Qu'est-ce que l'épitaxie au carbure de silicium (SiC) ?

Résumé:

En tant que matériau de base des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération, carbure de silicium (SiC) L'épitaxie au carbure de silicium (SiC) améliore considérablement l'efficacité énergétique et les performances des systèmes. Dans la chaîne de fabrication des dispositifs SiC, l'épitaxie au carbure de silicium (SiC) constitue une étape décisive pour garantir les performances des dispositifs. Cet article explore en détail la définition de l'épitaxie au SiC, les équipements clés du procédé, ses applications spécifiques dans le traitement des semi-conducteurs, ainsi que les problèmes et défis auxquels elle est confrontée.

Définition de l'épitaxie SiC

L'épitaxie au carbure de silicium est une technique de croissance cristalline qui consiste à faire croître une ou plusieurs couches de carbure de silicium monocristallin (épicouche) présentant une orientation cristallographique spécifique (généralement identique à celle du substrat) sur un substrat de carbure de silicium monocristallin (substrat SiC) découpé et poli, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), etc. L'épicouche est un film mince de très haute qualité dont la concentration de dopage et l'épaisseur sont contrôlées avec précision. Procédé de croissance d'une ou plusieurs couches de carbure de silicium monocristallin (épicouche) sur un substrat SiC par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou autre méthode, présentant une orientation cristalline spécifique (généralement identique à celle du substrat), une très haute qualité et une concentration de dopage et une épaisseur contrôlées avec précision.

Les objectifs principaux sont :

● Pour fournir une couche fonctionnelle avec peu de défauts : la couche épitaxiale présente une densité de défauts cristallins inférieure à celle du matériau du substrat.

● Contrôle précis des propriétés électriques : La capacité de contrôler précisément le type de dopage (type N ou P), la concentration de dopage (dans la plage de 1014 à 1019 cm-3) et l'épaisseur (de quelques micromètres à des centaines de micromètres) de la couche épitaxiale.

● Structure du dispositif de construction : Fournir la plate-forme de base pour la fabrication des régions actives (par exemple, couche de dérive, région de canal, région de corps, etc.) du dispositif pour l'implantation ionique ultérieure, la photolithographie, la gravure, la métallisation et d'autres processus.

Équipement d'épitaxie SiC et applications

L'équipement de base pour la réalisation SiC Les procédés d'épitaxie sont des réacteurs de dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD). Il s'agit de systèmes très complexes conçus pour contrôler précisément la croissance cristalline dans des conditions extrêmes (températures élevées, atmosphères spécifiques).

Types d'équipement et caractéristiques :

Différences entre les trois types de fours de croissance épitaxiale en carbure de silicium et les accessoires de noyau

1) Technologie grand public : Le dépôt CVD à parois chaudes est aujourd'hui largement utilisé dans l'industrie. Cette conception uniformise la répartition de la température dans la chambre de réaction, ce qui contribue à améliorer l'épaisseur de la couche épitaxiale et l'uniformité du dopage.

2) Méthode de chauffage : Le chauffage par induction ou le chauffage résistif est couramment utilisé pour atteindre les températures ultra-élevées requises pour l'épitaxie du SiC (généralement > 1500 °C, voire jusqu'à 1600-1700 °C).

3) Configurations de la chambre de réaction :

● Réacteurs horizontaux : Le gaz circule horizontalement à travers une plaquette placée sur une base en graphite (suscepteur). Structure relativement simple, mais le contrôle de l'uniformité de grande taille constitue un défi.

● Réacteurs rotatifs planétaires/verticaux : les plaquettes sont placées sur des socles rotatifs, généralement composés de plusieurs satellites tournant simultanément autour d'un centre. Cette conception améliore considérablement l'uniformité de la température et du flux d'air des grandes plaquettes grâce à la rotation et à la révolution. C'est actuellement l'équipement le plus utilisé pour la production en grande série, notamment pour les plaquettes de 150 mm et 200 mm. Des fabricants d'équipements de renom tels que LPE et Aixtron proposent ce type d'équipement.

Réacteur EPI SiC demi-lune LPE

4) Systèmes de transport de gaz :

Besoin de contrôler avec précision le débit d'une variété de gaz, notamment :

● Précurseurs : sources de silicium (par exemple, silane SiH4), sources de carbone (par exemple, propane C3H8 ou éthylène C2H4) et sources de carbone (par exemple, éthylène C2H4). H4).

● Gaz vecteur : généralement de l'hydrogène de haute pureté (H2), parfois mélangé à de l'argon (Ar).

● Dopants : Azote (N2) pour le dopage de type N ; triméthylaluminium (TMA) ou éthylborane (B2H6) pour le dopage de type P.

● Gaz de gravure : par exemple chlorure d'hydrogène (HCl) pour le nettoyage de la chambre ou la gravure in situ.

5) Automatisation et contrôle :

L'équipement doit être équipé d'un système de contrôle avancé pour surveiller et réguler des paramètres tels que la température, la pression, le débit de gaz, la vitesse de base, etc. en temps réel pour garantir la stabilité et la répétabilité du processus.

