Zer da Silizio Karburoaren (SiC) Epitaxia?

Laburpena:

Hurrengo belaunaldiko potentzia-erdieroaleen oinarrizko material gisa, silizio karburoa (SiC) Energia-eraginkortasunean eta sistemaren errendimenduan hobekuntza nabarmenak bultzatzen ari da. SiC gailuen fabrikazio-katean, silizio karburozko epitaxia urrats erabakigarria da gailuen errendimenduaren oinarriak ezartzeko. Artikulu honek sakon aztertuko ditu SiC epitaxiaren definizioa, epitaxia-prozesurako ekipamendu gakoa, erdieroaleen prozesamenduan dituen aplikazio espezifikoak eta dituen arazo eta erronkak.

SiC epitaxiaren definizioa

Silizio karburoaren epitaxia kristalen hazkuntza teknika bat da, non silizio karburo monokristal baten geruza bat edo gehiago (hau da, epigeruza) haztea dakarren, orientazio kristalografiko espezifiko batekin (normalean substratuaren berdina) eta moztu eta leundutako silizio karburo monokristal baten substratu batean (SiC substratua), lurrun-deposizio kimikoaren (CVD) bidez. Epigeruza kalitate oso handiko film mehe bat da, dopaje kontzentrazio eta lodiera zehatz-mehatz kontrolatua duena. Silizio karburo monokristalaren (epigeruza) geruza bat edo gehiago SiC substratu batean lurrun-deposizio kimikoaren (CVD) edo beste metodo batzuen bidez hazteko prozesua, orientazio kristalinar espezifiko batekin (normalean substratuaren berdina), kalitate oso handikoarekin eta dopaje kontzentrazio eta lodiera zehatz-mehatz kontrolatuarekin.

Oinarrizko helburuak hauek dira:

● Akats gutxiko geruza funtzional bat emateko: epigeruzak kristal-akatsen dentsitate txikiagoa du substratu-materialarekin alderatuta.

● Propietate elektrikoen kontrol zehatza: Geruza epitaxialaren dopaje mota (N edo P mota), dopaje kontzentrazioa (1014 eta 1019 cm-3 arteko tartean) eta lodiera (mikrometro gutxi batzuetatik ehunka mikrometroetaraino) zehaztasunez kontrolatzeko gaitasuna.

● Gailuaren egitura eraikitzea: Gailuaren eskualde aktiboak (adibidez, drift geruza, kanal eskualdea, gorputz eskualdea, etab.) fabrikatzeko oinarrizko plataforma eskaintzea, ondorengo ioien inplantaziorako, fotolitografiarako, grabatzeko, metalizaziorako eta beste prozesu batzuetarako.

SiC Epitaxia Ekipamendua eta Aplikazioak

Emanaldietarako oinarrizko ekipamendua SiC Epitaxia prozesuak tenperatura altuko lurrun-deposizio kimikoko (HTCVD) erreaktoreak dira. Muturreko baldintzetan (tenperatura altuak, atmosfera espezifikoak) kristalen hazkundea zehatz-mehatz kontrolatzeko diseinatutako sistema oso konplexuak dira.

Ekipamendu motak eta ezaugarriak:

Hiru silizio karburozko epitaxial hazkuntza labe mota eta nukleo osagarrien arteko desberdintasunak

1) Teknologia nagusia: Horma beroko CVD asko erabiltzen da gaur egun industrian. Diseinu honek erreakzio-ganberan tenperaturaren banaketa uniformeagoa egiten du, eta horrek epitaxial geruzaren lodiera eta dopaketaren uniformetasuna hobetzen laguntzen du.

2) Berokuntza metodoa: Indukzio bidezko berokuntza edo erresistentzia bidezko berokuntza erabili ohi da SiC epitaxiarako beharrezkoak diren tenperatura ultra-altuak lortzeko (normalean >1500 °C, baita 1600-1700 °C-raino ere).

