炭化ケイ素基板は、高電圧、高温、高スイッチング周波数で動作するように設計されたパワーデバイスの製造に広く使用されています。ただし、SiC の電気的利点は、基板とエピタキシャル層の結晶欠陥密度が十分に低い場合にのみ十分に実現できます。
SiC 結晶成長に伴う欠陥の中でも、マイクロパイプと基底面転位は特に重要です。これらは構造と動作が大きく異なりますが、どちらもデバイスの歩留まりを低下させ、電気的性能に影響を与え、長期的な信頼性のリスクを引き起こす可能性があります。
これらの欠陥を理解することは、デバイスメーカー、エピタキシーサプライヤー、基板購入者が、問題がないかどうかを評価するのに役立ちます。SiCウェハ ショットキー ダイオード、MOSFET、バイポーラ デバイス、その他の要求の厳しい半導体アプリケーションに適しています。
マイクロパイプは、大きなバーガースベクトルを持つらせん転位の周囲に一般的に発生する中空コアの結晶学的欠陥です。原子スケールで閉じた転位コアを形成する代わりに、結晶には SiC ブールの一部または全体を通って伸びる狭い中空チャネルが含まれています。
欠陥は一般に結晶学的 c 軸にほぼ沿って成長し、研磨されたウェーハ表面と交差する場合があります。
マイクロパイプは実際に中空のコアを持っているため、通常の貫通転位よりも重度です。これにより、結晶構造と電気的特性が実質的に破壊される局所領域が作成されます。
マイクロパイプは、かつては市販の SiC 基板に影響を与える主要な制限の 1 つでした。物理的蒸気輸送による成長、シード品質、熱場制御の改善により、現代の市販ウェーハのマイクロパイプ密度は大幅に減少しました。それにもかかわらず、たとえ少数のキラー欠陥でも製造歩留まりが低下する可能性があるため、マイクロパイプ検査は高電圧および大面積デバイスにとって引き続き重要です。
マイクロパイプは、さまざまな方法でデバイスに影響を与える可能性があります。
マイクロパイプはデバイス内の電界分布を乱します。高い逆電圧が印加されると、欠陥の周囲に電界が集中する場合があります。
この局所的な電界の強化により、意図した定格を大幅に下回る電圧でデバイスが故障する可能性があります。
高電圧デバイスでは、アクティブなデバイスの面積が大きくなり、重大な基板欠陥に遭遇する可能性が高まるため、この影響は特に深刻です。
中空コアと周囲の格子歪みにより、基板とエピタキシャル構造を通る漏れ経路が生じる可能性があります。
したがって、マイクロパイプの近くに配置されたデバイスは、電気的スクリーニング中に逆漏れ電流の増加、不安定な遮断特性、または故障を示す可能性があります。
マイクロパイプは、その位置より上の完全な垂直デバイス構造に影響を与える可能性があります。欠陥の上に直接製造されたダイは、拒否する必要がある場合があります。
大面積デバイスの場合、1 つのマイクロパイプによってダイ全体が使用できなくなる可能性があります。したがって、マイクロパイプ密度を下げることは、使用可能なデバイス面積を改善し、製造コストを下げるために不可欠です。
SiC 基板の欠陥は、ウェーハ上に成長するホモエピタキシャル層に伝播する可能性があります。したがって、ネジ関連の基板欠陥は、過剰成長したエピ層の形態および結晶品質に影響を与える可能性があります。
SiC エピタキシーに関する研究では、エピタキシャル層が成長するにつれて基板の転位が複製または変形する可能性があることが示されています。これが、エピタキシャル堆積後でも基板欠陥の品質が適切なままである理由です。
基底面転位は、一般に BPD と略され、主に六方晶系 SiC 結晶の基底面内に存在する転位です。
4H-SiC では、基底面は c 軸に垂直な結晶面に相当します。ほぼウェーハの厚さ全体に広がる貫通転位とは異なり、BPD は結晶を横方向に移動することができます。
BPD は、熱応力、不均一な温度分布、または歪み緩和により、物理蒸気輸送結晶成長中に発生する可能性があります。研究によると、特に基底面に沿った分解せん断応力が十分に高くなった場合、成長中の結晶内の熱弾性応力が BPD の核形成と増殖を促進する可能性があります。
