Was ist Siliziumkarbid-Epitaxie (SiC)?

Abstract:

Als Kernmaterial der nächsten Generation von Leistungshalbleitern Siliziumkarbid (SiC) führt zu deutlichen Verbesserungen der Energieeffizienz und Systemleistung. In der Fertigungskette von SiC-Bauelementen ist die Siliziumkarbid-Epitaxie ein entscheidender Schritt, um die Grundlage für die Geräteleistung zu legen. Dieser Artikel befasst sich eingehend mit der Definition der SiC-Epitaxie, den wichtigsten Geräten für den Epitaxieprozess, ihren spezifischen Anwendungen in der Halbleiterverarbeitung sowie den damit verbundenen Problemen und Herausforderungen.

Definition der SiC-Epitaxie

Siliziumkarbid-Epitaxie ist ein Kristallwachstumsverfahren, bei dem eine oder mehrere Schichten eines einkristallinen Siliziumkarbidfilms (d. h. Epischicht) mit einer bestimmten kristallografischen Ausrichtung (normalerweise dieselbe wie die des Substrats) auf einem geschnittenen und polierten einkristallinen Siliziumkarbidsubstrat (SiC-Substrat) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) usw. wachsen. Die Epischicht ist ein dünner Film von sehr hoher Qualität mit genau kontrollierter Dotierungskonzentration und Dicke. Das Verfahren zum Wachsen einer oder mehrerer Schichten aus einkristallinem Siliziumkarbid (Epischicht) auf einem SiC-Substrat durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder andere Methoden mit einer bestimmten Kristallausrichtung (normalerweise dieselbe wie die des Substrats), sehr hoher Qualität und genau kontrollierter Dotierungskonzentration und Dicke.

Die Kernziele sind:

● Bereitstellung einer Funktionsschicht mit wenigen Defekten: Die Epischicht weist im Vergleich zum Substratmaterial eine geringere Dichte an Kristalldefekten auf.

● Präzise Kontrolle der elektrischen Eigenschaften: Die Fähigkeit, den Dotierungstyp (N- oder P-Typ), die Dotierungskonzentration (im Bereich von 1014 bis 1019 cm-3) und die Dicke (von wenigen Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern) der Epitaxialschicht präzise zu kontrollieren.

● Aufbau der Gerätestruktur: Bereitstellung der grundlegenden Plattform zur Herstellung der aktiven Bereiche (z. B. Driftschicht, Kanalbereich, Body-Bereich usw.) des Geräts für die nachfolgende Ionenimplantation, Fotolithografie, Ätzung, Metallisierung und andere Prozesse.

SiC-Epitaxie-Geräte und die Anwendungen

Die Kernausrüstung für die Durchführung SiC Bei Epitaxieprozessen handelt es sich um Hochtemperaturreaktoren zur chemischen Gasphasenabscheidung (HTCVD). Dabei handelt es sich um hochkomplexe Systeme, die für die präzise Steuerung des Kristallwachstums unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen, spezielle Atmosphären) entwickelt wurden.

Gerätetypen und Funktionen:

Drei Arten von Siliziumkarbid-Epitaxieöfen und Kernzubehörunterschieden

1) Mainstream-Technologie: Heißwand-CVD ist heute in der Industrie weit verbreitet. Dieses Design sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Reaktionskammer, was zu einer Verbesserung der Dicke der Epitaxieschicht und einer gleichmäßigeren Dotierung beiträgt.

2) Heizmethode: Induktionserwärmung oder Widerstandserwärmung werden üblicherweise verwendet, um die für die SiC-Epitaxie erforderlichen ultrahohen Temperaturen zu erreichen (typischerweise >1500 °C, sogar bis zu 1600–1700 °C).

3)Reaktionskammerkonfigurationen:

● Horizontalreaktoren: Gas strömt horizontal durch einen Wafer auf einer Graphitbasis (Suszeptor). Relativ einfache Struktur, aber die Kontrolle der Gleichmäßigkeit bei großen Abmessungen ist eine Herausforderung.

