Vad är kiselkarbid (SiC) epitaxi?

Sammanfattning:

Som kärnmaterialet i nästa generations krafthalvledare, kiselkarbid (SiC) driver betydande förbättringar av energieffektivitet och systemprestanda. I tillverkningskedjan för SiC-komponenter är kiselkarbidepitaxi ett avgörande steg för att lägga grunden för komponenternas prestanda. Den här artikeln kommer att utforska definitionen av SiC-epitaxi, nyckelutrustning för epitaxiprocessen, dess specifika tillämpningar inom halvledarbearbetning och de problem och utmaningar den står inför.

Definition av SiC-epitaxi

Kiselkarbidepitaxi är en kristalltillväxtteknik som innebär att ett eller flera lager av en enkristallkiselkarbidfilm (dvs. epilager) odlas på ett enkristallkiselkarbidsubstrat (SiC-substrat) som har skurits och polerats med hjälp av kemisk ångdeponering (CVD) etc. Epilageret är en tunn film av mycket hög kvalitet med en exakt kontrollerad dopningskoncentration och tjocklek. Processen att odla ett eller flera lager av enkristallkiselkarbid (epilager) på ett SiC-substrat genom kemisk ångdeponering (CVD) eller andra metoder, med en specifik kristallorientering (vanligtvis samma som substratet), mycket hög kvalitet och exakt kontrollerad dopningskoncentration och tjocklek.

Kärnmålen är:

● För att tillhandahålla ett funktionellt lager med få defekter: epilagret har en lägre densitet av kristalldefekter jämfört med substratmaterialet.

● Exakt kontroll av elektriska egenskaper: Möjligheten att exakt kontrollera dopningstypen (N- eller P-typ), dopningskoncentrationen (i intervallet 1014¹⁴ till 1019¹⁴ cm⁻³) och tjockleken (från några få mikrometer till hundratals mikrometer) hos epilagret.

● Bygga enhetsstruktur: Tillhandahålla den grundläggande plattformen för att tillverka enhetens aktiva regioner (t.ex. driftlager, kanalregion, kroppsregion etc.) för efterföljande jonimplantation, fotolitografi, etsning, metallisering och andra processer.

SiC-epitaxiutrustning och tillämpningar

Kärnutrustningen för att utföra Sic Epitaxiprocesser är högtemperaturkemisk ångdeponeringsreaktorer (HTCVD). Dessa är mycket komplexa system utformade för exakt kontroll av kristalltillväxt under extrema förhållanden (höga temperaturer, specifika atmosfärer).

Utrustningstyper och funktioner:

Tre typer av skillnader i epitaxial tillväxtugn och kärntillbehör för kiselkarbid

1) Vanlig teknik: Varmväggs-CVD används flitigt inom industrin idag. Denna design gör temperaturfördelningen i reaktionskammaren mer enhetlig, vilket bidrar till att förbättra tjockleken på det epitaxiella lagret och dopningens enhetlighet.

2) Uppvärmningsmetod: Induktionsuppvärmning eller resistiv uppvärmning används vanligtvis för att uppnå de ultrahöga temperaturer som krävs för SiC-epitaxis (vanligtvis >1500 °C, till och med upp till 1600-1700 °C).

3) Konfigurationer av reaktionskammare:

● Horisontella reaktorer: Gas strömmar horisontellt genom en wafer placerad på en grafitbas (susceptor). Relativt enkel struktur, men kontroll av stor enhetlighet är en utmaning.

● Planetära/vertikala roterande reaktorer: Wafers placeras på roterande piedestaler, vanligtvis med flera satellitpiedestaler som roterar samtidigt runt ett centrum. Denna design förbättrar avsevärt temperatur- och luftflödesjämnheten hos stora wafers genom rotation och varv och är för närvarande det dominerande utrustningsvalet för högvolymproduktion, särskilt för 150 mm och 200 mm wafers. Representativa utrustningstillverkare som LPE, Aixtron, etc. tillhandahåller sådan utrustning.

LPE Halfmoon SiC EPI-reaktor

4) Gastransportsystem:

Behöver noggrant kontrollera flödet av en mängd olika gaser, inklusive:

● Prekursorer: Kiselkällor (t.ex. silan SiH4), kolkällor (t.ex. propan C3H8 eller etylen C2H4) och kolkällor (t.ex. etylen C2H4).

● Bärgas: vanligtvis väte med hög renhet (H2), ibland blandad med argon (Ar).

● Dopningsmedel: Kväve (N2) för N-typdopning; trimetylaluminium (TMA) eller etylboran (B2H6) för P-typdopning.

● Etsningsgaser: t.ex. väteklorid (HCl) för kammarrengöring eller in-situ-etsning.

5) Automation och kontroll:

Utrustningen behöver vara utrustad med ett avancerat styrsystem för att övervaka och reglera parametrar som temperatur, tryck, gasflöde, bashastighet etc. i realtid för att säkerställa processstabilitet och repeterbarhet.