また、冷却、スライス、研削、またはその他のウェーハ処理ステップ中に導入される応力に関連している可能性もあります。
BPD はバイポーラとユニポーラの両方の SiC デバイスに影響を与える可能性があるため、特に重要です。
基底面転位に関連する最も重大なリスクの 1 つは、その転位が積層欠陥の拡大源として機能する可能性があることです。
バイポーラ電流が SiC デバイスを流れると、BPD 付近での電子と正孔の再結合によってエネルギーが提供され、積層欠陥がエピタキシャル層を通って拡大する可能性があります。
拡大した積層欠陥により局所的な電子構造が変化し、キャリア輸送が低下した領域が形成されます。
積層欠陥の拡大により、動作中のバイポーラ SiC デバイスの順方向電圧が増加する可能性があります。この現象は一般に双極性劣化と呼ばれます。
これは歴史的に、次のようなデバイスの信頼性に関する大きな懸念事項でした。
積層欠陥が拡大すると、有効導電面積が減少し、デバイスのオン状態抵抗が上昇する可能性があります。
デバイスは最初は電気テストに合格する可能性がありますが、長時間電流を注入すると徐々に性能が低下します。
SiC MOSFET はユニポーラ デバイスとして分類されますが、その固有のボディ ダイオードはバイポーラ電流を伝導します。
ボディダイオードが長期間動作すると、BPD 関連の積層欠陥の拡大により、順方向電圧ドリフトやオン抵抗の増加が発生する可能性があります。
最新のデバイス構造とエピタキシャルプロセスにより、このリスクは大幅に軽減されましたが、MOSFET ボディダイオードの動作が期待される場合、BPD 密度は依然として重要な考慮事項です。
BPD および関連する積層欠陥は、局所的なキャリアの寿命、再結合挙動、および電流の流れを変化させる可能性があります。
それらの位置および他の欠陥との相互作用に応じて、以下の原因となる可能性があります。
BPD は必ずしも直ちに致命的な障害を引き起こすわけではありません。その影響は、デバイスのタイプ、現在の条件、エピタキシャル構造、および転位が基底面に残るか、別の転位タイプに変換されるかによって異なります。
4H-SiC エピタキシャル成長中、基板に由来する BPD は主に 2 つの方法で動作する可能性があります。
それは以下の可能性があります:
貫通刃状転位は双極性電流下で拡大基底面積層欠陥を生成する可能性が低いため、通常、貫通刃状転位への変換が好ましい。
4H-SiC エピタキシーの研究では、基板の BPD が界面付近で貫通刃状転位に変換することが観察されています。変換挙動はステップフロー成長とエピタキシャル条件の影響を受けます。
重要なプロセス変数には次のものが含まれる場合があります。
このため、デバイスグレードの SiC の品質は、基板を検査するだけでは評価できません。基板とエピタキシャル層は、統合された材料システムとして考慮する必要があります。
どちらも結晶学的欠陥ですが、マイクロパイプと BPD は異なるデバイス リスクを引き起こします。
| 特性 | マイクロパイプ | 基底面脱臼 |
|---|---|---|
| 基本構造 | 中空ネジ関連の欠陥 | 主に基底面にある転位 |
| 典型的な向き | ほぼc軸に沿って | 主に基底面内の外側 |
| 主な懸念事項 | 即時致命的欠陥 | 進行性の劣化と信頼性 |
| 典型的なデバイス効果 | 漏れと早期故障 | 積層故障の拡大と順方向電圧ドリフト |
| 収量への影響 | ダイの直接的な不良が頻繁に発生する | 遅延または動作条件に依存した故障が発生する可能性があります |
| エピタキシャル挙動 | エピタキシャル構造を通って伝播可能 | 伝播するか、貫通刃状転位に変換される可能性がある |
| 最も機密性の高いデバイス | 高電圧・大面積デバイス | バイポーラ デバイスと MOSFET ボディ ダイオード |
簡単に言うと、マイクロパイプは多くの場合、即時の製造歩留まりの低下と関連していますが、BPD は動作の低下と長期的な信頼性とより密接に関連しています。
ただし、どちらの欠陥の実際の影響は、その位置、サイズ、周囲の応力場、およびアクティブデバイス構造との関係によって異なります。
