5.6 × 10−6 K−1) es significativamente mayor que el del silicio (~ 2.6 × 10−6 K−1).Durante el enfriamiento de las temperaturas de crecimiento epitaxial superiores a 1000 °CEsta contracción diferencial induce tensión de tracción en la capa de GaN y tensión de compresión en el silicio,que produce una curvatura macroscópica de la oblea.

A medida que aumenta el diámetro de la oblea, esta curvatura se escala no linealmente.incluso si el grosor y la composición de la película permanecen sin cambios.

La ingeniería de la capa amortiguadora como primera línea de defensa

La estrategia más efectiva para la reducción del arco no comienza con la capa activa de GaN, sino con la pila de amortiguador debajo de ella.

La epitaxia moderna de GaN-on-Si se basa en arquitecturas de búfer complejas y de múltiples capas, que generalmente incorporan capas de nucleación de AlN seguidas de estructuras graduadas de AlGaN o superrelatos.Estas capas sirven dos propósitos simultáneamente: adaptarse a la falta de correspondencia de la rejilla y gestionar la tensión térmica.

Al ajustar cuidadosamente los gradientes de composición de aluminio, el grosor del amortiguador y la periodicidad de la superred,es posible introducir una tensión de compresión controlada que contrarreste parcialmente la tensión de tracción generada durante el enfriamientoEl amortiguador actúa efectivamente como un amortiguador mecánico entre GaN y silicio.

Sin embargo, las capas tampón introducen compensaciones: el espesor excesivo reduce la conductividad térmica y aumenta el tiempo epitaxial, mientras que la compensación de estrés agresiva puede aumentar la densidad de grietas.Por lo tanto, los diseños óptimos requieren la co-optimización del rendimiento mecánico y térmico en lugar de la cancelación de la tensión por fuerza bruta.

Orientación y grosor del sustrato: una palanca infravalorada

La selección del sustrato de silicio a menudo se trata como una condición límite fija, pero es, de hecho, un poderoso parámetro de ajuste.

Las obleas de silicio más gruesas muestran una mayor rigidez de flexión, reduciendo el arco final para la misma tensión epitaxial.aumento de los conflictos de espesor con la compatibilidad del equipo y los protocolos de manejo estándarMuchas fábricas, por lo tanto, operan dentro de una ventana de espesor estrecho, forzando el control de la tensión de nuevo en la pila epitaxial.

La mayoría del crecimiento de GaN-on-Si utiliza Si ((111), lo que proporciona compatibilidad de simetría hexagonal con GaN. Sin embargo, los ángulos de corte ligeros,puede influir en las vías de relajación del estrés y el comportamiento de propagación de grietas, afectando indirectamente la curvatura macroscópica.

A medida que aumentan los diámetros, la ingeniería de sustratos se vuelve menos sobre el emparejamiento de la red y más sobre el diseño de sistemas mecánicos.

Gestión de la temperatura de crecimiento y rampa térmica

La historia térmica juega un papel crítico en la determinación de la forma final de la oblea.

Las rápidas rampas de temperatura durante el enfriamiento tienden a bloquear los gradientes de tensión en todo el grosor de la oblea, amplificando el arco y la curvatura no uniforme.los perfiles de enfriamiento de varios pasos permiten una relajación parcial de la tensión mediante el deslizamiento por dislocación y el deslizamiento interfacial, reduciendo la curvatura residual.

Del mismo modo, la reducción de la temperatura máxima de crecimiento –cuando es compatible con la calidad del material – reduce la excursión térmica total y, por lo tanto, la tensión absoluta de desajuste CTE.Si bien esto puede afectar marginalmente la calidad cristalina, la compensación puede ser favorable para la fabricación en diámetros grandes.

En la práctica, la optimización del arco de la oblea a menudo requiere redefinir las condiciones de crecimiento óptimas más allá de las métricas de rendimiento puramente electrónicas.

Simetría de esfuerzo y el papel de la ingeniería trasera

Un enfoque emergente para el control del arco se centra en restaurar la simetría de tensión a través de la oblea.

Las películas de la parte posterior, como revestimientos dieléctricos de ingeniería o capas compensadoras de tensión, pueden depositarse después de la epitaxia para contrarrestar el estrés de GaN del lado frontal.Este concepto todavía está relativamente poco explorado en la fabricación de GaN sobre Si.

Los procesos de adelgazamiento y pulido de la parte posterior también influyen en la curvatura final.dependiendo del control del proceso.

A medida que GaN-on-Si se mueve hacia una verdadera compatibilidad CMOS, es probable que estas estrategias holísticas de equilibrio de tensión a nivel de obleas ganen importancia.

Comentarios basados en la metrología: El arco es un proceso variable, no un defecto

Uno de los cambios conceptuales más importantes en la epitaxia de GaN de gran diámetro es tratar el arco de la oblea como un parámetro de proceso controlable en lugar de un defecto posterior al crecimiento.

El mapeo de arco y deformación de alta resolución, correlacionado con el diseño del búfer, los perfiles de temperatura y el historial de la oblea, permite la optimización de circuito cerrado.Los objetivos de proa se definen cada vez más por paso del proceso, no sólo como criterios finales de aceptación.

Este enfoque basado en datos alinea la fabricación de GaN con la filosofía utilizada durante mucho tiempo en la ingeniería de tensiones de silicio, donde la tensión se introduce deliberadamente, se mide,y explotados en lugar de simplemente minimizados.

Mirando hacia el futuro: desde el control de daños hasta el diseño del estrés

Minimizar el arco de la oblea en la epitaxia de gran diámetro de GaN sobre Si ya no se trata de eliminar el estrés, una tarea imposible dada la falta de coincidencia fundamental del material.Se trata de diseñar la tensión de manera inteligente a través de escalas de longitud, desde las interfaces atómicas hasta la mecánica de las waferas.

A medida que la industria avance hacia 200 mm y más allá, el éxito dependerá menos de las mejoras incrementales de los materiales y más del co-diseño a nivel del sistema de sustratos, amortiguadores, procesos térmicos,y metrologíaEn este sentido, el arco de la oblea no es un parámetro de molestia, sino una ventana de diagnóstico de la salud mecánica de toda la pila epitaxial.

Para GaN-on-Si, el dominio de la curvatura puede ser en última instancia tan importante como el dominio de los electrones.