Šta je epitaksija silicijum karbida (SiC)?

Sažetak:

Kao osnovni materijal energetskih poluprovodnika sljedeće generacije, silicijum karbid (SiC) potiče značajna poboljšanja u energetskoj efikasnosti i performansama sistema. U lancu proizvodnje SiC uređaja, epitaksija silicijum karbida je odlučujući korak u postavljanju temelja za performanse uređaja. Ovaj članak će detaljno istražiti definiciju SiC epitaksije, ključnu opremu za proces epitaksije, njene specifične primjene u obradi poluprovodnika, te probleme i izazove s kojima se suočava.

Definicija SiC epitaksije

Epitaksija silicijum karbida je tehnika rasta kristala koja uključuje rast jednog ili više slojeva monokristalnog filma silicijum karbida (tj. epilayera) sa specifičnom kristalografskom orijentacijom (obično istom kao i orijentacija podloge) na monokristalnoj silicijum karbidnoj podlozi (SiC podloga) koja je izrezana i polirana, pomoću hemijskog taloženja iz pare (CVD) itd. Epilayer je tanki film vrlo visokog kvaliteta sa precizno kontrolisanom koncentracijom i debljinom dopiranja. Proces rasta jednog ili više slojeva monokristalnog silicijum karbida (epilayera) na SiC podlozi hemijskim taloženjem iz pare (CVD) ili drugim metodama, sa specifičnom kristalnom orijentacijom (obično istom kao i podloga), vrlo visokim kvalitetom i precizno kontrolisanom koncentracijom i debljinom dopiranja.

Osnovni ciljevi su:

● Da bi se obezbijedio funkcionalni sloj sa niskim brojem defekata: epilayer ima manju gustinu kristalnih defekata u poređenju sa materijalom supstrata.

● Precizna kontrola električnih svojstava: Mogućnost precizne kontrole vrste dopiranja (N- ili P-tip), koncentracije dopiranja (u rasponu od 1014 do 1019 cm-3) i debljine (od nekoliko mikrometara do stotina mikrometara) epilayera.

● Izgradnja strukture uređaja: Obezbjeđivanje osnovne platforme za izradu aktivnih područja (npr. sloja drifta, područja kanala, područja tijela itd.) uređaja za naknadnu implantaciju iona, fotolitografiju, nagrizanje, metalizaciju i druge procese.

Oprema za SiC epitaksiju i njena primjena

Osnovna oprema za izvođenje SiC Epitaksija se odvija na reaktorima za hemijsko taloženje iz pare na visokim temperaturama (HTCVD). To su veoma složeni sistemi dizajnirani za preciznu kontrolu rasta kristala u ekstremnim uslovima (visoke temperature, specifične atmosfere).

Vrste i karakteristike opreme:

Tri vrste peći za epitaksijalni rast silicijum karbida i razlike u priboru za jezgro

1) Glavna tehnologija: CVD sa vrućim zidom se danas široko koristi u industriji. Ovaj dizajn čini raspodjelu temperature u reakcijskoj komori ujednačenijom, što doprinosi poboljšanju debljine epitaksijalnog sloja i ujednačenosti dopiranja.

2) Metoda zagrijavanja: Indukcijsko zagrijavanje ili otporničko zagrijavanje se obično koristi za postizanje ultra visokih temperatura potrebnih za SiC epitaksiju (obično >1500°C, čak i do 1600-1700°C).

3) Konfiguracije reakcijske komore:

● Horizontalni reaktori: Plin teče horizontalno kroz pločicu postavljenu na grafitnu podlogu (susceptor). Relativno jednostavna struktura, ali kontrola ujednačenosti velikih dimenzija predstavlja izazov.

● Planetarni/vertikalno rotirajući reaktori: Pločice se postavljaju na rotirajuće postolje, obično s više satelitskih postolja koja se istovremeno okreću oko centra. Ovaj dizajn značajno poboljšava ujednačenost temperature i protoka zraka velikih pločica putem rotacije i okretanja i trenutno je dominantan izbor opreme za proizvodnju velikih količina, posebno za pločice od 150 mm i 200 mm. Reprezentativni proizvođači opreme kao što su LPE, Aixtron itd. isporučuju takvu opremu.

LPE polumjesečni SiC EPI reaktor

4) Sistemi za transport gasa:

Potrebno je precizno kontrolisati protok različitih gasova, uključujući:

● Prekursori: Izvori silicija (npr. silan SiH4), izvori ugljika (npr. propan C3H8 ili etilen C2H4) i izvori ugljika (npr. etilen C2H4).

● Noseći plin: obično vodik visoke čistoće (H2), ponekad pomiješan s argonom (Ar).

● Dopanti: Dušik (N2) za dopiranje N-tipa; trimetilaluminij (TMA) ili etilboran (B2H6) za dopiranje P-tipa.

● Plinovi za nagrizanje: npr. hlorovodik (HCl) za čišćenje komore ili nagrizanje in situ.

5) Automatizacija i upravljanje:

Oprema mora biti opremljena naprednim kontrolnim sistemom za praćenje i regulaciju parametara kao što su temperatura, pritisak, protok gasa, osnovna brzina itd. u realnom vremenu kako bi se osigurala stabilnost i ponovljivost procesa.

