Mikä on piikarbidi- (SiC) epitaksi?

Tiivistelmä:

Seuraavan sukupolven tehopuolijohteiden ydinmateriaalina piikarbidi (SiC) edistää merkittäviä parannuksia energiatehokkuuteen ja järjestelmien suorituskykyyn. Piikarbidi-epitaksialla on ratkaiseva merkitys piikarbidi-epitaksian luomisessa laitteen suorituskyvyn perustana. Tässä artikkelissa tarkastellaan perusteellisesti piikarbidi-epitaksian määritelmää, epitaksian keskeisiä laitteita, sen erityisiä sovelluksia puolijohdeprosessoinnissa sekä sen kohtaamia ongelmia ja haasteita.

SiC-epitaksian määritelmä

Piikarbidiepitaksialla tarkoitetaan kiteenkasvatustekniikkaa, jossa kasvatetaan yksi tai useampi kerros yksittäisestä piikarbidikalvosta (eli epilayeristä) tiettyä kristallografista orientaatiota (yleensä sama kuin substraatilla) leikatulle ja kiillotetulle yksikiteiselle piikarbidi-substraatille (SiC Substrate), esimerkiksi kemiallisen höyrypinnoituksen (CVD) avulla. Epilayer on erittäin korkealaatuinen ohut kalvo, jonka seostuspitoisuus ja paksuus on tarkasti kontrolloitu. Prosessi, jossa yksi tai useampi kerros yksittäisestä piikarbidista (epilayer) kasvatetaan SiC-substraatille kemiallisen höyrypinnoituksen (CVD) tai muiden menetelmien avulla tiettyä kristallografista orientaatiota (yleensä sama kuin substraatilla) käyttäen, erittäin korkealaatuisesti ja tarkasti kontrolloidulla seostuspitoisuudella ja paksuudella.

Keskeiset tavoitteet ovat:

● Vähäisten virheiden funktionaalisen kerroksen aikaansaamiseksi: epilayerilla on pienempi kidevirheiden tiheys verrattuna alustamateriaaliin.

● Sähköisten ominaisuuksien tarkka hallinta: Mahdollisuus hallita tarkasti epilayer-kerroksen seostustyyppiä (N- tai P-tyyppi), seostuspitoisuutta (alueella 1014–1019 cm⁻³) ja paksuutta (muutamasta mikrometristä satoihin mikrometreihin).

● Laiterakenteen rakentaminen: Tarjoaa perusalustan laitteen aktiivisten alueiden (esim. ajokerros, kanava-alue, runko-alue jne.) valmistukselle myöhempää ioni-istutusta, fotolitografiaa, etsausta, metallointia ja muita prosesseja varten.

SiC-epitaksilaitteet ja sovellukset

Keskeiset laitteet esiintymiseen Piikarbidi Epitaksiprosessit ovat korkean lämpötilan kemiallisen höyrypinnoituksen (HTCVD) reaktoreita. Nämä ovat erittäin monimutkaisia ​​järjestelmiä, jotka on suunniteltu kiteen kasvun tarkkaan hallintaan äärimmäisissä olosuhteissa (korkeat lämpötilat, tietyt ilmakehät).

Laitteiden tyypit ja ominaisuudet:

Kolme erilaista piikarbidiepitaksiaalista kasvatusuunia ja ydintarvikkeiden eroa

1) Valtavirran teknologia: Kuumaseinäistä CVD-menetelmää käytetään nykyään laajalti teollisuudessa. Tämä rakenne tekee lämpötilan jakautumisesta reaktiokammiossa tasaisemman, mikä edistää epitaksiaalisen kerroksen paksuuden ja dopingin tasaisuuden paranemista.

2) Lämmitysmenetelmä: Induktiolämmitystä tai resistiivistä lämmitystä käytetään yleisesti piikarbidiepitaksiassa vaadittavien erittäin korkeiden lämpötilojen saavuttamiseksi (tyypillisesti > 1500 °C, jopa 1600–1700 °C).

3) Reaktiokammion kokoonpanot:

● Vaakareaktorit: Kaasu virtaa vaakasuunnassa grafiittialustalle (suskeptori) asetetun kiekon läpi. Suhteellisen yksinkertainen rakenne, mutta suurten kokojen tasaisuuden hallinta on haaste.

