Шта је епитаксија силицијум карбида (SiC)?

Сажетак:

Као основни материјал енергетских полупроводника следеће генерације, силицијум карбид (СиЦ) покреће значајна побољшања енергетске ефикасности и перформанси система. У ланцу производње SiC уређаја, епитаксија силицијум карбида је одлучујући корак у постављању темеља за перформансе уређаја. Овај чланак ће детаљно истражити дефиницију SiC епитаксе, кључну опрему за процес епитаксе, њене специфичне примене у обради полупроводника, као и проблеме и изазове са којима се суочава.

Дефиниција SiC епитаксе

Силицијум карбидна епитаксија је техника раста кристала која укључује раст једног или више слојева монокристалног силицијум карбидног филма (тј. епислоја) са специфичном кристалографском оријентацијом (обично истом као и подлога) на монокристалној силицијум карбидној подлози (SiC подлога) која је исечена и полирана, помоћу хемијског таложења из паре (CVD) итд. Епилатор је танак филм веома високог квалитета са прецизно контролисаном концентрацијом и дебљином допирања. Процес раста једног или више слојева монокристалног силицијум карбида (епилатора) на SiC подлози хемијским таложењем из паре (CVD) или другим методама, са специфичном кристалном оријентацијом (обично истом као и подлога), веома високим квалитетом и прецизно контролисаном концентрацијом и дебљином допирања.

Основни циљеви су:

● Да би се обезбедио функционални слој са ниским бројем дефеката: епислој има мању густину кристалних дефеката у поређењу са материјалом подлоге.

● Прецизна контрола електричних својстава: Могућност прецизне контроле типа допирања (N- или P-тип), концентрације допирања (у опсегу од 1014 до 1019 цм-3) и дебљине (од неколико микрометара до стотина микрометара) епислоја.

● Изградња структуре уређаја: Обезбеђивање основне платформе за израду активних региона (нпр. слоја дрифта, региона канала, региона тела итд.) уређаја за накнадну јонску имплантацију, фотолитографију, нагризање, метализацију и друге процесе.

Опрема за SiC епитаксију и њене примене

Основна опрема за извођење СиЦ Процеси епитаксе су реактори за хемијско таложење из паре на високим температурама (HTCVD). То су веома сложени системи дизајнирани за прецизну контролу раста кристала у екстремним условима (високе температуре, специфичне атмосфере).

Врсте и карактеристике опреме:

Три врсте пећи за епитаксијални раст силицијум карбида и разлике у додатној опреми за језгро

1) Главна технологија: CVD са врућим зидом се данас широко користи у индустрији. Овај дизајн чини расподелу температуре у реакционој комори равномернијом, што доприноси побољшању дебљине епитаксијалног слоја и уједначености допирања.

2) Метод загревања: Индукционо загревање или отпорничко загревање се обично користи за постизање ултра високих температура потребних за SiC епитаксију (обично >1500°C, чак и до 1600-1700°C).

3) Конфигурације реакционе коморе:

● Хоризонтални реактори: Гас тече хоризонтално кроз плочицу постављену на графитну подлогу (сусцептор). Релативно једноставна структура, али контрола једнообразности великих димензија представља изазов.

● Планетарни/вертикално ротирајући реактори: Плочице се постављају на ротирајућа постоља, обично са више сателитских постоља која се истовремено ротирају око центра. Овај дизајн значајно побољшава уједначеност температуре и протока ваздуха великих плочица кроз ротацију и обртање и тренутно је доминантан избор опреме за производњу великих количина, посебно за плочице од 150 мм и 200 мм. Репрезентативни произвођачи опреме као што су LPE, Aixtron итд. обезбеђују такву опрему.

LPE Halfmoon SiC EPI реактор

4) Системи за транспорт гаса:

Потребно је прецизно контролисати проток разних гасова, укључујући:

● Прекурсори: Извори силицијума (нпр. силан SiH4), извори угљеника (нпр. пропан C3H8 или етилен C2H4) и извори угљеника (нпр. етилен C2H4).

● Гас носач: обично водоник високе чистоће (H2), понекад помешан са аргоном (Ar).

● Допанти: Азот (N2) за допирање N-типа; триметилалуминијум (TMA) или етилборан (B2H6) за допирање P-типа.

● Гасови за нагризање: нпр. хлороводоник (HCl) за чишћење коморе или нагризање на лицу места.

5) Аутоматизација и управљање:

Опрема мора бити опремљена напредним системом управљања за праћење и регулисање параметара као што су температура, притисак, проток гаса, основна брзина итд. у реалном времену како би се осигурала стабилност и поновљивост процеса.