3) Erreakzio-ganberaren konfigurazioak:

● Erreaktore Horizontalak: Gasa horizontalki isurtzen da grafitozko oinarri baten gainean jarritako oblea batetik (Susceptor). Egitura nahiko sinplea da, baina tamaina handiko uniformetasunaren kontrola erronka bat da.

● Erreaktore planetario/bertikal birakariak: Obleak oinarri birakarietan jartzen dira, normalean zentro baten inguruan aldi berean biratzen diren hainbat oinarri satelite dituztela. Diseinu honek nabarmen hobetzen du oblea handien tenperatura eta aire-fluxuaren uniformetasuna biraketa eta biraketa bidez, eta gaur egun aukera nagusia da bolumen handiko ekoizpenerako, batez ere 150 mm-ko eta 200 mm-ko obleetarako. LPE, Aixtron eta abar bezalako ekipamendu-fabrikatzaile adierazgarriek eskaintzen dituzte ekipamendu horiek.

LPE Halfmoon SiC EPI erreaktorea

4) Gas garraio sistemak:

Hainbat gasen fluxua zehatz-mehatz kontrolatu behar da, besteak beste:

● Aitzindariak: Silizio iturriak (adibidez, silano SiH4), karbono iturriak (adibidez, propano C3H8 edo etileno C2H4) eta karbono iturriak (adibidez, etileno C2H4). H4).

● Garraiatzaile-gasa: normalean hidrogeno purua (H2), batzuetan argonarekin (Ar) nahastuta.

● Dopanteak: Nitrogenoa (N2) N motako dopaketarako; trimetilaluminioa (TMA) edo etilboranoa (B2H6) P motako dopaketarako.

● Grabatzeko gasak: adibidez, hidrogeno kloruroa (HCl) ganbera garbitzeko edo in situ grabatzeko.

5) Automatizazioa eta Kontrola:

Ekipamenduak kontrol sistema aurreratu batekin hornituta egon behar du, prozesuaren egonkortasuna eta errepikagarritasuna bermatzeko, tenperatura, presioa, gas-fluxua, oinarrizko abiadura eta abar bezalako parametroak denbora errealean kontrolatu eta erregulatzeko.

Erdieroaleen Prozesamenduan Aplikazioak:

1) SiC Epi-obleen ekoizpena: CVD erreaktore baten berehalako irteera hau da: SiC obleak kalitate handiko geruza epitaxialekin. Hau da ondorengo SiC gailu guztien fabrikazioaren abiapuntua.

2) Energia-gailuen fabrikazioa: Epi-oblea hauek txipak fabrikatzeko instalazio (Fab) batera bidaltzen dira honako hauek ekoizteko:

● SiC MOSFETak: Gailuek N-driftak, P-gorputzak/putzuak eta abar bezalako geruza anitzeko egiturak zehaztasunez hazi behar dituzte, eta epitaxial geruzaren kalitateak eragin zuzena du gailuaren Rds(on), Atalase Tentsioan (Vth), Matxura Tentsioan (Vth) eta RDS(on)-en, matxura tentsioan (Vbr) eta fidagarritasunean.

● SiC SBDak: Ekipamendua batez ere N-drift geruza hazteko erabiltzen da, eta horrek diodoaren alderantzizko blokeatzeko gaitasuna eta aurreranzko tentsio-jaitsiera zehazten ditu.

3) I+G jarduerak laguntzea: Epitaxia ekipamendua prozesu epitaxial berriak garatzeko, material propietate berriak aztertzeko eta gailu egitura berriak garatzeko ere erabiltzen da.

Aixtron erreaktore planetarioaren piezen zerrenda

SiC Epitaxia Ekipamenduen eta Prozesuen Arazoak eta Erronkak Aplikazioetan

SiC epitaxia ekipoen konplexutasun handiak eta prozesuaren muturreko baldintzek hainbat erronka larri dituzte aplikazio praktikoetan:

Ekipamendu mailan dauden erronkak

● Tenperaturaren uniformetasuna eta kontrola: 1500 °C-tik gorako tenperaturetan, oso zaila da tenperaturaren kontrol zehatza lortzea Celsius gradu gutxi batzuekin azalera handi batean (150 mm-ko edo 200 mm-ko obleak eramanez). Tenperaturan desbideratze txikiek epitaxial geruzaren lodiera eta dopaje kontzentrazio irregularrak sor ditzakete.

