Ano ang Silicon Carbide (SiC) Epitaxy?

Abstract:

Bilang pangunahing materyal ng susunod na henerasyong mga semiconductor ng kapangyarihan, silikon karbida (SiC) ay nagtutulak ng mga makabuluhang pagpapabuti sa kahusayan ng enerhiya at pagganap ng system. Sa chain ng pagmamanupaktura ng SiC device, ang silicon carbide epitaxy ay isang mapagpasyang hakbang sa paglalagay ng pundasyon para sa pagganap ng device. Ang artikulong ito ay tuklasin nang malalim ang kahulugan ng SiC epitaxy, pangunahing kagamitan para sa proseso ng epitaxy, ang mga partikular na aplikasyon nito sa pagproseso ng semiconductor, at ang mga problema at hamon na kinakaharap nito.

Kahulugan ng SiC Epitaxy

Ang silicone carbide epitaxy ay isang crystal growth technique na kinasasangkutan ng paglaki ng isa o higit pang mga layer ng isang kristal na silicon carbide film (ibig sabihin, epilayer) na may partikular na crystallographic na oryentasyon (karaniwan ay katulad ng sa substrate) sa isang single-crystal na silicon carbide substrate (SiC Substrate) na pinutol at pinakintab, sa pamamagitan ng epilaV Vapor Deposition, atbp. isang tiyak na kinokontrol na konsentrasyon at kapal ng doping. Ang proseso ng pagpapalaki ng isa o higit pang mga layer ng single-crystal silicon carbide (epilayer) sa isang SiC substrate sa pamamagitan ng chemical vapor deposition (CVD) o iba pang mga pamamaraan, na may partikular na kristal na oryentasyon (karaniwan ay pareho sa substrate), napakataas na kalidad at tumpak na kinokontrol na konsentrasyon at kapal ng doping.

Ang mga pangunahing layunin ay:

● Upang magbigay ng functional na layer na may mababang mga depekto: ang epilayer ay may mas mababang density ng mga depektong kristal kumpara sa materyal na substrate.

● Tumpak na kontrol ng mga electrical properties: Ang kakayahang tumpak na kontrolin ang doping type (N- o P-type), doping concentration (sa hanay na 1014 hanggang 1019 cm-3), at kapal (mula sa ilang micrometers hanggang daan-daang micrometer) ng epilayer.

● Building Device Structure: Ibigay ang pangunahing platform para sa paggawa ng mga aktibong rehiyon (hal., drift layer, channel region, body region, atbp.) ng device para sa kasunod na ion implantation, photolithography, etching, metallization, at iba pang proseso.

SiC Epitaxy Equipment at ang mga Application

Ang pangunahing kagamitan para sa pagganap SiC Ang mga proseso ng epitaxy ay mga high temperature chemical vapor deposition (HTCVD) reactors. Ang mga ito ay lubos na kumplikadong mga sistema na idinisenyo para sa tumpak na kontrol ng paglaki ng kristal sa ilalim ng matinding mga kondisyon (mataas na temperatura, partikular na mga atmospheres).

Mga Uri at Tampok ng Kagamitan:

Tatlong uri ng silicon carbide epitaxial growth furnace at pagkakaiba sa mga pangunahing accessories

1) Mainstream Technology: Ang Hot-wall CVD ay malawakang ginagamit sa industriya ngayon. Ginagawa ng disenyo na ito ang pamamahagi ng temperatura sa silid ng reaksyon na mas pare-pareho, na nakakatulong sa pagpapabuti ng kapal ng epitaxial layer at pagkakapareho ng doping.

2)Paraan ng pag-init: Ang induction heating o resistive heating ay karaniwang ginagamit para makamit ang napakataas na temperatura na kinakailangan para sa SiC epitaxy (karaniwang >1500°C, kahit hanggang 1600-1700°C).