● Planetaariset/pystysuuntaiset pyörivät reaktorit: Kiekot asetetaan pyöriville jalustoille, yleensä useiden satelliittijalustojen pyöriessä samanaikaisesti keskipisteen ympäri. Tämä rakenne parantaa merkittävästi suurten kiekkojen lämpötilan ja ilmavirran tasaisuutta pyörimisen ja kiertoliikkeen avulla, ja se on tällä hetkellä hallitseva laitevalinta suurten volyymien tuotantoon, erityisesti 150 mm:n ja 200 mm:n kiekoille. Edustavat laitevalmistajat, kuten LPE, Aixtron jne., toimittavat tällaisia ​​laitteita.

LPE Halfmoon SiC EPI -reaktori

4) Kaasunsiirtojärjestelmät:

Tarve hallita tarkasti erilaisten kaasujen virtausta, mukaan lukien:

● Lähtöaineet: Piilähteet (esim. silaani SiH4), hiilenlähteet (esim. propaani C3H8 tai etyleeni C2H4) ja hiilenlähteet (esim. etyleeni C2H4). H4).

● Kantokaasu: yleensä erittäin puhdasta vetyä (H2), joskus sekoitettuna argoniin (Ar).

● Seostusaineet: Typpi (N2) N-tyypin seostukseen; trimetyylialumiini (TMA) tai etyyliboraani (B2H6) P-tyypin seostukseen.

● Syövytyskaasut: esim. vetykloridi (HCl) kammion puhdistukseen tai in-situ-syövytykseen.

5) Automaatio ja ohjaus:

Laitteet on varustettava edistyneellä ohjausjärjestelmällä, jolla voidaan valvoa ja säätää reaaliajassa parametreja, kuten lämpötilaa, painetta, kaasun virtausta, perusnopeutta jne. prosessin vakauden ja toistettavuuden varmistamiseksi.

Sovellukset puolijohdeprosessoinnissa:

1) SiC Epi-kiekkojen tuotanto: CVD-reaktorin välitön tuotos on piikarbidikiekot korkealaatuisilla epitaksiaalisilla kerroksilla. Tämä on lähtökohta kaikelle myöhemmälle piikarbidilaitteiden valmistukselle.

2) Teholaitteiden valmistus: Nämä epi-kiekot lähetetään sirujen valmistuslaitokseen (Fab) seuraavien laitteiden tuotantoa varten:

● SiC MOSFETit: Laitteiden on kyettävä kasvattamaan tarkasti monikerroksisia rakenteita, kuten N-ajoja, P-kappaleita/kuoppia jne., ja epitaksiaalikerroksen laadulla on suora vaikutus laitteen Rds(on):iin, kynnysjännitteeseen (Vth), läpilyöntijännitteeseen (Vth) ja RDS(on):iin, läpilyöntijännitteeseen (Vbr) ja luotettavuuteen.

● SiC-sisädioksidisuojatut diodit (SiC SBD): Laitetta käytetään pääasiassa N-ajokerroksen kasvattamiseen, joka määrittää diodin vastasuuntaisen estokyvyn ja myötäsuuntaisen jännitehäviön.

3) Tutkimus- ja kehitystoiminnan tukeminen: Epitaksilaitteita käytetään myös uusien epitaksiaaliprosessien kehittämiseen, uusien materiaalien ominaisuuksien tutkimiseen ja uusien laiterakenteiden kehittämiseen.

Luettelo Aixtron-planeettareaktorin osista

Piikarbidin epitaksialaitteiden ja -prosessien ongelmat ja haasteet sovelluksissa

Piikarbidiepitaksilaitteiden monimutkaisuus ja prosessin äärimmäiset olosuhteet asettavat sille useita vakavia haasteita käytännön sovelluksissa:

Haasteet laitetasolla

● Lämpötilan tasaisuus ja säätö: Yli 1500 °C:n lämpötiloissa on erittäin haastavaa saavuttaa tarkka lämpötilan säätö muutaman celsiusasteen tarkkuudella suurella alueella (150 mm:n tai 200 mm:n kiekoilla). Pienet lämpötilapoikkeamat voivat johtaa epätasaiseen epitaksiaalisen kerroksen paksuuteen ja seostuspitoisuuteen.

