Défis techniques dans les fours de croissance de cristaux de carbure de silicium

Les fours de croissance cristalline en carbure de silicium (SiC) sont la pierre angulaire deplaquette SiCproduction. Tout en partageant des similitudes avec les fours traditionnels de croissance de cristaux de silicium, les fours SiC sont confrontés à des défis uniques en raison des conditions de croissance extrêmes du matériau et des mécanismes complexes de formation de défauts. Ces défis peuvent être globalement classés en deux domaines : la croissance cristalline et la croissance épitaxiale.

Défis de croissance cristalline :

La croissance des cristaux de SiC nécessite un contrôle précis dans un environnement fermé à haute température, ce qui rend la surveillance et le contrôle des processus exceptionnellement difficiles. Les principaux défis comprennent :

(1) Contrôle du champ thermique : le maintien d'un profil de température stable et uniforme dans la chambre scellée à haute température est crucial mais extrêmement difficile. Contrairement aux processus de croissance à l'état fondu contrôlables utilisés pour le silicium, la croissance des cristaux de SiC se produit au-dessus de 2 000 °C, ce qui rend la surveillance et l'ajustement en temps réel presque impossibles. Un contrôle précis de la température est primordial pour obtenir les propriétés cristallines souhaitées.

(2) Contrôle des polytypes et des défauts : le processus de croissance est très sensible aux défauts tels que les microtuyaux (MP), les inclusions de polytypes et les dislocations, chacun ayant un impact sur la qualité des cristaux. Les MP, qui pénètrent dans des défauts de plusieurs microns, sont particulièrement préjudiciables aux performances de l'appareil. Le SiC existe dans plus de 200 polytypes, seule la structure 4H étant adaptée aux applications semi-conductrices. Le contrôle de la stœchiométrie, des gradients de température, du taux de croissance et de la dynamique du flux de gaz est essentiel pour minimiser les inclusions de polytypes. De plus, les gradients thermiques à l'intérieur de la chambre de croissance peuvent induire des contraintes natives, conduisant à diverses luxations (dislocations du plan basal (BPD), luxations des vis filetées (TSD), luxations des bords de filetage (TED)) qui ont un impact sur l'épitaxie ultérieure et les performances du dispositif.

(3) Contrôle des impuretés : l'obtention de profils de dopage précis nécessite un contrôle méticuleux des impuretés externes. Toute contamination involontaire peut altérer considérablement les propriétés électriques du cristal final.

(4) Taux de croissance lent : la croissance des cristaux de SiC est intrinsèquement lente par rapport au silicium. Alors qu'un lingot de silicium peut être cultivé en 3 jours, le SiC nécessite 7 jours ou plus, ce qui a un impact significatif sur l'efficacité et le rendement de la production.

Défis de la croissance épitaxiale :

La croissance épitaxiale du SiC, cruciale pour la formation des structures de dispositifs, exige un contrôle encore plus strict des paramètres du processus :

Contrôle de haute précision :L'herméticité de la chambre, la stabilité de la pression, le timing et la composition précis de l'administration du gaz, ainsi que le contrôle strict de la température sont essentiels pour obtenir les propriétés souhaitées de la couche épitaxiale. Ces exigences deviennent encore plus strictes avec l'augmentation des exigences en matière de tension des appareils.

Uniformité et densité de défauts :Le maintien d’une résistivité uniforme et d’une faible densité de défauts dans des couches épitaxiales plus épaisses présente un défi important.

Systèmes de contrôle avancés :Des systèmes de contrôle électromécaniques sophistiqués dotés de capteurs et d'actionneurs de haute précision sont essentiels pour une régulation précise et stable des paramètres. Des algorithmes de contrôle avancés capables d’ajuster en temps réel sur la base du retour d’information du processus sont essentiels pour naviguer dans les complexités de la croissance épitaxiale du SiC.

Surmonter ces obstacles techniques est essentiel pour libérer tout le potentiel de la technologie SiC. Les progrès continus dans la conception des fours, le contrôle des processus et les techniques de surveillance in situ sont essentiels pour favoriser l'adoption généralisée de ce matériau prometteur dans l'électronique haute performance.**