Applications dans le traitement des semi-conducteurs :

1) Production de plaquettes épitaxiales de SiC : Le rendement immédiat d'un réacteur CVD est plaquettes SiC avec des couches épitaxiales de haute qualité. C'est le point de départ de toute fabrication ultérieure de dispositifs SiC.

2) Fabrication de dispositifs de puissance : Ces épi-wafers sont envoyés vers une usine de fabrication de puces (Fab) pour la production de :

● MOSFET SiC : les dispositifs doivent développer avec précision des structures multicouches telles que des dérives N, des corps/puits P, etc., et la qualité de la couche épitaxiale a un impact direct sur le Rds(on), la tension de seuil (Vth), la tension de claquage (Vth) et le RDS(on) du dispositif. ), la tension de claquage (Vbr) et la fiabilité.

● SBD SiC : L'équipement est principalement utilisé pour faire croître la couche de dérive N, qui détermine la capacité de blocage inverse et la chute de tension directe de la diode.

3) Soutenir les activités de R&D : Les équipements d'épitaxie sont également utilisés pour développer de nouveaux procédés épitaxiaux, explorer de nouvelles propriétés de matériaux et développer de nouvelles structures de dispositifs.

Liste des pièces du réacteur planétaire Aixtron

Problèmes et défis des équipements et procédés d'épitaxie SiC dans les applications

La grande complexité des équipements d'épitaxie SiC et les conditions extrêmes du procédé les confrontent à un certain nombre de défis sérieux dans les applications pratiques :

Défis au niveau des équipements

● Uniformité et contrôle de la température : à des températures supérieures à 1500 150 °C, il est extrêmement difficile d'obtenir un contrôle précis de la température à quelques degrés Celsius près sur une grande surface (transportant des plaquettes de 200 ou XNUMX mm). De faibles écarts de température peuvent entraîner une épaisseur de couche épitaxiale et une concentration de dopage inégales.

● Conception et optimisation du flux de gaz : Le modèle d'écoulement du gaz dans la chambre de réaction est essentiel au taux de croissance et à l'uniformité. La conception de l'équipement nécessite des simulations et des expériences hydrodynamiques complexes pour optimiser la pomme de douche, la géométrie de la chambre et les paramètres du flux d'air afin d'éviter les tourbillons, les zones mortes et la nucléation en phase gazeuse (génération de particules).

● Stabilité et maintenance de l'équipement : Les températures élevées et les gaz corrosifs (par exemple, HCl) provoquent une usure importante des composants internes de la chambre (par exemple, graphite, quartz). Des matériaux résistants aux températures élevées et à la corrosion, ainsi qu'un entretien et un remplacement réguliers des pièces, sont nécessaires pour garantir la stabilité de la fenêtre de traitement et une faible contamination particulaire. Cela augmente les coûts d'exploitation et les temps d'arrêt.

● Contrôle des particules : Les minuscules particules générées à l'intérieur du dispositif sont l'une des principales causes de défauts de surface de la couche épitaxiale et de défaillance du dispositif. Des sources d'air extrêmement propres, des filtres de précision et des procédures de nettoyage de chambre optimisées sont nécessaires.

● Coût et capacité des équipements : Les équipements d'épitaxie SiC sont intrinsèquement coûteux. Parallèlement, les taux de croissance sont souvent limités pour garantir une qualité élevée, en particulier pour les couches épitaxiales épaisses, et la capacité (Wafers par heure (WPH)) d'une seule unité est relativement limitée, ce qui affecte directement le coût. Plaquettes épitaxiales SiCLes réacteurs planétaires ont une capacité plus élevée, mais sont plus complexes et plus coûteux.

● Transition vers des plaquettes de 200 mm : la mise à l'échelle des conceptions de processus et d'équipements matures de 150 mm existantes vers des plaquettes de 200 mm présente des défis importants, notamment pour maintenir, voire améliorer, l'uniformité et le contrôle des défauts.

Défis au niveau du processus (étroitement liés à l'équipement)

● Contrôle des défauts : Comment supprimer ou éliminer efficacement les dislocations (TSD, TED) s'étendant du substrat, ainsi que les défauts de surface (cratères, rayures, agrégats en gradins) et les défauts internes (erreurs d'empilement) générés pendant l'épitaxie est un défi constant. L'optimisation des paramètres de l'équipement (température, pression, rapport C/Si, taux de croissance) est essentielle.

● Épitaxie en couches épaisses : les dispositifs haute tension nécessitent des couches épitaxiales faiblement dopées, de plusieurs dizaines, voire centaines de microns d'épaisseur. Il est difficile de maintenir une faible densité de défauts, une grande uniformité et des taux de croissance stables sur des durées de croissance aussi longues.

● Contrôle du dopage : L'obtention de concentrations de dopage très constantes (en particulier un faible dopage dans la gamme 1014-1015cm-3) sur de grandes tailles de plaquettes et d'un lot à l'autre, ainsi que des interfaces fortement dopées, nécessite un équipement avec une très grande stabilité et un contrôle précis du flux de gaz. Les faibles rendements d'activation et les effets de mémoire du dopage de type P (Al) sont également des défis.