● Kaasuvirtauksen suunnittelu ja optimointi: Kaasuvirtauskuvio reaktiokammiossa on ratkaisevan tärkeä kasvunopeudelle ja tasaisuudelle. Laitteiden suunnittelu vaatii monimutkaisia ​​hydrodynaamisia simulaatioita ja kokeita suihkupään, kammion geometrian ja ilmavirtausparametrien optimoimiseksi pyörteiden, kuolleiden alueiden ja kaasufaasin ydintymisen (hiukkasten muodostumisen) välttämiseksi.

● Laitteiston vakaus ja huolto: Korkeat lämpötilat ja syövyttävät kaasut (esim. HCl) aiheuttavat voimakasta kulumista kammion sisäosiin (esim. grafiitti, kvartsi). Prosessi-ikkunan vakauden ja hiukkaskontaminaation minimoimiseksi tarvitaan korkeita lämpötiloja ja korroosiota kestäviä materiaaleja sekä säännöllistä huoltoa ja osien vaihtoa. Tämä lisää käyttökustannuksia ja seisokkiaikoja.

● Hiukkasten hallinta: Laitteen sisällä syntyvät pienet hiukkaset ovat yksi epitaksiaalikerroksen pintavirheiden ja laitevikojen pääsyistä. Tarvitaan erittäin puhtaita ilmalähteitä, tarkkuussuodattimia ja optimoituja kammion puhdistusmenetelmiä.

● Laitteiden kustannukset ja kapasiteetti: Piikarbidiepitaksilaitteet ovat luonnostaan ​​kalliita. Samaan aikaan kasvuvauhti on usein rajoitettua korkean laadun varmistamiseksi, erityisesti paksujen epitaksiaalikerrosten kohdalla, ja yksittäisen yksikön kapasiteetti (kiekkoja tunnissa (WPH)) on suhteellisen rajallinen, mikä vaikuttaa suoraan kustannuksiin. SiC epitaksiaaliset kiekotPlaneettareaktoreilla on suurempi kapasiteetti, mutta ne ovat monimutkaisempia ja kalliimpia.

● Siirtyminen 200 mm:n kiekkoihin: Olemassa olevien kypsien 150 mm:n prosessi- ja laitesuunnitelmien skaalaaminen 200 mm:n kiekkoihin asettaa merkittäviä haasteita, erityisesti yhdenmukaisuuden ja virheidenhallinnan ylläpitämisessä tai jopa parantamisessa.

Prosessitason haasteet (läheisesti laitteisiin liittyvät)

● Vikaenhallinta: Alustasta ulottuvien dislokaatioiden (TSD, TED) sekä epitaksian aikana syntyvien pintavikojen (kraatterit, naarmut, porraskerrostumat) ja sisäisten vikojen (pinoamisvirheet) tehokas tukahduttaminen tai poistaminen on jatkuva haaste. Laitteiston parametrien (lämpötila, paine, C/Si-suhde, kasvunopeus) optimointi on kriittistä.

● Paksukalvoepitaksi: Korkeajännitteiset laitteet vaativat kymmeniä tai jopa satoja mikroneja paksuja, vähän seostettuja epitaksiaalisia kerroksia. Alhaisen vikatiheyden, korkean tasaisuuden ja vakaan kasvunopeuden ylläpitäminen niin pitkien kasvuaikojen aikana on vaikeaa.

● Dopingin hallinta: Erittäin tasaisten dopingpitoisuuksien (erityisesti alhaisen dopingin välillä 1014–1015 cm⁻³) saavuttaminen suurissa kiekkokooissa ja eristä toiseen sekä jyrkästi dopattujen rajapintojen kanssa vaatii laitteita, joilla on erittäin korkea stabiilius ja tarkka kaasun virtauksen säätö. Myös P-tyypin dopingin (Al) alhainen aktivointitehokkuus ja muistiefektit ovat haasteita.