Wat is Silisiumkarbide (SiC) Epitaksy?

Abstrakt:

As it kearnmateriaal fan 'e folgjende generaasje krêfthalfgeleiders, silisiumkarbid (SiC) driuwt wichtige ferbetteringen oan yn enerzjy-effisjinsje en systeemprestaasjes. Yn 'e produksjeketen fan SiC-apparaten is silisiumkarbide-epitaxy in beslissende stap yn it lizzen fan 'e basis foar apparaatprestaasjes. Dit artikel sil de definysje fan SiC-epitaxy, wichtige apparatuer foar it epitaksyproses, de spesifike tapassingen dêrfan yn healgeleiderferwurking, en de problemen en útdagings dêr't it foar stiet, yngeand ûndersykje.

Definysje fan SiC-epitaksy

Silisiumkarbidepitaxy is in kristalgroeitechnyk dy't de groei omfettet fan ien of mear lagen fan in ienkristal silisiumkarbidfilm (d.w.s. epilaach) mei in spesifike kristallografyske oriïntaasje (meastal itselde as dy fan it substraat) op in ienkristal silisiumkarbidsubstraat (SiC-substraat) dat snien en gepolijst is, troch middel fan gemyske dampôfsetting (CVD), ensfh. De epilaach is in tinne film fan tige hege kwaliteit mei in presys kontroleare dopingkonsintraasje en dikte. It proses fan it groeien fan ien of mear lagen ienkristal silisiumkarbid (epilaach) op in SiC-substraat troch gemyske dampôfsetting (CVD) of oare metoaden, mei in spesifike kristaloriïntaasje (meastal itselde as it substraat), tige hege kwaliteit en presys kontroleare dopingkonsintraasje en dikte.

De kearndoelen binne:

● Om in funksjonele laach mei lege defekten te leverjen: de epilaach hat in legere tichtheid fan kristaldefekten yn ferliking mei it substraatmateriaal.

● Krekte kontrôle fan elektryske eigenskippen: De mooglikheid om it dopingtype (N- of P-type), dopingkonsintraasje (yn it berik fan 1014 oant 1019 cm-3), en dikte (fan in pear mikrometer oant hûnderten mikrometer) fan 'e epilaach presys te kontrolearjen.

● Bou fan apparaatstruktuer: Biede it basisplatfoarm foar it meitsjen fan 'e aktive regio's (bygelyks driftlaach, kanaalregio, lichemsregio, ensfh.) fan it apparaat foar de neifolgjende ionymplantaasje, fotolitografy, etsen, metallisaasje en oare prosessen.

SiC Epitaksy-apparatuer en de tapassingen

De kearnapparatuer foar it útfieren SiC Epitaksyprosessen binne hege-temperatuer gemyske dampôfsettingsreaktors (HTCVD). Dit binne tige komplekse systemen ûntworpen foar krekte kontrôle fan kristalgroei ûnder ekstreme omstannichheden (hege temperatueren, spesifike atmosfearen).

Apparatuertypen en funksjes:

Trije soarten ferskillen yn silisiumkarbide epitaksiale groeioven en kearnaccessoires

1) Mainstream Technology: Hot-wall CVD wurdt hjoed de dei in soad brûkt yn 'e yndustry. Dit ûntwerp makket de temperatuerferdieling yn 'e reaksjekeamer unifoarmer, wat bydraacht oan it ferbetterjen fan 'e dikte fan' e epitaksiale laach en dopinguniformiteit.

2) Ferwaarmingsmetoade: Ynduksjeferwaarming of resistive ferwaarming wurdt faak brûkt om de ultrahege temperatueren te berikken dy't nedich binne foar SiC-epitaxy (typysk >1500 °C, sels oant 1600-1700 °C).

3) Konfiguraasjes fan 'e reaksjekeamer:

● Horizontale reaktors: Gas streamt horizontaal troch in wafer dy't op in grafytbasis pleatst is (Susceptor). Relatyf ienfâldige struktuer, mar kontrôle fan grutte uniformiteit is in útdaging.

● Planetêre/fertikale rotearjende reaktors: Wafers wurde pleatst op rotearjende sokkels, meastentiids mei meardere satellytsokkels dy't tagelyk om in sintrum draaie. Dit ûntwerp ferbetteret de temperatuer- en luchtstreamuniformiteit fan grutte wafers signifikant troch rotaasje en revolúsje en is op it stuit de dominante apparatuerkeuze foar produksje mei hege folume, foaral foar wafers fan 150 mm en 200 mm. Represintative apparatuerfabrikanten lykas LPE, Aixtron, ensfh. leverje sokke apparatuer.

LPE Halfmoon SiC EPI-reaktor

4) Gastransportsystemen:

Moatte de stream fan in ferskaat oan gassen presys kontrolearje, ynklusyf:

● Foargongers: Silisiumboarnen (bygelyks silaan SiH4), koalstofboarnen (bygelyks propaan C3H8 of etyleen C2H4), en koalstofboarnen (bygelyks etyleen C2H4). H4).

● Dragergas: meastentiids wetterstof fan hege suverens (H2), soms mingd mei argon (Ar).

● Dopingmiddels: Stikstof (N2) foar N-type doping; trimetylaluminium (TMA) of etylboraan (B2H6) foar P-type doping.

● Etsgassen: bygelyks wetterstofchloride (HCl) foar it skjinmeitsjen fan 'e keamer of yn-situ etsen.

5) Automatisearring en kontrôle:

De apparatuer moat foarsjoen wêze fan in avansearre kontrôlesysteem om parameters lykas temperatuer, druk, gasstream, basissnelheid, ensfh. yn realtime te kontrolearjen en te regeljen om prosesstabiliteit en werhelberens te garandearjen.