● Gas-fluxuaren diseinua eta optimizazioa: Erreakzio-ganberako gas-fluxuaren eredua funtsezkoa da hazkunde-tasa eta uniformetasunerako. Ekipamenduen diseinuak simulazio hidrodinamiko konplexuak eta esperimentuak behar ditu dutxa-burua, ganberaren geometria eta aire-fluxuaren parametroak optimizatzeko, zurrunbiloak, gune hilak eta gas-faseko nukleazioa (partikula-sorkuntza) saihesteko.

● Ekipamenduen egonkortasuna eta mantentze-lanak: Tenperatura altuek eta gas korrosiboek (adibidez, HCl) ganberaren barneko piezetan (adibidez, grafitoa, kuartzoa) higadura larria eragiten dute. Prozesu-leihoaren egonkortasuna eta partikula-kutsadura txikia bermatzeko, tenperatura altu eta korrosioarekiko erresistenteak diren materialak behar dira, aldizkako mantentze-lanak eta piezen ordezkapena behar baitira. Horrek funtzionamendu-kostuak eta geldialdi-denborak handitzen ditu.

● Partikula-kontrola: Gailuaren barruan sortutako partikula txikiak dira epitaxial geruzaren gainazaleko akatsen eta gailuaren matxuren arrazoi nagusietako bat. Aire-iturri oso garbiak, iragazki zehatzak eta ganbera-garbiketa prozedura optimizatuak behar dira.

● Ekipamenduaren kostua eta edukiera: SiC epitaxia ekipoa berez garestia da. Aldi berean, hazkunde-tasak askotan mugatuak dira kalitate handia bermatzeko, batez ere geruza epitaxial lodietarako, eta unitate bakar baten edukiera (Oblea Orduko (WPH)) nahiko mugatua da, eta horrek zuzenean eragiten dio kostuari. SiC epitaxial obleakPlaneta-erreaktoreek ahalmen handiagoa dute, baina konplexuagoak eta garestiagoak dira.

● 200 mm-ko obletetara trantsizioa: 150 mm-ko prozesu eta ekipamendu diseinu helduak 200 mm-ko obletetara eskalatzeak erronka handiak dakartza, batez ere uniformetasuna eta akatsen kontrola mantentzeko edo hobetzeko orduan.

Prozesu Mailako Erronkak (ekipoekin estuki lotuta)

● Akatsen kontrola: Substratutik hedatzen diren dislokazioak (TSD, TED), baita epitaxian zehar sortutako gainazaleko akatsak (kraterrak, marradurak, maila-agregazioak) eta barneko akatsak (pilaketa-erroreak) nola eraginkortasunez ezabatu edo ezabatu etengabeko erronka da. Ekipamenduen parametroen optimizazioa (tenperatura, presioa, C/Si erlazioa, hazkunde-tasa) funtsezkoa da.

● Film lodiaren epitaxia: Goi-tentsioko gailuek hamarnaka edo ehunka mikrako lodierako epitaxial geruza dopatu baxuak behar dituzte. Zaila da akatsen dentsitate baxua, uniformetasun handia eta hazkunde-tasa egonkorrak mantentzea hazkunde-denbora luze horietan.

● Dopaketaren kontrola: Dopaketaren kontzentrazio oso koherenteak (batez ere 1014-1015cm-3 tarteko dopaketa baxua) oblea-tamaina handietan eta lote batetik bestera, baita interfaze oso dopatuak ere, egonkortasun handiko eta gas-fluxuaren kontrol zehatza duen ekipamendua behar da. P motako dopaketaren (Al) aktibazio-eraginkortasun baxuak eta memoria-efektuak ere erronkak dira. Memoria-efektuak ere erronkak dira.