3) Mga pagsasaayos ng silid ng reaksyon:

● Mga Horizontal Reactor: Ang gas ay dumadaloy nang pahalang sa pamamagitan ng isang wafer na nakalagay sa isang graphite base (Susceptor). Medyo simpleng istraktura, ngunit ang malaking sukat na kontrol sa pagkakapareho ay isang hamon.

● Planetary/Vertical Rotating Reactors: Ang mga wafer ay inilalagay sa mga umiikot na pedestal, kadalasang may maraming satellite pedestal na sabay-sabay na umiikot sa paligid ng isang sentro. Ang disenyong ito ay makabuluhang nagpapabuti sa pagkakapareho ng temperatura at airflow ng malalaking wafer sa pamamagitan ng pag-ikot at rebolusyon at sa kasalukuyan ang nangingibabaw na pagpipilian ng kagamitan para sa produksyon ng mataas na volume, lalo na para sa 150mm at 200mm na mga wafer. Ang mga tagagawa ng kinatawan ng kagamitan tulad ng LPE, Aixtron, atbp. ay nagbibigay ng naturang kagamitan.

LPE Halfmoon SiC EPI Reactor

4) Sistema ng Transportasyon ng Gas:

Kailangang tumpak na kontrolin ang daloy ng iba't ibang mga gas, kabilang ang:

● Mga Precursor: Silicon source (hal., silane SiH4), carbon source (hal, propane C3H8 o ethylene C2H4), at carbon source (hal, ethylene C2H4). H4).

● Carrier Gas: kadalasang mataas ang purity hydrogen (H2), minsan may halong argon (Ar).

● Dopants: Nitrogen (N2) para sa N-type na doping; trimethylaluminum (TMA) o ethylborane (B2H6) para sa P-type na doping.

● Etching gases: hal. hydrogen chloride (HCl) para sa paglilinis ng chamber o in-situ etching.

5) Automation at Kontrol:

Ang kagamitan ay kailangang nilagyan ng isang advanced na sistema ng kontrol upang masubaybayan at makontrol ang mga parameter tulad ng temperatura, presyon, daloy ng gas, bilis ng base, atbp. sa real time upang matiyak ang katatagan ng proseso at pag-uulit.

Mga Application sa Semiconductor Processing:

1) Produksyon ng SiC Epi-wafers: Ang agarang output ng isang CVD reactor ay SiC wafers na may mataas na kalidad na mga layer ng epitaxial. Ito ang panimulang punto para sa lahat ng kasunod na paggawa ng SiC device.

2) Paggawa ng Mga Power Device: Ang mga epi-wafer na ito ay ipinapadala sa isang chip fabrication facility (Fab) para sa produksyon ng:

● Mga SiC MOSFET: Kailangang tumpak na palaguin ng mga device ang mga multilayered na istruktura gaya ng N- drifts, P-bodies/wells, atbp., at ang kalidad ng epitaxial layer ay may direktang epekto sa Rds(on), Threshold Voltage (Vth), Breakdown Voltage (Vth), at RDS(on) ng device. ), breakdown voltage (Vbr) at pagiging maaasahan.

● Mga SiC SBD: Ang kagamitan ay pangunahing ginagamit upang palaguin ang N- drift layer, na tumutukoy sa reverse blocking capability at forward voltage drop ng diode.

3) Pagsuporta sa mga aktibidad sa R&D: Ginagamit din ang epitaxy equipment upang bumuo ng mga bagong proseso ng epitaxial, galugarin ang mga bagong materyal na katangian at bumuo ng mga istruktura ng nobela na aparato.

Listahan ng mga bahagi ng Aixtron Planetary Reactor

Mga Problema at Hamon ng SiC Epitaxy Equipment at Proseso sa Mga Aplikasyon

Ang mataas na pagiging kumplikado ng SiC epitaxy equipment at ang matinding kundisyon ng proseso ay humaharap sa maraming seryosong hamon sa mga praktikal na aplikasyon:

Mga hamon sa antas ng kagamitan

● Pagkakapareho at kontrol ng temperatura: Sa mga temperatura >1500°C, napakahirap na makamit ang tumpak na kontrol sa temperatura sa loob ng ilang degrees Celsius sa isang malaking footprint (may dalang 150mm o 200mm na mga wafer). Ang mga maliliit na paglihis sa temperatura ay maaaring humantong sa hindi pantay na kapal ng epitaxial layer at konsentrasyon ng doping.

