Какво е епитаксия от силициев карбид (SiC)?

Анотация:

Като основен материал за силови полупроводници от следващо поколение, силициевият карбид (SiC) води до значителни подобрения в енергийната ефективност и производителността на системите. В производствената верига на SiC устройства, епитаксията от силициев карбид е решаваща стъпка в полагането на основите за производителност на устройствата. Тази статия ще разгледа задълбочено определението за SiC епитаксия, ключовото оборудване за процеса на епитаксия, неговите специфични приложения в обработката на полупроводници, както и проблемите и предизвикателствата, пред които е изправен.

Определение на SiC епитаксия

Силициево-карбидната епитаксия е техника за растеж на кристали, която включва растежа на един или повече слоеве от монокристален силициево-карбиден филм (т.е. епислой) със специфична кристалографска ориентация (обикновено същата като тази на субстрата) върху монокристален силициево-карбиден субстрат (SiC субстрат), който е бил изрязан и полиран, чрез химическо отлагане от пари (CVD) и др. Епилаторът е тънък филм с много високо качество с прецизно контролирана концентрация и дебелина на легиращия агент. Процесът на отглеждане на един или повече слоеве от монокристален силициев карбид (епилатор) върху SiC субстрат чрез химическо отлагане от пари (CVD) или други методи, със специфична кристална ориентация (обикновено същата като субстрата), много високо качество и прецизно контролирана концентрация и дебелина на легиращия агент.

Основните цели са:

● За осигуряване на функционален слой с нисък брой дефекти: епислоят има по-ниска плътност на кристални дефекти в сравнение с материала на основата.

● Прецизен контрол на електрическите свойства: Възможността за прецизен контрол на вида на легиране (N- или P-тип), концентрацията на легиране (в диапазона от 1014 до 1019 cm-3) и дебелината (от няколко микрометра до стотици микрометри) на епислоя.

● Изграждане на структура на устройство: Осигуряване на основна платформа за изработване на активните области (напр. дрейфов слой, канална област, област на тялото и др.) на устройството за последваща йонна имплантация, фотолитография, ецване, метализация и други процеси.

Оборудване за епитаксия SiC и приложения

Основното оборудване за извършване на SiC епитаксия са реактори за високотемпературно химическо отлагане от пари (HTCVD). Това са високосложни системи, проектирани за прецизен контрол на растежа на кристали при екстремни условия (високи температури, специфични атмосфери).

Видове и характеристики на оборудването:

Три вида епитаксиални пещи за растеж на силициев карбид и разлики в аксесоарите за сърцевината

1) Основна технология: CVD с горещи стени се използва широко в индустрията днес. Този дизайн прави разпределението на температурата в реакционната камера по-равномерно, което е благоприятно за подобряване на дебелината на епитаксиалния слой и равномерността на легирането.

2) Метод на нагряване: Индукционно нагряване или резистивно нагряване обикновено се използва за постигане на ултрависоките температури, необходими за SiC епитаксия (обикновено >1500°C, дори до 1600-1700°C).

3) Конфигурации на реакционната камера:

● Хоризонтални реактори: Газът протича хоризонтално през пластина, поставена върху графитна основа (сусцептор). Сравнително проста структура, но контролът на еднородността при големи размери е предизвикателство.

● Планетарни/вертикално въртящи се реактори: Пластините се поставят върху въртящи се пиедестали, обикновено с множество сателитни пиедестали, въртящи се едновременно около център. Тази конструкция значително подобрява температурата и равномерността на въздушния поток на големите пластини чрез въртене и завъртане и в момента е доминиращият избор на оборудване за производство с голям обем, особено за пластини с размер 150 мм и 200 мм. Представителни производители на оборудване като LPE, Aixtron и др. предоставят такова оборудване.

LPE полумесец SiC EPI реактор

4) Системи за транспортиране на газ:

Необходимо е прецизно да се контролира потокът на различни газове, включително:

● Прекурсори: Източници на силиций (напр. силан SiH4), източници на въглерод (напр. пропан C3H8 или етилен C2H4) и източници на въглерод (напр. етилен C2H4).

● Газ-носител: обикновено водород с висока чистота (H2), понякога смесен с аргон (Ar).

● Добавки: Азот (N2) за N-тип допиране; триметилалуминий (TMA) или етилборан (B2H6) за P-тип допиране.

● Газове за ецване: например хлороводород (HCl) за почистване на камерата или ецване на място.

5) Автоматизация и контрол:

Оборудването трябва да бъде оборудвано с усъвършенствана система за управление, която да следи и регулира параметри като температура, налягане, газов поток, базова скорост и др. в реално време, за да се осигури стабилност и повторяемост на процеса.