すべての SiC 欠陥に関する完全な情報を提供する単一の検査方法はありません。メーカーは多くの場合、複数の技術を組み合わせます。
溶融水酸化カリウムのエッチングにより、SiC 表面上のエッチピットとして転位が選択的に明らかになります。
マイクロパイプ、螺旋転位、刃状貫通転位、基底面転位により、さまざまな形状やサイズのエッチング フィーチャが生成されます。
KOH エッチングは欠陥密度の測定や研究に役立ちますが、ウェーハ表面を改質するため破壊的です。エッチングされた 6H-SiC の研究では、最適化された溶融 KOH 条件によりマイクロパイプと複数の転位タイプが明らかになることが実証されました。
X 線トポグラフィーは、結晶欠陥によって引き起こされる格子歪みをマッピングする非破壊技術です。
それにより次のことが明らかになる可能性があります。
シンクロトロン X 線トポグラフィーは、特に詳細な欠陥画像を提供し、高度な SiC 結晶研究や欠陥メカニズムの解析で広く使用されています。
転位の周囲の応力場は結晶の光学応答を変化させます。したがって、偏光イメージングを使用すると、転位や残留応力パターンを非破壊的に視覚化できます。
最近の研究では、欠陥の可視化と自動ウェーハ品質検査の迅速な方法として偏光観察が注目されています。
フォトルミネッセンスイメージングは、SiC エピタキシャル層の検査によく使用されます。
電気的に活性な欠陥を検出し、積層欠陥、BPD 関連の特徴、その他のエピタキシャル欠陥の特定に役立ちます。
異なる深さまたは欠陥タイプを検査するには、異なる励起波長を選択できます。
マイクロパイプには中空のコアが含まれているため、一部のマイクロパイプは光学または赤外線透過法を使用して観察できます。
自動光学検査システムはウェーハ全体の欠陥マッピングに使用できますが、その検出能力は欠陥の寸法、ウェーハの厚さ、画像のコントラストによって異なります。
最終的なデバイスのテストでは、基板およびエピタキシャル欠陥の影響に関する追加の証拠が得られます。
欠陥マップと電気的結果を相関させると、特定の欠陥が以下に関連しているかどうかが明らかになります。
一般に総転位密度は低いほど望ましいですが、単一の密度数値では基板の品質を完全に説明することはできません。
全体的な欠陥密度が同様の 2 つのウェーハでは、欠陥の種類と空間分布が異なるため、デバイスの歩留まりが異なる可能性があります。
重要な考慮事項は次のとおりです。
多くの小型デバイス向けのウェーハでは、少数の大型高電圧ダイでは許容できない欠陥分布が許容される場合があります。
したがって、基板の仕様は、計画されたデバイスのアーキテクチャとダイの寸法に関連して評価する必要があります。
エピタキシーまたはデバイス製造用の SiC 基板を購入する場合、購入者は直径、厚さ、ドーピングだけに頼るべきではありません。
以下の欠陥関連情報についてもサプライヤーと話し合う必要があります。
最大または標準的なマイクロパイプ密度を要求し、その値がウェーハ全体、使用可能な領域、または選択された測定点に適用されるかどうかを明確にします。
要求の厳しいアプリケーションでは、アクティブエリア内にマイクロパイプのない仕様が必要になる場合があります。
BPD 密度がどのように測定されるのか、報告された値が基板、エピタキシャル層、あるいはその両方を指すのかを尋ねてください。
エッチング、X 線トポグラフィー、および光学的方法では直接交換可能な結果が得られない可能性があるため、測定技術を明記する必要があります。
BPD は以下とともに評価する必要があります。
エピタキシー中に BPD が貫通転位に変換されるため、この組み合わせた評価が特に重要になります。
高価値のアプリケーションの場合は、平均密度だけではなく、ウェーハレベルの欠陥マップを要求してください。
欠陥マップを使用すると、クラスター、エッジ関連の欠陥、および大面積ダイに適した領域を特定しやすくなります。
基板の向き、オフカット角、表面仕上げ、欠陥レベルが目的のエピタキシャルプロセスに適していることを確認します。
BPD の伝播と変換は、C/Si 比や成長速度などのエピタキシャル成長条件に依存します。
購入仕様書では以下を定義する必要があります。