● Planeten-/Vertikalrotationsreaktoren: Wafer werden auf rotierenden Sockeln platziert, üblicherweise mit mehreren gleichzeitig um einen Mittelpunkt rotierenden Satellitensockeln. Diese Konstruktion verbessert die Temperatur- und Luftstromgleichmäßigkeit großer Wafer durch Rotation und Umdrehung deutlich und ist derzeit die dominierende Ausrüstung für die Massenproduktion, insbesondere für 150-mm- und 200-mm-Wafer. Repräsentative Anlagenhersteller wie LPE, Aixtron usw. bieten solche Anlagen an.

LPE-Halbmond-SiC-EPI-Reaktor

4)Gastransportsysteme:

Sie müssen den Durchfluss verschiedener Gase präzise steuern, darunter:

● Vorläufer: Siliziumquellen (z. B. Silan SiH4), Kohlenstoffquellen (z. B. Propan C3H8 oder Ethylen C2H4) und Kohlenstoffquellen (z. B. Ethylen C2H4). H4).

● Trägergas: normalerweise hochreiner Wasserstoff (H2), manchmal gemischt mit Argon (Ar).

● Dotierstoffe: Stickstoff (N2) für N-Typ-Dotierung; Trimethylaluminium (TMA) oder Ethylboran (B2H6) für P-Typ-Dotierung.

● Ätzgase: zB Chlorwasserstoff (HCl) zur Kammerreinigung oder zum In-situ-Ätzen.

5) Automatisierung und Steuerung:

Die Ausrüstung muss mit einem fortschrittlichen Steuerungssystem ausgestattet sein, um Parameter wie Temperatur, Druck, Gasfluss, Grundgeschwindigkeit usw. in Echtzeit zu überwachen und zu regulieren, um Prozessstabilität und Wiederholbarkeit sicherzustellen.

Anwendungen in der Halbleiterverarbeitung:

1) Produktion von SiC Epi-Wafer: Die unmittelbare Ausgabe eines CVD-Reaktors ist SiC-Wafer mit hochwertigen epitaktischen Schichten. Dies ist der Ausgangspunkt für die gesamte nachfolgende Herstellung von SiC-Bauelementen.

2) Herstellung von Leistungsbauelementen: Diese Epi-Wafer werden an eine Chip-Fertigungsanlage (Fab) zur Herstellung folgender Komponenten gesendet:

● SiC-MOSFETs: Die Geräte müssen mehrschichtige Strukturen wie N-Drifts, P-Körper/Wells usw. präzise wachsen lassen, und die Qualität der epitaktischen Schicht hat direkte Auswirkungen auf Rds(on), Schwellenspannung (Vth), Durchbruchspannung (Vth) und RDS(on) des Geräts. ), Durchbruchspannung (Vbr) und Zuverlässigkeit.

● SiC-SBDs: Die Ausrüstung wird hauptsächlich zum Züchten der N-Driftschicht verwendet, die die Rückwärtssperrfähigkeit und den Durchlassspannungsabfall der Diode bestimmt.

3) Unterstützung von F&E-Aktivitäten: Epitaxie-Geräte werden auch verwendet, um neue Epitaxieprozesse zu entwickeln, neue Materialeigenschaften zu erforschen und neuartige Gerätestrukturen zu entwickeln.

Liste der Teile des Planetenreaktors von Aixtron

Probleme und Herausforderungen von SiC-Epitaxie-Geräten und -Prozessen in Anwendungen

Aufgrund der hohen Komplexität der SiC-Epitaxie-Anlagen und der extremen Bedingungen des Prozesses ergeben sich in der praktischen Anwendung eine Reihe schwerwiegender Herausforderungen:

Herausforderungen auf Geräteebene

● Temperaturgleichmäßigkeit und -kontrolle: Bei Temperaturen über 1500 °C ist es äußerst schwierig, eine genaue Temperaturkontrolle innerhalb weniger Grad Celsius über eine große Grundfläche (mit 150-mm- oder 200-mm-Wafern) zu erreichen. Kleine Temperaturabweichungen können zu ungleichmäßiger epitaktischer Schichtdicke und Dotierungskonzentration führen.

