Čo je epitaxia z karbidu kremíka (SiC)?

Abstrakt:

Ako základný materiál výkonových polovodičov novej generácie, karbid kremíka (SiC) prináša významné zlepšenia energetickej účinnosti a výkonu systému. V reťazci výroby SiC zariadení je epitaxia karbidu kremíka rozhodujúcim krokom pri vytváraní základov pre výkon zariadení. Tento článok sa podrobne zaoberá definíciou SiC epitaxie, kľúčovým vybavením pre proces epitaxie, jej špecifickými aplikáciami pri spracovaní polovodičov a problémami a výzvami, ktorým čelí.

Definícia SiC epitaxie

Epitaxia karbidu kremíka je technika rastu kryštálov, ktorá zahŕňa rast jednej alebo viacerých vrstiev monokryštalického filmu karbidu kremíka (t. j. epilayer) so špecifickou kryštalografickou orientáciou (zvyčajne rovnakou ako orientácia substrátu) na monokryštalickom substráte karbidu kremíka (SiC substrát), ktorý bol narezaný a leštený pomocou chemickej depozície z pár (CVD) atď. Epilayer je tenký film veľmi vysokej kvality s presne kontrolovanou koncentráciou a hrúbkou dopovania. Proces rastu jednej alebo viacerých vrstiev monokryštalického karbidu kremíka (epilayer) na substráte SiC chemickou depozíciou z pár (CVD) alebo inými metódami so špecifickou kryštalografickou orientáciou (zvyčajne rovnakou ako orientácia substrátu), veľmi vysokou kvalitou a presne kontrolovanou koncentráciou a hrúbkou dopovania.

Hlavné ciele sú:

● Na zabezpečenie funkčnej vrstvy s nízkym počtom defektov: epilayer má nižšiu hustotu kryštálových defektov v porovnaní s materiálom substrátu.

● Presná kontrola elektrických vlastností: Schopnosť presne kontrolovať typ dopovania (typ N alebo P), koncentráciu dopovania (v rozsahu 1014 až 1019 cm-3) a hrúbku (od niekoľkých mikrometrov do stoviek mikrometrov) epilačnej vrstvy.

● Vytvorenie štruktúry zariadenia: Poskytnutie základnej platformy na výrobu aktívnych oblastí (napr. driftovej vrstvy, oblasti kanála, oblasti tela atď.) zariadenia pre následnú implantáciu iónov, fotolitografiu, leptanie, metalizáciu a ďalšie procesy.

Zariadenia na epitaxiu SiC a ich aplikácie

Základné vybavenie na vykonávanie SiC Epitaxné procesy sú reaktory pre vysokoteplotnú chemickú depozíciu z pár (HTCVD). Ide o vysoko zložité systémy určené na presné riadenie rastu kryštálov v extrémnych podmienkach (vysoké teploty, špecifické atmosféry).

Typy a vlastnosti zariadení:

Tri druhy epitaxných rastových pecí z karbidu kremíka a rozdiely v príslušenstve jadra

1) Hlavná technológia: CVD s horúcou stenou sa dnes v priemysle široko používa. Táto konštrukcia umožňuje rovnomernejšie rozloženie teploty v reakčnej komore, čo vedie k zlepšeniu hrúbky epitaxnej vrstvy a rovnomernosti dopovania.

2) Metóda ohrevu: Na dosiahnutie ultravysokých teplôt potrebných pre epitaxiu SiC (typicky > 1500 °C, dokonca až 1600 – 1700 °C) sa bežne používa indukčný ohrev alebo odporový ohrev.

3) Konfigurácie reakčnej komory:

● Horizontálne reaktory: Plyn prúdi horizontálne cez doštičku umiestnenú na grafitovom podstavci (susceptor). Relatívne jednoduchá štruktúra, ale kontrola rovnomernosti veľkých rozmerov je náročná.

● Planetárne/vertikálne rotačné reaktory: Doštičky sú umiestnené na rotujúcich podstavcoch, zvyčajne s viacerými satelitnými podstavcami, ktoré sa súčasne otáčajú okolo stredu. Táto konštrukcia výrazne zlepšuje rovnomernosť teploty a prúdenia vzduchu veľkých doštičiek prostredníctvom rotácie a otáčania a v súčasnosti je dominantnou voľbou zariadenia pre veľkoobjemovú výrobu, najmä pre doštičky s rozmermi 150 mm a 200 mm. Reprezentatívni výrobcovia zariadení, ako napríklad LPE, Aixtron atď., poskytujú takéto zariadenia.

LPE Halfmoon SiC EPI reaktor

4) Systémy prepravy plynu:

Potreba presne regulovať tok rôznych plynov vrátane:

● Prekurzory: Zdroje kremíka (napr. silán SiH4), zdroje uhlíka (napr. propán C3H8 alebo etylén C2H4) a zdroje uhlíka (napr. etylén C2H4).

● Nosný plyn: zvyčajne vysoko čistý vodík (H2), niekedy zmiešaný s argónom (Ar).

● Dopanty: Dusík (N2) pre dopovanie typu N; trimetylalumínium (TMA) alebo etylborán (B2H6) pre dopovanie typu P.

● Leptacie plyny: napr. chlorovodík (HCl) na čistenie komory alebo leptanie in situ.

5) Automatizácia a riadenie:

Zariadenie musí byť vybavené pokročilým riadiacim systémom na monitorovanie a reguláciu parametrov, ako je teplota, tlak, prietok plynu, základná rýchlosť atď., v reálnom čase, aby sa zabezpečila stabilita a opakovateľnosť procesu.