一貫した検査基準がなければ、さまざまなサプライヤーの欠陥密度の数値を比較することが困難になる場合があります。
マイクロパイプと BPD を減らすには、ブールの成長とウェーハの製造全体にわたる制御が必要です。
重要な戦略には次のようなものがあります。
マイクロパイプの削減は、成長技術と種子の選択の改善によって大きな恩恵を受けています。
BPD はブール成長中の熱弾性応力下で核形成および増殖する可能性があるため、BPD の減少は依然として複雑です。また、エピタキシャル条件に応じて異なる方法で伝播する場合もあります。
許容できる欠陥の仕様は最終用途によって異なります。
漏れを増加させたり降伏電圧を低下させたりするマイクロパイプやその他の欠陥は重要です。
ショットキー デバイスは主に多数キャリア輸送に依存しているため、BPD 関連のバイポーラ劣化は一般に PiN ダイオードほど直接的ではありません。ただし、基板とエピ層の欠陥は依然として歩留まりと信頼性に影響を与える可能性があります。
高い破壊収率を得るには、低いマイクロパイプ密度が必要です。
BPD 制御は、コンバータの動作中または信頼性テスト中に固有のボディ ダイオードが導通する場合にも重要です。
バイポーラ電流注入は積層欠陥の拡大や順方向電圧の劣化を引き起こす可能性があるため、BPD 密度は特に重要です。
大きなダイは、致命的な欠陥と交差する可能性が高くなります。
これらのアプリケーションでは通常、より厳密な欠陥仕様とより詳細なウエハ全体のマッピングが必要です。
目的が機器のテスト、プロセス開発、または重要でない材料の研究である場合、テストグレードまたは研究グレードの基板は、より高い欠陥密度を許容する可能性があります。
ただし、実験結果を正しく解釈できるように、欠陥グレードを文書化する必要があります。
マイクロパイプと基底面転位は、さまざまな物理的メカニズムを通じて SiC 基板の性能に影響を与えます。
マイクロパイプは中空コアの欠陥であり、深刻な漏れ、早期故障、および即時のダイ歩留まりの損失を引き起こす可能性があります。基底面転位は、エピタキシャル層内に伝播するか、バイポーラ電流下で積層欠陥の拡大を開始する可能性のある平面的な結晶学的欠陥です。
したがって、SiC パワーデバイスの場合、一般的な欠陥密度の仕様以上のものを使用して基板の品質を評価する必要があります。購入者は、欠陥の種類、空間分布、検査方法、エピタキシャル挙動、および目的のデバイス構造の感度を考慮する必要があります。
SiC ウェハの製造が向上し続けるにつれて、マイクロパイプ密度の低下と BPD 管理の改善により、デバイス メーカーは歩留まりの向上、電気的性能の安定化、動作信頼性の長期化を実現できるようになりました。
現在の市販の SiC 基板のマイクロパイプ密度は、以前の世代の材料のマイクロパイプ密度よりもはるかに低くなります。それにもかかわらず、単一のマイクロパイプが大型の高電圧デバイスに影響を与える可能性があるため、検査は依然として重要です。
必ずしもそうとは限りません。その影響は、活性エピ層に伝播するか、貫通転位に変換するか、動作中に積層欠陥の拡大を促進するかによって異なります。
バイポーラ電流注入は、BPD に起因する積層欠陥の拡大を刺激する可能性があります。これにより、順方向電圧が増加し、時間の経過とともにデバイスの性能が低下する可能性があります。
一部の基板 BPD は、基板とエピ層の界面付近で貫通刃状転位に変換されることがあります。エピタキシャルプロセスの最適化により変換率は向上しますが、すべての結晶欠陥を物理的に除去できるわけではありません。
適切な方法はウェーハとアプリケーションによって異なります。 X線トポグラフィーは詳細な非破壊欠陥マッピングを提供し、KOHエッチングは明確な転位エッチピットを提供し、フォトルミネッセンスはエピタキシャル層の検査に広く使用されています。
完全な調査では、ウェーハ直径、ポリタイプ、導電性タイプ、ドーピング、配向、オフカット角度、厚さ、研磨、表面粗さ、マイクロパイプ密度、転位要件、エッジ排除、検査方法、数量、および使用目的を指定する必要があります。