● Gasströmungsdesign und -optimierung: Das Gasströmungsmuster in der Reaktionskammer ist entscheidend für Wachstumsrate und Gleichmäßigkeit. Die Gerätekonstruktion erfordert komplexe hydrodynamische Simulationen und Experimente, um den Duschkopf, die Kammergeometrie und die Luftströmungsparameter zu optimieren und so Wirbel, Totzonen und Gasphasennukleation (Partikelbildung) zu vermeiden.

● Gerätestabilität und Wartung: Hohe Temperaturen und korrosive Gase (z. B. HCl) verursachen starken Verschleiß an den Kammerinnenteilen (z. B. Graphit, Quarz). Um die Prozessstabilität und geringe Partikelkontamination zu gewährleisten, sind hochtemperatur- und korrosionsbeständige Materialien sowie regelmäßige Wartung und Teileaustausch erforderlich. Dies erhöht die Betriebskosten und führt zu Ausfallzeiten.

● Partikelkontrolle: Winzige Partikel im Inneren des Geräts sind eine der Hauptursachen für Oberflächendefekte der Epitaxieschicht und Geräteausfälle. Erforderlich sind extrem saubere Luftquellen, Präzisionsfilter und optimierte Kammerreinigungsverfahren.

● Anlagenkosten und Kapazität: SiC-Epitaxieanlagen sind von Natur aus teuer. Gleichzeitig sind die Wachstumsraten oft begrenzt, um eine hohe Qualität zu gewährleisten, insbesondere bei dicken Epitaxieschichten. Die Kapazität (Wafer pro Stunde (WPH)) einer einzelnen Anlage ist relativ begrenzt, was sich direkt auf die Kosten auswirkt. SiC-Epitaxiewafer. Planetenreaktoren haben eine höhere Kapazität, sind aber komplexer und teurer.

● Übergang zu 200-mm-Wafer: Die Skalierung bestehender, ausgereifter 150-mm-Prozess- und Gerätedesigns auf 200-mm-Wafer stellt erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere was die Aufrechterhaltung oder sogar Verbesserung der Einheitlichkeit und Fehlerkontrolle betrifft.

Herausforderungen auf Prozessebene (eng verbunden mit der Ausrüstung)

● Defektkontrolle: Die wirksame Unterdrückung oder Beseitigung von Versetzungen (TSD, TED), die vom Substrat ausgehen, sowie von Oberflächendefekten (Krater, Kratzer, Stufenaggregate) und inneren Defekten (Stapelfehler), die während der Epitaxie entstehen, ist eine ständige Herausforderung. Die Optimierung der Geräteparameter (Temperatur, Druck, C/Si-Verhältnis, Wachstumsrate) ist entscheidend.

● Dickschichtepitaxie: Hochspannungsbauelemente erfordern niedrig dotierte Epitaxieschichten mit einer Dicke von mehreren zehn oder sogar hundert Mikrometern. Die Aufrechterhaltung einer niedrigen Defektdichte, einer hohen Gleichmäßigkeit und stabiler Wachstumsraten über solch lange Wachstumszeiten ist schwierig.

● Dotierungskontrolle: Das Erreichen hochkonsistenter Dotierungskonzentrationen (insbesondere niedriger Dotierung im Bereich von 1014–1015 cm-3) über große Wafergrößen und von Charge zu Charge sowie stark dotierter Schnittstellen erfordert Geräte mit sehr hoher Stabilität und präziser Gasflusskontrolle. Geringe Aktivierungseffizienzen und Memory-Effekte der P-Typ-Dotierung (Al) stellen ebenfalls Herausforderungen dar. Memory-Effekte stellen ebenfalls Herausforderungen dar.