Što je epitaksija silicijevog karbida (SiC)?

Sažetak:

Kao osnovni materijal energetskih poluvodiča sljedeće generacije, silicijev karbid (SiC) potiče značajna poboljšanja energetske učinkovitosti i performansi sustava. U lancu proizvodnje SiC uređaja, silicij-karbidna epitaksija je odlučujući korak u postavljanju temelja za performanse uređaja. Ovaj članak će detaljno istražiti definiciju SiC epitaksije, ključnu opremu za proces epitaksije, njegove specifične primjene u obradi poluvodiča te probleme i izazove s kojima se suočava.

Definicija SiC epitaksije

Silicijeva karbidna epitaksija je tehnika rasta kristala koja uključuje rast jednog ili više slojeva monokristalnog filma silicijevog karbida (tj. epilayera) sa specifičnom kristalografskom orijentacijom (obično istom kao i orijentacija podloge) na monokristalnoj silicijevoj karbidnoj podlozi (SiC podloga) koja je izrezana i polirana, pomoću kemijskog taloženja iz pare (CVD) itd. Epilayer je tanki film vrlo visoke kvalitete s precizno kontroliranom koncentracijom i debljinom dopiranja. Proces uzgoja jednog ili više slojeva monokristalnog silicijevog karbida (epilayera) na SiC podlozi kemijskim taloženjem iz pare (CVD) ili drugim metodama, sa specifičnom kristalnom orijentacijom (obično istom kao i podloga), vrlo visokom kvalitetom i precizno kontroliranom koncentracijom i debljinom dopiranja.

Glavni ciljevi su:

● Za osiguravanje funkcionalnog sloja s niskim brojem defekata: epilayer ima nižu gustoću kristalnih defekata u usporedbi s materijalom podloge.

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

Oprema za SiC epitaksiju i njena primjena

Osnovna oprema za izvođenje SiC epitaksijski procesi su reaktori za kemijsko taloženje iz pare na visokim temperaturama (HTCVD). To su vrlo složeni sustavi dizajnirani za preciznu kontrolu rasta kristala u ekstremnim uvjetima (visoke temperature, specifične atmosfere).

Vrste i značajke opreme:

Tri vrste peći za epitaksijalni rast silicijevog karbida i razlike u priboru za jezgre

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

2) Metoda zagrijavanja: Indukcijsko zagrijavanje ili otporno zagrijavanje obično se 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 struji 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 središta. Ovaj dizajn značajno poboljšava ujednačenost temperature i protoka zraka velikih pločica rotacijom i okretanjem te je trenutno 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) Sustavi za transport plina:

Potrebno je precizno kontrolirati protok raznih plinova, uključujući:

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

● Nosni 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 jetkanje: npr. klorovodik (HCl) za čišćenje komore ili jetkanje in situ.

5) Automatizacija i upravljanje:

Oprema mora biti opremljena naprednim upravljačkim sustavom za praćenje i regulaciju parametara poput temperature, tlaka, protoka plina, osnovne brzine itd. u stvarnom vremenu kako bi se osigurala stabilnost i ponovljivost procesa.

Primjene u obradi poluvodiča:

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

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

● SiC MOSFET-ovi: Uređaji moraju precizno uzgajati višeslojne strukture poput N-driftova, P-tijela/bunara itd., a kvaliteta epitaksijalnog sloja ima izravan 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 rast N-drift sloja, koji određuje sposobnost blokiranja u obrnutom smjeru i pad napona diode u smjeru naprijed.

3) Potpora istraživačko-razvojnim aktivnostima: Oprema za epitaksiju također se koristi za razvoj novih epitaksijalnih procesa, istraživanje novih svojstava materijala i razvoj novih struktura uređaja.

Popis dijelova planetarnog reaktora Aixtron

Problemi i izazovi opreme i procesa SiC epitaksije u primjenama

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

Izazovi na razini opreme

● Ujednačenost i kontrola temperature: Na temperaturama >1500 °C izuzetno je teško postići točnu kontrolu temperature unutar nekoliko stupnjeva Celzija na velikom prostoru (s pločicama od 150 mm ili 200 mm). Mala odstupanja temperature mogu dovesti do neujednačene debljine epitaksijalnog sloja i koncentracije dopiranja.

● Dizajn i optimizacija protoka plina: Uzorak 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 plinovite faze (stvaranje čestica).

● Stabilnost i održavanje opreme: Visoke temperature i korozivni plinovi (npr. HCl) uzrokuju ozbiljno habanje unutarnjih dijelova komore (npr. grafit, kvarc). Materijali otporni na visoke temperature i koroziju s redovitim održavanjem i zamjenom 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 oštećenja površine epitaksijalnog sloja i kvara uređaja. Potrebni su izuzetno čisti izvori zraka, precizni filteri i optimizirani postupci čišćenja komore.

● Trošak 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 izravno utječe na cijenu SiC epitaksijalne pločicePlanetarni reaktori imaju veći kapacitet, ali su složeniji i skuplji.

● Prijelaz 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 nedostataka.

Izazovi na razini procesa (usko povezani s opremom)

● Kontrola defekata: Kako učinkovito suzbiti ili eliminirati dislokacije (TSD, TED) koje se protežu iz podloge, kao i površinske defekte (kratere, ogrebotine, stepenaste agregate) i unutarnje defekte (pogreške slaganja) nastale tijekom epitaksije, stalni je izazov. Optimizacija parametara opreme (temperatura, tlak, omjer C/Si, brzina rasta) je ključna.

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

● Kontrola dopiranja: Postizanje vrlo konzistentnih koncentracija dopiranja (posebno niskog dopiranja u rasponu od 1014-1015 cm-3) na 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 učinkovitost aktivacije i memorijski efekti dopiranja P-tipa (Al) također su izazovi. Memorijski efekti također su izazovi.