Приложения в обработката на полупроводници:

1) Производство на SiC Epi-пластини: Непосредственият резултат от CVD реактора са SiC пластини с висококачествени епитаксиални слоеве. Това е отправната точка за цялото последващо производство на SiC устройства.

2) Производство на силови устройства: Тези епи-пластмини се изпращат в съоръжение за производство на чипове (Fab) за производството на:

● SiC MOSFET транзистори: Устройствата трябва да могат прецизно да изграждат многослойни структури като N-дрифтове, P-тяла/ямки и др., а качеството на епитаксиалния слой има пряко въздействие върху Rds(on), праговото напрежение (Vth), пробойното напрежение (Vth) и RDS(on) на устройството. , пробойното напрежение (Vbr) и надеждността.

● SiC SBD: Оборудването се използва главно за отглеждане на N-дрифтов слой, който определя способността за обратно блокиране и пада на напрежението в права посока на диода.

3) Подкрепа за научноизследователска и развойна дейност: Епитаксийното оборудване се използва и за разработване на нови епитаксиални процеси, изследване на нови свойства на материалите и разработване на нови структури на устройства.

Списък с частите на планетарния реактор Aixtron

Проблеми и предизвикателства на оборудването и процесите за епитаксия от SiC в приложенията

Високата сложност на оборудването за SiC епитаксия и екстремните условия на процеса го изправят пред редица сериозни предизвикателства в практическите приложения:

Предизвикателства на ниво оборудване

● Еднородност и контрол на температурата: При температури >1500°C е изключително трудно да се постигне точен контрол на температурата в рамките на няколко градуса по Целзий върху голямо пространство (с пластини с размер 150 мм или 200 мм). Малките отклонения в температурата могат да доведат до неравномерна дебелина на епитаксиалния слой и концентрация на легиране.

● Проектиране и оптимизиране на газовия поток: Моделът на газовия поток в реакционната камера е от решаващо значение за скоростта на растеж и еднородността. Проектирането на оборудването изисква сложни хидродинамични симулации и експерименти за оптимизиране на душовата глава, геометрията на камерата и параметрите на въздушния поток, за да се избегнат вихри, мъртви зони и образуване на газови фази (генериране на частици).

● Стабилност и поддръжка на оборудването: Високите температури и корозивните газове (напр. HCl) причиняват сериозно износване на вътрешните компоненти на камерата (напр. графит, кварц). Необходими са материали, устойчиви на високи температури и корозия, с редовна поддръжка и подмяна на части, за да се осигури стабилност на технологичния прозорец и ниско замърсяване с частици. Това увеличава експлоатационните разходи и времето на престой.

● Контрол на частиците: Малките частици, генерирани вътре в устройството, са една от основните причини за дефекти на повърхността на епитаксиалния слой и повреда на устройството. Необходими са изключително чисти източници на въздух, прецизни филтри и оптимизирани процедури за почистване на камерата.

● Цена и капацитет на оборудването: Оборудването за SiC епитаксия е по своята същност скъпо. В същото време, темповете на растеж често са ограничени, за да се гарантира високо качество, особено за дебели епитаксиални слоеве, а капацитетът (Wafers Per Hour (WPH)) на единична единица е относително ограничен, което пряко влияе върху цената на SiC епитаксиалните пластини . Планетарните реактори имат по-висок капацитет, но са по-сложни и скъпи.

● Преход към 200 мм пластини: Мащабирането на съществуващите зрели 150 мм процеси и конструкции на оборудване до 200 мм пластини представлява значителни предизвикателства, особено по отношение на поддържането или дори подобряването на еднородността и контрола на дефектите.

Предизвикателства на ниво процес (тясно свързани с оборудването)

● Контрол на дефектите: Постоянно предизвикателство е как ефективно да се потиснат или елиминират дислокациите (TSD, TED), простиращи се от субстрата, както и повърхностните дефекти (кратери, драскотини, стъпаловидни агрегати) и вътрешните дефекти (грешки при подреждане), генерирани по време на епитаксия. Оптимизацията на параметрите на оборудването (температура, налягане, съотношение C/Si, скорост на растеж) е от решаващо значение.

● Дебелослойна епитаксия: Устройствата за високо напрежение изискват слабо легирани епитаксиални слоеве с дебелина десетки или дори стотици микрони. Поддържането на ниска плътност на дефектите, висока еднородност и стабилни скорости на растеж за толкова дълги периоди на растеж е трудно.

● Контрол на легирането: Постигането на високо постоянни концентрации на легиране (особено ниско легиране в диапазона 1014-1015cm-3) при големи размери на пластините и от партида до партида, както и при силно легирани интерфейси, изисква оборудване с много висока стабилност и прецизен контрол на газовия поток. Ниската ефективност на активиране и ефектите на паметта при P-тип легиране (Al) също са предизвикателства. Ефектите на паметта също са предизвикателства.