Primjene u obradi poluprovodnika:

1) Proizvodnja SiC Epi-pločica: Neposredni izlaz CVD reaktora je SiC pločice sa visokokvalitetnim epitaksijalnim slojevima. Ovo je početna tačka za svu kasniju proizvodnju SiC uređaja.

2) Izrada energetskih uređaja: Ove epi-pločice se šalju u pogon za izradu čipova (Fab) radi proizvodnje:

● SiC MOSFET-ovi: Uređaji moraju precizno uzgajati višeslojne strukture kao što su N-driftovi, P-tijela/bunari itd., a kvalitet epitaksijalnog sloja ima direktan utjecaj na Rds(on), prag napona (Vth), probojni napon (Vth) i RDS(on) uređaja. , probojni napon (Vbr) i pouzdanost.

● SiC SBD-ovi: Oprema se uglavnom koristi za uzgoj N-drift sloja, koji određuje sposobnost blokiranja u obrnutom smjeru i pad napona diode u smjeru naprijed.

3) Podrška aktivnostima istraživanja i razvoja: Oprema za epitaksiju se također koristi za razvoj novih epitaksijalnih procesa, istraživanje novih svojstava materijala i razvoj novih struktura uređaja.

Spisak dijelova Aixtron planetarnog reaktora

Problemi i izazovi opreme i procesa SiC epitaksije u primjenama

Visoka složenost opreme za SiC epitaksiju i ekstremni uslovi procesa suočavaju je s nizom ozbiljnih izazova u praktičnoj primjeni:

Izazovi na nivou opreme

● Ujednačenost i kontrola temperature: Na temperaturama >1500°C, izuzetno je teško postići tačnu kontrolu temperature unutar nekoliko stepeni Celzijusa na velikoj površini (koja sadrži pločice od 150 mm ili 200 mm). Mala odstupanja temperature mogu dovesti do neujednačene debljine epitaksijalnog sloja i koncentracije dopiranja.

● Dizajn i optimizacija protoka plina: Oblik protoka plina u reakcijskoj komori ključan je za brzinu rasta i ujednačenost. Dizajn opreme zahtijeva složene hidrodinamičke simulacije i eksperimente za optimizaciju tuša, geometrije komore i parametara protoka zraka kako bi se izbjegli vrtlozi, mrtve zone i nukleacija plinske faze (generiranje čestica).

● Stabilnost i održavanje opreme: Visoke temperature i korozivni plinovi (npr. HCl) uzrokuju ozbiljno habanje unutrašnjih dijelova komore (npr. grafit, kvarc). Materijali otporni na visoke temperature i koroziju, uz redovno održavanje i zamjenu dijelova, potrebni su kako bi se osigurala stabilnost procesnog prozora i niska kontaminacija česticama. To povećava operativne troškove i vrijeme zastoja.

● Kontrola čestica: Sitne čestice koje se stvaraju unutar uređaja jedan su od glavnih uzroka defekata površine epitaksijalnog sloja i kvara uređaja. Potrebni su izuzetno čisti izvori zraka, precizni filteri i optimizirani postupci čišćenja komore.

● Cijena i kapacitet opreme: Oprema za SiC epitaksiju je sama po sebi skupa. Istovremeno, stope rasta su često ograničene kako bi se osigurala visoka kvaliteta, posebno za debele epitaksijalne slojeve, a kapacitet (pločice na sat (WPH)) jedne jedinice je relativno ograničen, što direktno utiče na cijenu SiC epitaksijalne pločicePlanetarni reaktori imaju veći kapacitet, ali su složeniji i skuplji.

● Prelazak na pločice od 200 mm: Prilagođavanje postojećih zrelih procesa i dizajna opreme od 150 mm na pločice od 200 mm predstavlja značajne izazove, posebno u održavanju ili čak poboljšanju ujednačenosti i kontrole defekata.

Izazovi na nivou procesa (usko povezani s opremom)

● Kontrola defekata: Kako efikasno suzbiti ili eliminisati dislokacije (TSD, TED) koje se protežu iz podloge, kao i površinske defekte (kratere, ogrebotine, stepenaste agregate) i unutrašnje defekte (greške slaganja) nastale tokom epitaksije, predstavlja stalan izazov. Optimizacija parametara opreme (temperatura, pritisak, odnos C/Si, brzina rasta) je ključna.

● Epitaksija debelog filma: Visokonaponski uređaji zahtijevaju slabo dopirane epitaksijalne slojeve debljine desetine ili čak stotine mikrona. Održavanje niske gustoće defekata, visoke ujednačenosti i stabilnih stopa rasta tokom tako dugih vremena rasta je teško.

● Kontrola dopiranja: Postizanje visoko konzistentnih koncentracija dopiranja (posebno niskog dopiranja u rasponu od 1014-1015cm-3) u velikim veličinama pločica i od serije do serije, kao i strmo dopiranih površina, zahtijeva opremu s vrlo visokom stabilnošću i preciznom kontrolom protoka plina. Niska efikasnost aktivacije i memorijski efekti dopiranja P-tipa (Al) također su izazovi. Memorijski efekti su također izazovi.