Carbure de silicium Epi Wafer

Les plaquettes épitaxiales en carbure de silicium sont indispensables à la fabrication des dispositifs semi-conducteurs de puissance, qui exigent un contrôle précis de l'épaisseur et du dopage. Les défauts de surface importants peuvent réduire considérablement les rendements ; c'est pourquoi une inspection minutieuse et une cartographie des défauts doivent être effectuées avant la production.

Les défauts provoquent des détournements de courant, réduisent le rendement et peuvent même entraîner une défaillance prématurée des composants. De plus, ils font augmenter les températures de fonctionnement et entraînent des coûts supplémentaires pour les utilisateurs finaux.

1. Épaisseur

Les plaquettes épitaxiales en SiC sont de petits disques en carbure de silicium d'un diamètre compris entre 100 et 150 mm, utilisés dans les dispositifs semi-conducteurs de puissance. Pour fabriquer ces dispositifs de puissance, il faut faire croître une couche épitaxiale en SiC de haute qualité sur un substrat conducteur d'électricité ; la qualité de cette couche a une incidence directe sur leurs performances.

L'épaisseur des plaquettes épitaxiales en SiC et les concentrations en dopants dépendent de la tension de fonctionnement et du dispositif fabriqué ; il faut produire des plaquettes plus épaisses pour les dispositifs fonctionnant à des tensions plus élevées, et veiller à ce que l'épaisseur et les concentrations en dopants soient uniformes sur toute la surface.

Les plaquettes épitaxiales en SiC doivent répondre à des exigences tant en matière d'épaisseur que de concentration en dopants ; elles doivent en outre être exemptes de défauts de surface tels que les défauts d'empilement cristallin, les micro-tubes, les piqûres, les rayures et les taches, susceptibles d'entraîner des défaillances du dispositif final. Ces défauts ne doivent pas non plus interférer avec les essais de performance.

Les fabricants doivent mettre en œuvre un processus rigoureux d'inspection et de classification afin de s'assurer que leurs plaquettes épitaxiales sont exemptes de défauts. Cela implique notamment de les soumettre à un test de détection des particules contaminantes par sablage et application d'un masque d'oxyde, puis de les inspecter à l'aide d'un microscope électronique à balayage pour détecter d'éventuels défauts ; une fois certifiées exemptes de défauts, elles sont considérées comme des produits de haute qualité.

2. Concentration en porteurs

Les plaquettes en silicium épitaxial (SiC-ep) constituent des matériaux indispensables dans les applications de semi-conducteurs de puissance, car elles réduisent les pertes de puissance en permettant le passage d'un courant plus important tout en dégageant moins de chaleur, contribuant ainsi à limiter les pertes d'énergie.

En raison de leurs propriétés uniques, les plaquettes de carbure de silicium épitaxiales peuvent être plus difficiles à produire avec un haut niveau de qualité que leurs équivalents en silicium, en raison des températures plus élevées requises et des conditions de croissance moins favorables.

Le contrôle de la concentration en porteurs sur une plaquette épitaxiale en SiC est essentiel pour obtenir des performances optimales du dispositif. La concentration en porteurs peut être influencée par plusieurs facteurs, notamment la vitesse de croissance de la couche épitaxiale, l'état de la surface ainsi que les défauts présents à sa surface.

Des techniques de surveillance optique sont utilisées pour mesurer l'épaisseur et la concentration en porteurs des plaquettes épitaxiales en SiC. La réflectométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est un excellent moyen non destructif de fournir des résultats précis sur des couches de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur ; de plus, elle permet de détecter des défauts d'empilement caractérisés par des taches de forme triangulaire ou des espaces sombres présentant des côtés verticaux dans l'une de ses quatre dimensions [11-20].

De plus, il permet de détecter l'agglomération des gradins courts, qui se produit lorsque des gradins présentant des vitesses de croissance différentes entrent en contact et fusionnent, ce qui peut réduire la capacité de transport de courant et entraîner une baisse du rendement.

3. Défauts ponctuels de grande taille

Les défauts ponctuels de grande taille, ou défauts de réseau, sont des défauts qui provoquent des fuites de courant en un ou plusieurs points du réseau, généralement dues à la présence de corps étrangers (impuretés) sur un substrat monocristallin ou une couche épitaxiale lors de la fabrication des plaquettes. Bien que ces matériaux se déposent généralement à la surface, dans certains cas, comme celui du SiC, ils peuvent également se former au sein de la couche épitaxiale.

Ces défauts peuvent poser de sérieux problèmes pour les dispositifs semi-conducteurs finis. Ils peuvent entraîner des chutes de tension, voire provoquer la défaillance du dispositif ; il est donc essentiel que leur densité reste aussi faible que possible.

L'inspection est essentielle pour s'assurer que les plaquettes sont exemptes de défauts, et il existe deux méthodes principales : l'inspection de surface et l'inspection en profondeur. L'inspection de surface nécessite l'utilisation de KOH pour faire ressortir les défauts visibles à une taille facilement repérable – une technique destructive inefficace qui ne convient pas aux environnements de production de masse. L'inspection en profondeur offre une détection plus efficace, mais aussi plus coûteuse, des défauts.

L'inspection sous-superficielle utilise des microscopes confocaux pour détecter les défauts situés sous la couche épitaxiale, appelés « défauts en carotte », qui pourraient perturber la croissance ou provoquer des dislocations au sein de celle-ci. L'imagerie par photoluminescence offre un autre moyen non destructif de détection des défauts sous-jacents, permettant de détecter les micro-tubes, les défauts d'empilement, les dislocations de bord de filage et les joints de grains.

4. Rugosité de surface

Les semi-conducteurs de puissance nécessitent une excellente qualité de surface pour conduire un courant électrique à haute densité, ce qui est essentiel pour atteindre des rendements élevés. C'est pourquoi les plaquettes épitaxiales sont soumises à des procédures d'inspection rigoureuses axées sur les propriétés géométriques, la résistivité, l'évaluation des défauts et l'évaluation de la rugosité de surface.

Des chercheurs qui étudient la qualité des surfaces de 4H-SiC ont découvert que leur rugosité varie en fonction du rapport C/Si utilisé pour la croissance, un rapport C/Si de 0,85 produisant une distribution de gradins dont les hauteurs varient entre 35 nm et 59 nm ; les chercheurs pensent que ce macro-décalage est causé par la nucléation ou le glissement de dislocations sur le plan basal, tandis que les agrégats de décalages pourraient également résulter de différences entre la longueur de diffusion du Si sur l'axe et celle du Si hors de l'axe.

La rugosité des plaquettes de 4H-SiC dépend de leur épaisseur. Ceci a été démontré par l'analyse de la rugosité RMS (valeur efficace) de plaquettes de 4H-SiC dans l'axe et hors axe avec un rayon de courbure de 20 nm ; la rugosité RMS augmentait avec l'épaisseur, tandis que les plaquettes hors axe présentaient un exposant d'échelle inférieur à celui de leurs homologues dans l'axe.

Cette tendance a été confirmée par une mesure de la rugosité, réalisée à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM) sur des échantillons de 3C-SiC alignés et non alignés avec l'axe, à l'aide d'une pointe AFM standard ; cette mesure a révélé que le 3C-SiC aligné avec l'axe présente une rugosité nettement supérieure à celle des échantillons non alignés.