Што е епитаксија со силициум карбид (SiC)?

Апстракт:

Како основен материјал на полупроводниците за електрична енергија од следната генерација, силициум карбид (SiC) носи значителни подобрувања во енергетската ефикасност и перформансите на системот. Во синџирот на производство на SiC уреди, силициум карбидната епитаксија е одлучувачки чекор во поставувањето на темелите за перформансите на уредите. Оваа статија ќе ја истражи детално дефиницијата за SiC епитаксија, клучната опрема за процесот на епитаксија, нејзините специфични примени во обработката на полупроводници и проблемите и предизвиците со кои се соочува.

Дефиниција на SiC епитаксија

Епитаксија на силициум карбид е техника на раст на кристали што вклучува раст на еден или повеќе слоеви од монокристален силициум карбиден филм (т.е. епилослов) со специфична кристалографска ориентација (обично иста како и подлогата) на монокристален силициум карбиден супстрат (SiC супстрат) кој е исечен и полиран, со помош на хемиско таложење на пареа (CVD) итн. Епилословот е тенок филм со многу висок квалитет со прецизно контролирана концентрација и дебелина на допирање. Процес на одгледување на еден или повеќе слоеви од монокристален силициум карбид (епилослов) на SiC супстрат со хемиско таложење на пареа (CVD) или други методи, со специфична кристална ориентација (обично иста како и подлогата), многу висок квалитет и прецизно контролирана концентрација и дебелина на допирање.

Основните цели се:

● За да се обезбеди функционален слој со ниски дефекти: епилослојот има помала густина на кристални дефекти во споредба со материјалот на подлогата.

● Прецизна контрола на електричните својства: Способност за прецизно контролирање на типот на допирање (N- или P-тип), концентрацијата на допирање (во опсег од 1014 до 1019 cm-3) и дебелината (од неколку микрометри до стотици микрометри) на епилословот.

● Градење структура на уредот: Обезбедете ја основната платформа за изработка на активните региони (на пр., слој на дрифт, канален регион, регион на тело итн.) на уредот за последователна имплантација на јони, фотолитографија, јоргање, метализација и други процеси.

Опрема за SiC епитаксија и апликации

Основната опрема за изведување SiC Процесите на епитаксија се реактори за хемиско таложење на пареа на висока температура (HTCVD). Ова се многу сложени системи дизајнирани за прецизна контрола на растот на кристалите под екстремни услови (високи температури, специфични атмосфери).

Видови опрема и карактеристики:

Три вида разлики во печките за епитаксијален раст на силициум карбид и додатоците за јадро

1) Главна технологија: CVD со топол ѕид е широко користен во индустријата денес. Овој дизајн ја прави распределбата на температурата во реакционата комора порамномерна, што е погодно за подобрување на дебелината на епитаксијалниот слој и униформноста на допирањето.

2) Метод на загревање: Индукциското греење или отпорното загревање најчесто се користи за да се постигнат ултра високите температури потребни за SiC епитаксија (обично >1500°C, дури и до 1600-1700°C).

3) Конфигурации на реакционата комора:

● Хоризонтални реактори: Гасот тече хоризонтално низ плочка поставена на графитна основа (Susceptor). Релативно едноставна структура, но контролата на униформноста на големи димензии е предизвик.

● Планетарни/вертикални ротирачки реактори: Плочите се поставуваат на ротирачки постаменти, обично со повеќе сателитски постаменти кои ротираат истовремено околу центар. Овој дизајн значително ја подобрува униформноста на температурата и протокот на воздух кај големите плочки преку ротација и револуција и во моментов е доминантен избор на опрема за производство на голем обем, особено за плочки од 150 mm и 200 mm. Репрезентативни производители на опрема како што се LPE, Aixtron итн. обезбедуваат таква опрема.

LPE Halfmoon SiC EPI реактор

4) Системи за транспорт на гас:

Потреба за прецизно контролирање на протокот на различни гасови, вклучувајќи:

● Прекурсори: Извори на силициум (на пр., силан SiH4), извори на јаглерод (на пр., пропан C3H8 или етилен C2H4) и извори на јаглерод (на пр., етилен C2H4). H4).

● Носечки гас: обично водород со висока чистота (H2), понекогаш измешан со аргон (Ar).

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

● Гасови за јоргање: на пр. водород хлорид (HCl) за чистење на комората или јоргање на лице место.

5) Автоматизација и контрола:

Опремата треба да биде опремена со напреден систем за контрола за следење и регулирање на параметри како што се температура, притисок, проток на гас, основна брзина итн. во реално време за да се обезбеди стабилност и повторување на процесот.