炭化ケイ素基板は、高電圧、高温、高スイッチング周波数で動作するように設計されたパワーデバイスの製造に広く使用されています。ただし、SiC の電気的利点は、基板とエピタキシャル層の結晶欠陥密度が十分に低い場合にのみ十分に実現できます。
SiC 結晶成長に伴う欠陥の中でも、マイクロパイプと基底面転位は特に重要です。これらは構造と動作が大きく異なりますが、どちらもデバイスの歩留まりを低下させ、電気的性能に影響を与え、長期的な信頼性のリスクを引き起こす可能性があります。
これらの欠陥を理解することは、デバイスメーカー、エピタキシーサプライヤー、基板購入者が、問題がないかどうかを評価するのに役立ちます。SiCウェハ ショットキー ダイオード、MOSFET、バイポーラ デバイス、その他の要求の厳しい半導体アプリケーションに適しています。
マイクロパイプは、大きなバーガースベクトルを持つらせん転位の周囲に一般的に発生する中空コアの結晶学的欠陥です。原子スケールで閉じた転位コアを形成する代わりに、結晶には SiC ブールの一部または全体を通って伸びる狭い中空チャネルが含まれています。
欠陥は一般に結晶学的 c 軸にほぼ沿って成長し、研磨されたウェーハ表面と交差する場合があります。
マイクロパイプは実際に中空のコアを持っているため、通常の貫通転位よりも重度です。これにより、結晶構造と電気的特性が実質的に破壊される局所領域が作成されます。
マイクロパイプは、かつては市販の SiC 基板に影響を与える主要な制限の 1 つでした。物理的蒸気輸送による成長、シード品質、熱場制御の改善により、現代の市販ウェーハのマイクロパイプ密度は大幅に減少しました。それにもかかわらず、たとえ少数のキラー欠陥でも製造歩留まりが低下する可能性があるため、マイクロパイプ検査は高電圧および大面積デバイスにとって引き続き重要です。
マイクロパイプは、さまざまな方法でデバイスに影響を与える可能性があります。
マイクロパイプはデバイス内の電界分布を乱します。高い逆電圧が印加されると、欠陥の周囲に電界が集中する場合があります。
この局所的な電界の強化により、意図した定格を大幅に下回る電圧でデバイスが故障する可能性があります。
高電圧デバイスでは、アクティブなデバイスの面積が大きくなり、重大な基板欠陥に遭遇する可能性が高まるため、この影響は特に深刻です。
中空コアと周囲の格子歪みにより、基板とエピタキシャル構造を通る漏れ経路が生じる可能性があります。
したがって、マイクロパイプの近くに配置されたデバイスは、電気的スクリーニング中に逆漏れ電流の増加、不安定な遮断特性、または故障を示す可能性があります。
マイクロパイプは、その位置より上の完全な垂直デバイス構造に影響を与える可能性があります。欠陥の上に直接製造されたダイは、拒否する必要がある場合があります。
大面積デバイスの場合、1 つのマイクロパイプによってダイ全体が使用できなくなる可能性があります。したがって、マイクロパイプ密度を下げることは、使用可能なデバイス面積を改善し、製造コストを下げるために不可欠です。
SiC 基板の欠陥は、ウェーハ上に成長するホモエピタキシャル層に伝播する可能性があります。したがって、ネジ関連の基板欠陥は、過剰成長したエピ層の形態および結晶品質に影響を与える可能性があります。
SiC エピタキシーに関する研究では、エピタキシャル層が成長するにつれて基板の転位が複製または変形する可能性があることが示されています。これが、エピタキシャル堆積後でも基板欠陥の品質が適切なままである理由です。
基底面転位は、一般に BPD と略され、主に六方晶系 SiC 結晶の基底面内に存在する転位です。
4H-SiC では、基底面は c 軸に垂直な結晶面に相当します。ほぼウェーハの厚さ全体に広がる貫通転位とは異なり、BPD は結晶を横方向に移動することができます。
BPD は、熱応力、不均一な温度分布、または歪み緩和により、物理蒸気輸送結晶成長中に発生する可能性があります。研究によると、特に基底面に沿った分解せん断応力が十分に高くなった場合、成長中の結晶内の熱弾性応力が BPD の核形成と増殖を促進する可能性があります。
また、冷却、スライス、研削、またはその他のウェーハ処理ステップ中に導入される応力に関連している可能性もあります。