Aplikácie v spracovaní polovodičov:

1) Výroba SiC Epi-doštičiek: Okamžitý výstup CVD reaktora je SiC doštičky s vysoko kvalitnými epitaxnými vrstvami. Toto je východiskový bod pre všetku následnú výrobu SiC zariadení.

2) Výroba výkonových zariadení: Tieto epi-doštičky sa posielajú do zariadenia na výrobu čipov (Fab) na výrobu:

● SiC MOSFETy: Zariadenia musia presne vytvárať viacvrstvové štruktúry, ako sú N-drifty, P-telieska/jamky atď., a kvalita epitaxnej vrstvy má priamy vplyv na Rds(on), prahové napätie (Vth), prierazné napätie (Vth) a RDS(on) zariadenia. , prierazné napätie (Vbr) a spoľahlivosť.

● SiC SBD: Zariadenie sa používa hlavne na pestovanie N-driftovej vrstvy, ktorá určuje schopnosť blokovania v spätnom smere a pokles napätia v priamym smere diódy.

3) Podpora výskumných a vývojových aktivít: Zariadenia na epitaxiu sa používajú aj na vývoj nových epitaxných procesov, skúmanie nových materiálových vlastností a vývoj nových štruktúr zariadení.

Zoznam dielov planétového reaktora Aixtron

Problémy a výzvy zariadení a procesov epitaxie SiC v aplikáciách

Vysoká zložitosť zariadení na epitaxiu SiC a extrémne podmienky procesu čelia v praktických aplikáciách množstvu vážnych výziev:

Výzvy na úrovni vybavenia

● Rovnomernosť a regulácia teploty: Pri teplotách > 1500 °C je mimoriadne náročné dosiahnuť presnú reguláciu teploty v rozmedzí niekoľkých stupňov Celzia na veľkom priestore (s doštičkami s priemerom 150 mm alebo 200 mm). Malé odchýlky teploty môžu viesť k nerovnomernej hrúbke epitaxnej vrstvy a koncentrácii dopingu.

● Návrh a optimalizácia prúdenia plynu: Priebeh prúdenia plynu v reakčnej komore je rozhodujúci pre rýchlosť rastu a rovnomernosť. Návrh zariadenia vyžaduje komplexné hydrodynamické simulácie a experimenty na optimalizáciu sprchovej hlavice, geometrie komory a parametrov prúdenia vzduchu, aby sa predišlo vírom, mŕtvym zónam a nukleácii v plynnej fáze (tvorbe častíc).

● Stabilita a údržba zariadenia: Vysoké teploty a korozívne plyny (napr. HCl) spôsobujú vážne opotrebovanie vnútorných častí komory (napr. grafit, kremeň). Na zabezpečenie stability procesného okna a nízkej kontaminácie časticami sú potrebné materiály odolné voči vysokým teplotám a korózii s pravidelnou údržbou a výmenou dielov. To zvyšuje prevádzkové náklady a prestoje.

● Kontrola častíc: Drobné častice generované vo vnútri zariadenia sú jednou z hlavných príčin povrchových defektov epitaxnej vrstvy a zlyhania zariadenia. Vyžadujú sa extrémne čisté zdroje vzduchu, presné filtre a optimalizované postupy čistenia komory.

● Náklady na zariadenie a kapacita: Zariadenia na epitaxiu SiC sú vo svojej podstate drahé. Zároveň sú tempo rastu často obmedzené, aby sa zabezpečila vysoká kvalita, najmä pri hrubých epitaxných vrstvách, a kapacita (doštičky za hodinu (WPH)) jednej jednotky je relatívne obmedzená, čo priamo ovplyvňuje náklady na SiC epitaxné doštičkyPlanétové reaktory majú vyššiu kapacitu, ale sú zložitejšie a drahšie.

● Prechod na 200 mm doštičky: Zmena existujúcich vyspelých 150 mm procesov a návrhov zariadení na 200 mm doštičky predstavuje značné výzvy, najmä pri udržiavaní alebo dokonca zlepšovaní uniformity a kontroly defektov.

Výzvy na úrovni procesov (úzko súvisiace so zariadením)

● Kontrola defektov: Účinné potlačenie alebo eliminácia dislokácií (TSD, TED) vystupujúcich zo substrátu, ako aj povrchových defektov (krátery, škrabance, stupňovité agregáty) a vnútorných defektov (chyby stohovania) vznikajúcich počas epitaxie, je neustálou výzvou. Optimalizácia parametrov zariadenia (teplota, tlak, pomer C/Si, rýchlosť rastu) je kritická.

● Hrubovrstvová epitaxia: Vysokonapäťové zariadenia vyžadujú nízko dopované epitaxné vrstvy s hrúbkou desiatok alebo dokonca stoviek mikrónov. Udržiavanie nízkej hustoty defektov, vysokej uniformity a stabilných rýchlostí rastu počas tak dlhých časových období rastu je náročné.

● Kontrola dopovania: Dosiahnutie vysoko konzistentných koncentrácií dopovania (najmä nízkeho dopovania v rozsahu 1014 – 1015 cm-3) pri veľkých veľkostiach doštičiek a medzi jednotlivými dávkami, ako aj strmo dopovaných rozhraní, si vyžaduje zariadenia s veľmi vysokou stabilitou a presnou reguláciou prietoku plynu. Nízka účinnosť aktivácie a pamäťové efekty dopovania typu P (Al) sú tiež výzvou. Pamäťové efekty sú tiež výzvou.