Примени во полупроводничката обработка:

1) Производство на SiC Epi-плочки: Непосредниот излез на CVD реактор е SiC плочки со висококвалитетни епитаксијални слоеви. Ова е почетната точка за сите последователни производство на SiC уреди.

2) Изработка на енергетски уреди: Овие епи-плочки се испраќаат во погон за производство на чипови (Фабрика) за производство на:

● SiC MOSFET-и: Уредите треба прецизно да растат повеќеслојни структури како што се N-дрифтови, P-тела/бунари итн., а квалитетот на епитаксијалниот слој има директно влијание врз Rds(on), прагниот напон (Vth), пробивниот напон (Vth) и RDS(on) на уредот, пробивниот напон (Vbr) и сигурноста.

● SiC SBD: Опремата главно се користи за растење на N-дрифт слојот, кој ја одредува способноста за обратно блокирање и падот на напонот на диодата во насока на движење.

3) Поддршка на активностите за истражување и развој: Опремата за епитаксија се користи и за развој на нови епитаксијални процеси, истражување на нови својства на материјалите и развој на нови структури на уреди.

Список на делови за планетарниот реактор Aixtron

Проблеми и предизвици на опремата и процесите за SiC епитаксија во апликациите

Високата сложеност на опремата за епитаксија со SiC и екстремните услови на процесот ја прават да се соочи со голем број сериозни предизвици во практичните апликации:

Предизвици на ниво на опрема

● Униформност и контрола на температурата: На температури >1500°C, исклучително е тешко да се постигне прецизна контрола на температурата во рок од неколку степени Целзиусови на голем простор (кој носи плочки од 150 mm или 200 mm). Малите отстапувања во температурата можат да доведат до нееднаква дебелина на епитаксијалниот слој и концентрација на допинг.

● Дизајн и оптимизација на протокот на гас: Моделот на протокот на гас во реакционата комора е клучен за стапката на раст и униформноста. Дизајнот на опремата бара сложени хидродинамички симулации и експерименти за оптимизирање на тушот, геометријата на комората и параметрите на протокот на воздух за да се избегнат вртлози, мртви зони и нуклеација во гасна фаза (генерирање честички).

● Стабилност и одржување на опремата: Високите температури и корозивните гасови (на пр., HCl) предизвикуваат сериозно абење на внатрешните делови на комората (на пр., графит, кварц). Потребни се материјали отпорни на високи температури и корозија со редовно одржување и замена на делови за да се обезбеди стабилност на прозорецот на процесот и ниска контаминација со честички. Ова ги зголемува оперативните трошоци и времето на застој.

● Контрола на честички: Малите честички генерирани во уредот се една од главните причини за дефекти на површината на епитаксијалниот слој и дефект на уредот. Потребни се исклучително чисти извори на воздух, прецизни филтри и оптимизирани процедури за чистење на комората.

● Цена и капацитет на опремата: Опремата за епитаксија од SiC е по својата природа скапа. Во исто време, стапките на раст често се ограничени за да се обезбеди висок квалитет, особено за дебели епитаксијални слоеви, а капацитетот (плочки на час (WPH)) на една единица е релативно ограничен, што директно влијае на цената на SiC епитаксијални наполитанкиПланетарните реактори имаат поголем капацитет, но се посложени и поскапи.

● Транзиција кон плочки од 200 mm: Скалирањето на постојните зрели дизајни на процеси и опрема од 150 mm на плочки од 200 mm претставува значителни предизвици, особено во одржувањето или дури и подобрувањето на униформноста и контролата на дефекти.

Предизвици на ниво на процес (тесно поврзани со опремата)

● Контрола на дефекти: Како ефикасно да се потиснат или елиминираат дислокациите (TSD, TED) што се протегаат од подлогата, како и површинските дефекти (кратери, гребнатини, скалести агрегати) и внатрешните дефекти (грешки во редењето) генерирани за време на епитаксија е постојан предизвик. Оптимизацијата на параметрите на опремата (температура, притисок, однос C/Si, стапка на раст) е од клучно значење.

● Дебела епитаксија: Уредите со висок напон бараат ниско допирани епитаксијални слоеви со дебелина од десетици, па дури и стотици микрони. Одржувањето ниска густина на дефекти, висока униформност и стабилни стапки на раст во толку долги периоди на раст е тешко.

● Контрола на допинг: Постигнувањето високо конзистентни концентрации на допинг (особено ниско допирање во опсегот од 1014-1015cm-3) низ големи димензии на плочки и од серија до серија, како и стрмно допирани интерфејси, бара опрема со многу висока стабилност и прецизна контрола на протокот на гас. Ниските ефикасности на активација и мемориските ефекти на P-тип допинг (Al) се исто така предизвици. Мемориските ефекти се исто така предизвици.