Примене у обради полупроводника:

1) Производња SiC Epi-пластина: Непосредни излаз CVD реактора је SiC плочице са висококвалитетним епитаксијалним слојевима. Ово је почетна тачка за сву накнадну производњу SiC уређаја.

2) Израда енергетских уређаја: Ови епи-пластини се шаљу у погон за израду чипова (Fab) ради производње:

● SiC MOSFET-ови: Уређаји морају прецизно да развијају вишеслојне структуре као што су N-дрифтови, P-тела/бунари итд., а квалитет епитаксијалног слоја има директан утицај на Rds(on), праг напона (Vth), пробојни напон (Vth) и RDS(on) уређаја. , пробојни напон (Vbr) и поузданост.

● SiC SBD-ови: Опрема се углавном користи за узгој N-дрифт слоја, који одређује могућност обрнутог блокирања и пад напона унапред на диоди.

3) Подржавање активности истраживања и развоја: Опрема за епитаксију се такође користи за развој нових епитаксијалних процеса, истраживање нових својстава материјала и развој нових структура уређаја.

Списак делова планетарног реактора Aixtron

Проблеми и изазови опреме и процеса SiC епитаксе у применама

Висока сложеност опреме за SiC епитаксију и екстремни услови процеса суочавају је са бројним озбиљним изазовима у практичној примени:

Изазови на нивоу опреме

● Уједначеност и контрола температуре: На температурама >1500°C, изузетно је тешко постићи прецизну контролу температуре унутар неколико степени Целзијуса на великој површини (која носи плочице од 150 mm или 200 mm). Мала одступања температуре могу довести до неравномерне дебљине епитаксијалног слоја и концентрације допирања.

● Дизајн и оптимизација протока гаса: Шема протока гаса у реакционој комори је кључна за брзину раста и уједначеност. Дизајн опреме захтева сложене хидродинамичке симулације и експерименте за оптимизацију главе туша, геометрије коморе и параметара протока ваздуха како би се избегли вртлози, мртве зоне и нуклеација гасне фазе (стварање честица).

● Стабилност и одржавање опреме: Високе температуре и корозивни гасови (нпр. HCl) изазивају озбиљно хабање унутрашњих делова коморе (нпр. графит, кварц). Потребни су материјали отпорни на високе температуре и корозију, уз редовно одржавање и замену делова, како би се осигурала стабилност процесног прозора и ниска контаминација честицама. Ово повећава оперативне трошкове и време застоја.

● Контрола честица: Ситне честице које се стварају унутар уређаја један су од главних узрока површинских дефеката епитаксијалног слоја и квара уређаја. Потребни су изузетно чисти извори ваздуха, прецизни филтери и оптимизоване процедуре чишћења коморе.

● Трошкови и капацитет опреме: Опрема за SiC епитаксијалну епитаксија је сама по себи скупа. Истовремено, стопе раста су често ограничене како би се осигурао висок квалитет, посебно за дебеле епитаксијалне слојеве, а капацитет (плочице на сат (WPH)) једне јединице је релативно ограничен, што директно утиче на трошкове СиЦ епитаксијалне плочицеПланетарни реактори имају већи капацитет, али су сложенији и скупљи.

● Прелазак на плочице од 200 мм: Скалирање постојећих зрелих процеса и дизајна опреме од 150 мм на плочице од 200 мм представља значајне изазове, посебно у одржавању или чак побољшању униформности и контроле дефеката.

Изазови на нивоу процеса (уско повезани са опремом)

● Контрола дефеката: Како ефикасно сузбити или елиминисати дислокације (TSD, TED) које се протежу из подлоге, као и површинске дефекте (кратере, огреботине, степенасте агрегате) и унутрашње дефекте (грешке слагања) настале током епитаксе, представља стални изазов. Оптимизација параметара опреме (температура, притисак, однос C/Si, брзина раста) је кључна.

● Епитаксија дебелог филма: Уређаји високог напона захтевају слабо допиране епитаксијалне слојеве дебљине десетине или чак стотине микрона. Одржавање ниске густине дефеката, високе униформности и стабилних стопа раста током тако дугих времена раста је тешко.

● Контрола допирања: Постизање високо конзистентних концентрација допирања (посебно ниског допирања у опсегу 1014-1015 цм-3) у великим величинама плочица и од серије до серије, као и стрмо допираних међуповршина, захтева опрему са веома високом стабилношћу и прецизном контролом протока гаса. Ниска ефикасност активације и меморијски ефекти допирања П-типа (Al) такође представљају изазове. Меморијски ефекти су такође изазови.