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報告主題:碳化硅外延,“初學者”該了解哪些?

發布時間:2022-04-11發布人:

報告主題:碳化硅外延,“初學者”該了解哪些?


為什么碳化硅在電力電子領域備受關注?


SiC供應鏈概覽


SiC外延--生長的基本原理


碳化硅外延設備


外延的表征技術和要求


總結


如需領取本文報告可關注


公眾號后臺回復關鍵詞“2022”,加主編領取


報告詳細內容


# 由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導致不同的晶體結構,SiC有著超過200種(目前已知)同質多型族


最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC(碳化硅具有優良的物理和化學性能)


最常用的多型是:


4H-SiC——功率集成電路應用


6H-SiC——射頻應用


在不同的晶面上生長不同的晶錠多型體:


4H-SiC——在碳 (C) 面晶種上生長


6H-SiC——在硅 (Si) 面晶種上生長


與硅相比,SiC的多型性使SiC的外延生長和襯底制備更加復雜。


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# 4H-SiC是功率器件的最佳選擇


(6H-SiC的電子遷移率是各向異性的)


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# SiC 相對于 Si 器件的優勢


? SiC 的寬帶隙允許更薄的外延層來阻擋給定的電壓


? 較薄的漂移層降低了整體器件電阻


? 更高的電子飽和速度允許更高頻率的運行


? SiC 的高導熱性允許器件在 > 200C 的高溫下運行


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# 碳化硅供應鏈概覽


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# SiC外延生長:常見元素


襯底:


?用于電力電子的4H多型


?當前晶圓直徑150 mm和200 mm


?定向4°離軸


?雙面拋光


?在晶片的硅面上生長的外延


? 需要對硅表面進行仔細的化學機械拋光 (cmp) 以減少缺陷


生長參數:


?溫度 ~ 1650 oC


?壓力 ~ 50-100 mbar


?硅源


?碳源


?摻雜氣體


?C/Si 比率——用于摻雜控制


?涂層石墨


外延片表征:


?厚度 - 目標和均勻度


?摻雜 - 目標和均勻度


?缺陷(表面缺陷、位錯缺陷)


?晶圓形狀(弓形等)


 ...


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# SiC 外延生長的通用工藝示意圖(溫度與時間)


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# SiC外延生長工藝:臺階流生長


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# SiC外延工藝:氣體流速和比率


碳化硅外延生長率


? 生長速度與Si 流量成正比


碳化硅外延摻雜受C/Si比控制


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# 近 30 年的 SiC 外延系統演變


Epigress熱壁式SiC外延生長系統


? 單晶片 2” 直徑


? 手動裝載和卸載外延片


? 過程手動控制


? 基于硅烷 (SiH4) 的工藝 – 不含氯


? 增長率限制在 10 微米/小時左右


Aixtron 暖壁系統


? 多晶片 6” 直徑 (8”)


? 自動加載和卸載外延片


? 配方控制過程


? 基于氯硅烷的工藝


? (TCS) 增長率通常為 30 微米/小時


? 主要用于>30um 的外延層


Epiluvac 集群式熱壁系統


? 最大直徑為 8 英寸的單晶片室


? 腔室可以組合在一個集群設備中,用于不同的摻雜層(n、p 型)


? 腔室之間的晶片轉移發生在空閑溫度和真空下。


? 外延片的自動加載鎖定加載、預熱、冷卻和卸載


? 通過配方控制過程


? 基于氯硅烷 (TCS) 的工藝證明生長速率超過 100 um/hr

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# SiC外延設備的配置


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# 熱壁 SiC 外延反應器熱區 - 示意圖


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# 行星式 SiC 外延反應器組件


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# 外延表征


在每個外延片上收集的數據


在選定的樣品外延片上收集的數據


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# 外延厚度表征


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# 外延摻雜表征


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# 外延片形狀表征


(通過電容探針技術測量外延片形狀)

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# SiC外延缺陷

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# SiC外延表面缺陷

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# 用 UVPL 檢測碳化硅外延位錯缺陷


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# 總結


? 碳化硅在電力電子領域的發展迅速


? 為了向行業提供高質量的外延片,需要:


? 了解 SiC 外延生長過程至關重要


襯底


成長參數與機制


表征設備和技術


? SiC 外延設備——有多種選擇(現在與未來)


? 外延片表征技術和商業要求


厚度和摻雜準確度和均勻度


缺陷類型和控制


特殊要求


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