BPD はバイポーラとユニポーラの両方の SiC デバイスに影響を与える可能性があるため、特に重要です。
基底面転位に関連する最も重大なリスクの 1 つは、その転位が積層欠陥の拡大源として機能する可能性があることです。
バイポーラ電流が SiC デバイスを流れると、BPD 付近での電子と正孔の再結合によってエネルギーが提供され、積層欠陥がエピタキシャル層を通って拡大する可能性があります。
拡大した積層欠陥により局所的な電子構造が変化し、キャリア輸送が低下した領域が形成されます。
積層欠陥の拡大により、動作中のバイポーラ SiC デバイスの順方向電圧が増加する可能性があります。この現象は一般に双極性劣化と呼ばれます。
これは歴史的に、次のようなデバイスの信頼性に関する大きな懸念事項でした。
積層欠陥が拡大すると、有効導電面積が減少し、デバイスのオン状態抵抗が上昇する可能性があります。
デバイスは最初は電気テストに合格する可能性がありますが、長時間電流を注入すると徐々に性能が低下します。
SiC MOSFET はユニポーラ デバイスとして分類されますが、その固有のボディ ダイオードはバイポーラ電流を伝導します。
ボディダイオードが長期間動作すると、BPD 関連の積層欠陥の拡大により、順方向電圧ドリフトやオン抵抗の増加が発生する可能性があります。
最新のデバイス構造とエピタキシャルプロセスにより、このリスクは大幅に軽減されましたが、MOSFET ボディダイオードの動作が期待される場合、BPD 密度は依然として重要な考慮事項です。
BPD および関連する積層欠陥は、局所的なキャリアの寿命、再結合挙動、および電流の流れを変化させる可能性があります。
それらの位置および他の欠陥との相互作用に応じて、以下の原因となる可能性があります。
BPD は必ずしも直ちに致命的な障害を引き起こすわけではありません。その影響は、デバイスのタイプ、現在の条件、エピタキシャル構造、および転位が基底面に残るか、別の転位タイプに変換されるかによって異なります。
4H-SiC エピタキシャル成長中、基板に由来する BPD は主に 2 つの方法で動作する可能性があります。
それは以下の可能性があります:
貫通刃状転位は双極性電流下で拡大基底面積層欠陥を生成する可能性が低いため、通常、貫通刃状転位への変換が好ましい。
4H-SiC エピタキシーの研究では、基板の BPD が界面付近で貫通刃状転位に変換することが観察されています。変換挙動はステップフロー成長とエピタキシャル条件の影響を受けます。
重要なプロセス変数には次のものが含まれる場合があります。
このため、デバイスグレードの SiC の品質は、基板を検査するだけでは評価できません。基板とエピタキシャル層は、統合された材料システムとして考慮する必要があります。
どちらも結晶学的欠陥ですが、マイクロパイプと BPD は異なるデバイス リスクを引き起こします。
| 特性 | マイクロパイプ | 基底面脱臼 |
|---|---|---|
| 基本構造 | 中空ネジ関連の欠陥 | 主に基底面にある転位 |
| 典型的な向き | ほぼc軸に沿って | 主に基底面内の外側 |
| 主な懸念事項 | 即時致命的欠陥 | 進行性の劣化と信頼性 |
| 典型的なデバイス効果 | 漏れと早期故障 | 積層故障の拡大と順方向電圧ドリフト |
| 収量への影響 | ダイの直接的な不良が頻繁に発生する | 遅延または動作条件に依存した故障が発生する可能性があります |
| エピタキシャル挙動 | エピタキシャル構造を通って伝播可能 | 伝播するか、貫通刃状転位に変換される可能性がある |
| 最も機密性の高いデバイス | 高電圧・大面積デバイス | バイポーラ デバイスと MOSFET ボディ ダイオード |
簡単に言うと、マイクロパイプは多くの場合、即時の製造歩留まりの低下と関連していますが、BPD は動作の低下と長期的な信頼性とより密接に関連しています。
ただし、どちらの欠陥の実際の影響は、その位置、サイズ、周囲の応力場、およびアクティブデバイス構造との関係によって異なります。
すべての SiC 欠陥に関する完全な情報を提供する単一の検査方法はありません。メーカーは多くの場合、複数の技術を組み合わせます。