● Disenyo at pag-optimize ng daloy ng gas: Ang pattern ng daloy ng gas sa reaction chamber ay kritikal sa rate ng paglago at pagkakapareho. Ang disenyo ng kagamitan ay nangangailangan ng mga kumplikadong hydrodynamic simulation at mga eksperimento upang ma-optimize ang showerhead, chamber geometry, at airflow parameter upang maiwasan ang mga vortices, dead zone, at gas-phase nucleation (pagbuo ng particle).

● Katatagan at Pagpapanatili ng Kagamitan: Ang mataas na temperatura at mga nakakaagnas na gas (hal., HCl) ay nagdudulot ng matinding pagkasira sa loob ng silid (hal., graphite, quartz). Ang mga materyales na may mataas na temperatura at lumalaban sa kaagnasan na may regular na pagpapanatili at pagpapalit ng bahagi ay kinakailangan upang matiyak ang katatagan ng window ng proseso at mababang kontaminasyon ng particle. Pinatataas nito ang mga gastos sa pagpapatakbo at downtime.

● Pagkontrol ng Particle: Ang maliliit na particle na nabuo sa loob ng device ay isa sa mga pangunahing sanhi ng mga depekto sa ibabaw ng epitaxial layer at pagkabigo ng device. Napakalinis ng mga pinagmumulan ng hangin, mga precision na filter, at mga na-optimize na pamamaraan sa paglilinis ng silid ay kinakailangan.

● Gastos at kapasidad ng kagamitan: Ang kagamitan ng SiC epitaxy ay likas na mahal. Kasabay nito, ang mga rate ng paglago ay madalas na limitado upang matiyak ang mataas na kalidad, lalo na para sa makapal na epitaxial layer, at ang kapasidad (Wafers Per Hour (WPH)) ng isang yunit ay medyo limitado, na direktang nakakaapekto sa gastos ng SiC epitaxial wafers. Ang mga planetary reactor ay may mas mataas na kapasidad, ngunit mas kumplikado at magastos.

● Transition to 200mm wafers: Ang pag-scale ng mga umiiral nang mature na 150mm na proseso at mga disenyo ng kagamitan sa 200mm na mga wafer ay nagbibigay ng mga makabuluhang hamon, lalo na sa pagpapanatili o pagpapabuti ng pagkakapareho at kontrol ng depekto.

Mga Hamon sa Antas ng Proseso (malapit na nauugnay sa kagamitan)

● Defect control: Paano mabisang sugpuin o alisin ang mga dislokasyon (TSD, TED) na umaabot mula sa substrate, gayundin ang mga depekto sa ibabaw (craters, gasgas, step aggregates) at panloob na mga depekto (stacking error) na nabuo sa panahon ng epitaxy. Ang pag-optimize ng mga parameter ng kagamitan (temperatura, presyon, C/Si ratio, rate ng paglago) ay kritikal.

● Thick film epitaxy: Ang mga high voltage device ay nangangailangan ng mababang doped epitaxial layer na sampu o kahit daan-daang micron ang kapal. Ang pagpapanatili ng mababang density ng depekto, mataas na pagkakapareho, at matatag na mga rate ng paglago sa mahabang panahon ng paglago ay mahirap.

● Doping control: Ang pagkamit ng lubos na pare-pareho ang doping concentrations (lalo na ang mababang doping sa 1014-1015cm-3 range) sa malalaking sukat ng wafer at mula batch hanggang batch, pati na rin ang mga steeply doped interface, ay nangangailangan ng kagamitan na may napakataas na stability at tumpak na kontrol ng daloy ng gas. Ang mababang activation efficiencies at memory effect ng P-type doping (Al) ay mga hamon din. Ang mga epekto ng memorya ay mga hamon din.