Tapassingen yn healgeleiderferwurking:

1) Produksje fan SiC Epi-wafers: De direkte útfier fan in CVD-reaktor is SiC-wafers mei epitaksiale lagen fan hege kwaliteit. Dit is it útgongspunt foar alle folgjende SiC-apparaatproduksje.

2) Fabrikaasje fan stroomfoarsjennings: Dizze epi-wafers wurde nei in chipfabrikaazjefasiliteit (Fab) stjoerd foar de produksje fan:

● SiC MOSFET's: De apparaten moatte mearlaachstrukturen lykas N-drifts, P-lichems/putten, ensfh. sekuer groeie litte, en de kwaliteit fan 'e epitaksiale laach hat in direkte ynfloed op 'e Rds(on), drompelspanning (Vth), trochbraakspanning (Vth), en de RDS(on) fan it apparaat. ), trochbraakspanning (Vbr) en betrouberens.

● SiC SBD's: De apparatuer wurdt benammen brûkt om de N-driftlaach te groeien, dy't de efterútblokkearjende mooglikheid en de foarútspanningsfal fan 'e diode bepaalt.

3) Stipe fan R&D-aktiviteiten: Epitaksy-apparatuer wurdt ek brûkt om nije epitaksiale prosessen te ûntwikkeljen, nije materiaaleigenskippen te ferkennen en nije apparaatstrukturen te ûntwikkeljen.

List mei ûnderdielen foar de Aixtron Planetary Reactor

Problemen en útdagings fan SiC-epitaksyapparatuer en prosessen yn tapassingen

De hege kompleksiteit fan SiC-epitaksy-apparatuer en de ekstreme omstannichheden fan it proses meitsje it foar in oantal serieuze útdagings yn praktyske tapassingen:

Útdagings op it nivo fan apparatuer

● Temperatueruniformiteit en kontrôle: By temperatueren >1500 °C is it ekstreem útdaagjend om krekte temperatuerkontrôle te berikken binnen in pear graden Celsius oer in grutte foetôfdruk (mei wafers fan 150 mm of 200 mm). Lytse ôfwikingen yn temperatuer kinne liede ta ûngelikense epitaksiale laachdikte en dopingkonsintraasje.

● Untwerp en optimalisaasje fan gasstream: It gasstreampatroan yn 'e reaksjekeamer is kritysk foar groeisnelheid en uniformiteit. It ûntwerp fan apparatuer fereasket komplekse hydrodynamyske simulaasjes en eksperiminten om de dûskop, keamergeometrie en luchtstreamparameters te optimalisearjen om vortices, deade sônes en gasfaze-kearnfoarming (dieltsjegeneraasje) te foarkommen.

● Stabiliteit en ûnderhâld fan apparatuer: Hege temperatueren en korrosive gassen (bygelyks HCl) feroarsaakje slimme slijtage oan 'e ynterne ûnderdielen fan 'e keamer (bygelyks grafyt, kwarts). Hege-temperatuer- en korrosjebestendige materialen mei regelmjittich ûnderhâld en ferfanging fan ûnderdielen binne fereaske om de stabiliteit fan it prosesfinster en lege dieltsjefersmoarging te garandearjen. Dit fergruttet de eksploitaasjekosten en downtime.

● Dieltsjekontrôle: Lytse dieltsjes dy't yn it apparaat generearre wurde, binne ien fan 'e wichtichste oarsaken fan oerflakdefekten yn 'e epitaksiale laach en apparaatfalen. Ekstreem skjinne loftboarnen, presyzjefilters en optimalisearre keamerreinigingsprosedueres binne fereaske.

● Kosten en kapasiteit fan apparatuer: SiC-epitaksy-apparatuer is ynherint djoer. Tagelyk binne groeisnelheden faak beheind om hege kwaliteit te garandearjen, foaral foar dikke epitaksiale lagen, en de kapasiteit (Wafers Per Hour (WPH)) fan in inkele ienheid is relatyf beheind, wat direkt ynfloed hat op de kosten fan SiC epitaksiale wafersPlanetêre reaktors hawwe in hegere kapasiteit, mar binne komplekser en djoerder.

● Oergong nei wafers fan 200 mm: It skalearjen fan besteande folwoeksen 150 mm proses- en apparatuerûntwerpen nei wafers fan 200 mm bringt wichtige útdagings mei, benammen by it behâlden of sels ferbetterjen fan uniformiteit en defektkontrôle.

Útdagings op prosesnivo (nau besibbe oan apparatuer)

● Defektkontrôle: Hoe kinne jo ûntwrichtingen (TSD, TED) dy't fan it substraat útstekke effektyf ûnderdrukke of eliminearje, lykas oerflakdefekten (kraters, krassen, stapaggregaten) en ynterne defekten (stapelfouten) dy't ûntstien binne tidens epitaksy, is in konstante útdaging. Optimalisaasje fan apparatuerparameters (temperatuer, druk, C/Si-ferhâlding, groeisnelheid) is kritysk.

● Dikke-film-epitaksy: Hege-spanningsapparaten fereaskje leech-dopearre epitaksiale lagen fan tsientallen of sels hûnderten mikron dik. It behâlden fan in lege defekttichtens, hege uniformiteit en stabile groeisnelheden oer sokke lange groeitiden is lestich.

● Dopingkontrôle: It berikken fan tige konsekwinte dopingkonsintraasjes (benammen lege doping yn it berik fan 1014-1015cm-3) oer grutte wafergruttes en fan batch nei batch, lykas steil dopearre ynterfaces, fereasket apparatuer mei tige hege stabiliteit en krekte gasstreamkontrôle. Lege aktivearringseffisjinsjes en ûnthâldeffekten fan P-type doping (Al) binne ek útdagings. ûnthâldeffekten binne ek útdagings.