溶融水酸化カリウムのエッチングにより、SiC 表面上のエッチピットとして転位が選択的に明らかになります。
マイクロパイプ、螺旋転位、刃状貫通転位、基底面転位により、さまざまな形状やサイズのエッチング フィーチャが生成されます。
KOH エッチングは欠陥密度の測定や研究に役立ちますが、ウェーハ表面を改質するため破壊的です。エッチングされた 6H-SiC の研究では、最適化された溶融 KOH 条件によりマイクロパイプと複数の転位タイプが明らかになることが実証されました。
X 線トポグラフィーは、結晶欠陥によって引き起こされる格子歪みをマッピングする非破壊技術です。
それにより次のことが明らかになる可能性があります。
シンクロトロン X 線トポグラフィーは、特に詳細な欠陥画像を提供し、高度な SiC 結晶研究や欠陥メカニズムの解析で広く使用されています。
転位の周囲の応力場は結晶の光学応答を変化させます。したがって、偏光イメージングを使用すると、転位や残留応力パターンを非破壊的に視覚化できます。
最近の研究では、欠陥の可視化と自動ウェーハ品質検査の迅速な方法として偏光観察が注目されています。
フォトルミネッセンスイメージングは、SiC エピタキシャル層の検査によく使用されます。
電気的に活性な欠陥を検出し、積層欠陥、BPD 関連の特徴、その他のエピタキシャル欠陥の特定に役立ちます。
異なる深さまたは欠陥タイプを検査するには、異なる励起波長を選択できます。
マイクロパイプには中空のコアが含まれているため、一部のマイクロパイプは光学または赤外線透過法を使用して観察できます。
自動光学検査システムはウェーハ全体の欠陥マッピングに使用できますが、その検出能力は欠陥の寸法、ウェーハの厚さ、画像のコントラストによって異なります。
最終的なデバイスのテストでは、基板およびエピタキシャル欠陥の影響に関する追加の証拠が得られます。
欠陥マップと電気的結果を相関させると、特定の欠陥が以下に関連しているかどうかが明らかになります。
一般に総転位密度は低いほど望ましいですが、単一の密度数値では基板の品質を完全に説明することはできません。
全体的な欠陥密度が同様の 2 つのウェーハでは、欠陥の種類と空間分布が異なるため、デバイスの歩留まりが異なる可能性があります。
重要な考慮事項は次のとおりです。
多くの小型デバイス向けのウェーハでは、少数の大型高電圧ダイでは許容できない欠陥分布が許容される場合があります。
したがって、基板の仕様は、計画されたデバイスのアーキテクチャとダイの寸法に関連して評価する必要があります。
エピタキシーまたはデバイス製造用の SiC 基板を購入する場合、購入者は直径、厚さ、ドーピングだけに頼るべきではありません。
以下の欠陥関連情報についてもサプライヤーと話し合う必要があります。
最大または標準的なマイクロパイプ密度を要求し、その値がウェーハ全体、使用可能な領域、または選択された測定点に適用されるかどうかを明確にします。
要求の厳しいアプリケーションでは、アクティブエリア内にマイクロパイプのない仕様が必要になる場合があります。
BPD 密度がどのように測定されるのか、報告された値が基板、エピタキシャル層、あるいはその両方を指すのかを尋ねてください。
エッチング、X 線トポグラフィー、および光学的方法では直接交換可能な結果が得られない可能性があるため、測定技術を明記する必要があります。
BPD は以下とともに評価する必要があります。
エピタキシー中に BPD が貫通転位に変換されるため、この組み合わせた評価が特に重要になります。
高価値のアプリケーションの場合は、平均密度だけではなく、ウェーハレベルの欠陥マップを要求してください。
欠陥マップを使用すると、クラスター、エッジ関連の欠陥、および大面積ダイに適した領域を特定しやすくなります。
基板の向き、オフカット角、表面仕上げ、欠陥レベルが目的のエピタキシャルプロセスに適していることを確認します。
BPD の伝播と変換は、C/Si 比や成長速度などのエピタキシャル成長条件に依存します。
購入仕様書では以下を定義する必要があります。