Tillämpningar inom halvledarbehandling:

1) Produktion av SiC Epi-wafers: Den omedelbara produktionen från en CVD-reaktor är SiC-skivor med högkvalitativa epitaxiella lager. Detta är utgångspunkten för all efterföljande tillverkning av SiC-komponenter.

2) Tillverkning av kraftkomponenter: Dessa epiwafers skickas till en chiptillverkningsanläggning (Fab) för produktion av:

● SiC MOSFET: Komponenterna behöver noggrant kunna odla flerskiktade strukturer såsom N-driftar, P-kroppar/brunnar etc., och kvaliteten på det epitaxiella lagret har en direkt inverkan på komponentens Rds(on), tröskelspänning (Vth), genombrottsspänning (Vth) och RDS(on). Genombrottsspänning (Vbr) och tillförlitlighet.

● SiC SBD:er: Utrustningen används huvudsakligen för att odla N-driftlagret, vilket bestämmer diodens bakåtblockeringsförmåga och framåtspänningsfall.

3) Stöd till FoU-verksamhet: Epitaxiutrustning används också för att utveckla nya epitaxiella processer, utforska nya materialegenskaper och utveckla nya komponentstrukturer.

Lista över delar till Aixtron planetreaktorer

Problem och utmaningar med SiC-epitaxutrustning och processer i applikationer

Den höga komplexiteten hos SiC-epitaxiutrustning och processens extrema förhållanden gör att den står inför ett antal allvarliga utmaningar i praktiska tillämpningar:

Utmaningar på utrustningsnivå

● Temperaturjämnhet och -kontroll: Vid temperaturer >1500 °C är det extremt utmanande att uppnå noggrann temperaturkontroll inom några få grader Celsius över ett stort område (med wafers på 150 mm eller 200 mm). Små temperaturavvikelser kan leda till ojämn epitaxiell lagertjocklek och dopningskoncentration.

● Design och optimering av gasflöde: Gasflödesmönstret i reaktionskammaren är avgörande för tillväxthastighet och enhetlighet. Utrustningsdesign kräver komplexa hydrodynamiska simuleringar och experiment för att optimera duschmunstycket, kammargeometrin och luftflödesparametrarna för att undvika virvlar, döda zoner och gasfaskärnbildning (partikelgenerering).

● Utrustningsstabilitet och underhåll: Höga temperaturer och korrosiva gaser (t.ex. HCl) orsakar kraftigt slitage på kammarens inre delar (t.ex. grafit, kvarts). Högtemperatur- och korrosionsbeständiga material med regelbundet underhåll och utbyte av delar krävs för att säkerställa processfönstrets stabilitet och låg partikelkontaminering. Detta ökar driftskostnader och stilleståndstid.

● Partikelkontroll: Små partiklar som genereras inuti enheten är en av de främsta orsakerna till defekter i det epitaxiella lagret och enhetsfel. Extremt rena luftkällor, precisionsfilter och optimerade rengöringsprocedurer för kammaren krävs.

● Utrustningskostnad och kapacitet: SiC-epitaxutrustning är i sig dyr. Samtidigt är tillväxttakten ofta begränsad för att säkerställa hög kvalitet, särskilt för tjocka epitaxiella lager, och kapaciteten (Wafers Per Hour (WPH)) för en enskild enhet är relativt begränsad, vilket direkt påverkar kostnaden för SiC epitaxiella wafersPlanetreaktorer har högre kapacitet, men är mer komplexa och dyra.

● Övergång till 200 mm wafers: Att skala upp befintliga mogna 150 mm process- och utrustningsdesigner till 200 mm wafers innebär betydande utmaningar, särskilt när det gäller att bibehålla eller till och med förbättra enhetlighet och defektkontroll.

Utmaningar på processnivå (nära relaterade till utrustning)

● Defektkontroll: Hur man effektivt undertrycker eller eliminerar dislokationer (TSD, TED) som sträcker sig från substratet, såväl som ytdefekter (kratrar, repor, stegaggregat) och interna defekter (staplingsfel) som genereras under epitaxi är en ständig utmaning. Optimering av utrustningsparametrar (temperatur, tryck, C/Si-förhållande, tillväxthastighet) är avgörande.

● Tjockfilmsepitaxi: Högspänningskomponenter kräver lågdopade epitaxilager som är tiotals eller till och med hundratals mikrometer tjocka. Att upprätthålla låg defektdensitet, hög enhetlighet och stabila tillväxthastigheter under så långa tillväxttider är svårt.

● Dopningskontroll: Att uppnå mycket konsekventa dopningskoncentrationer (särskilt låg dopning i intervallet 1014¹⁴–1015¹⁵ cm⁻³) över stora waferstorlekar och från batch till batch, såväl som brant dopade gränssnitt, kräver utrustning med mycket hög stabilitet och exakt gasflödeskontroll. Låg aktiveringseffektivitet och minneseffekter av P-typ-dopning (Al) är också utmaningar. Minneseffekter är också utmaningar.