一貫した検査基準がなければ、さまざまなサプライヤーの欠陥密度の数値を比較することが困難になる場合があります。
マイクロパイプと BPD を減らすには、ブールの成長とウェーハの製造全体にわたる制御が必要です。
重要な戦略には次のようなものがあります。
マイクロパイプの削減は、成長技術と種子の選択の改善によって大きな恩恵を受けています。
BPD はブール成長中の熱弾性応力下で核形成および増殖する可能性があるため、BPD の減少は依然として複雑です。また、エピタキシャル条件に応じて異なる方法で伝播する場合もあります。
許容できる欠陥の仕様は最終用途によって異なります。
漏れを増加させたり降伏電圧を低下させたりするマイクロパイプやその他の欠陥は重要です。
ショットキー デバイスは主に多数キャリア輸送に依存しているため、BPD 関連のバイポーラ劣化は一般に PiN ダイオードほど直接的ではありません。ただし、基板とエピ層の欠陥は依然として歩留まりと信頼性に影響を与える可能性があります。
高い破壊収率を得るには、低いマイクロパイプ密度が必要です。
BPD 制御は、コンバータの動作中または信頼性テスト中に固有のボディ ダイオードが導通する場合にも重要です。
バイポーラ電流注入は積層欠陥の拡大や順方向電圧の劣化を引き起こす可能性があるため、BPD 密度は特に重要です。
大きなダイは、致命的な欠陥と交差する可能性が高くなります。
これらのアプリケーションでは通常、より厳密な欠陥仕様とより詳細なウエハ全体のマッピングが必要です。
目的が機器のテスト、プロセス開発、または重要でない材料の研究である場合、テストグレードまたは研究グレードの基板は、より高い欠陥密度を許容する可能性があります。
ただし、実験結果を正しく解釈できるように、欠陥グレードを文書化する必要があります。
マイクロパイプと基底面転位は、さまざまな物理的メカニズムを通じて SiC 基板の性能に影響を与えます。
マイクロパイプは中空コアの欠陥であり、深刻な漏れ、早期故障、および即時のダイ歩留まりの損失を引き起こす可能性があります。基底面転位は、エピタキシャル層内に伝播するか、バイポーラ電流下で積層欠陥の拡大を開始する可能性のある平面的な結晶学的欠陥です。
したがって、SiC パワーデバイスの場合、一般的な欠陥密度の仕様以上のものを使用して基板の品質を評価する必要があります。購入者は、欠陥の種類、空間分布、検査方法、エピタキシャル挙動、および目的のデバイス構造の感度を考慮する必要があります。
SiC ウェハの製造が向上し続けるにつれて、マイクロパイプ密度の低下と BPD 管理の改善により、デバイス メーカーは歩留まりの向上、電気的性能の安定化、動作信頼性の長期化を実現できるようになりました。
現在の市販の SiC 基板のマイクロパイプ密度は、以前の世代の材料のマイクロパイプ密度よりもはるかに低くなります。それにもかかわらず、単一のマイクロパイプが大型の高電圧デバイスに影響を与える可能性があるため、検査は依然として重要です。
必ずしもそうとは限りません。その影響は、活性エピ層に伝播するか、貫通転位に変換するか、動作中に積層欠陥の拡大を促進するかによって異なります。
バイポーラ電流注入は、BPD に起因する積層欠陥の拡大を刺激する可能性があります。これにより、順方向電圧が増加し、時間の経過とともにデバイスの性能が低下する可能性があります。
一部の基板 BPD は、基板とエピ層の界面付近で貫通刃状転位に変換されることがあります。エピタキシャルプロセスの最適化により変換率は向上しますが、すべての結晶欠陥を物理的に除去できるわけではありません。
適切な方法はウェーハとアプリケーションによって異なります。 X線トポグラフィーは詳細な非破壊欠陥マッピングを提供し、KOHエッチングは明確な転位エッチピットを提供し、フォトルミネッセンスはエピタキシャル層の検査に広く使用されています。
完全な調査では、ウェーハ直径、ポリタイプ、導電性タイプ、ドーピング、配向、オフカット角度、厚さ、研磨、表面粗さ、マイクロパイプ密度、転位要件、エッジ排除、検査方法、数量、および使用目的を指定する必要があります。
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