炭化ケイ素結晶成長炉の技術的課題

炭化ケイ素（SiC）結晶成長炉は、SiCウェハ生産。 SiC 炉は、従来のシリコン結晶成長炉と類似点を共有していますが、材料の極端な成長条件と複雑な欠陥形成メカニズムにより、独特の課題に直面しています。これらの課題は、結晶成長とエピタキシャル成長の 2 つの領域に大別できます。

結晶成長の課題:

SiC 結晶の成長には、高温の密閉環境での正確な制御が要求されるため、監視とプロセス制御が非常に困難になります。主な課題は次のとおりです。

(1) 熱場制御: 密閉された高温チャンバー内で安定した均一な温度プロファイルを維持することは非常に重要ですが、非常に困難です。シリコンに使用される制御可能な溶融成長プロセスとは異なり、SiC 結晶成長は 2,000°C 以上で発生するため、リアルタイムの監視と調整はほぼ不可能です。所望の結晶特性を達成するには、正確な温度制御が最も重要です。

(2) ポリタイプと欠陥の制御: 成長プロセスは、マイクロパイプ (MP)、ポリタイプインクルージョン、転位などの欠陥の影響を非常に受けやすく、それぞれが結晶の品質に影響を与えます。 MP はサイズが数ミクロンの貫通欠陥であり、デバイスのパフォーマンスに特に悪影響を及ぼします。 SiC には 200 以上のポリタイプが存在しますが、半導体用途に適しているのは 4H 構造のみです。ポリタイプ含有物を最小限に抑えるには、化学量論、温度勾配、成長速度、ガス流力学の制御が不可欠です。さらに、成長チャンバー内の温度勾配により自然応力が誘発され、その後のエピタキシーやデバイスの性能に影響を与えるさまざまな転位（基底面転位（BPD）、貫通螺旋転位（TSD）、貫通刃状転位（TED））が発生する可能性があります。

(3) 不純物制御: 正確なドーピング プロファイルを達成するには、外部不純物に対する細心の注意が必要です。意図しない汚染があれば、最終的な結晶の電気的特性が大きく変化する可能性があります。

(4) 成長速度が遅い: SiC 結晶の成長はシリコンに比べて本質的に遅いです。シリコンインゴットは 3 日で成長できますが、SiC は 7 日以上必要であり、生産効率と生産量に大きな影響を与えます。

エピタキシャル成長の課題:

デバイス構造の形成に不可欠な SiC エピタキシャル成長では、プロセス パラメータをさらに厳密に制御する必要があります。

高精度制御:所望のエピタキシャル層特性を達成するには、チャンバーの気密性、圧力安定性、正確なガス供給のタイミングと組成、および厳密な温度制御が重要です。デバイスの電圧要件が増加するにつれて、これらの要求はさらに厳しくなります。

均一性と欠陥密度:より厚いエピタキシャル層において均一な抵抗率と低い欠陥密度を維持することは、重大な課題となります。

高度な制御システム:高精度のセンサーとアクチュエーターを備えた高度な電気機械制御システムは、正確で安定したパラメーター制御に不可欠です。プロセスフィードバックに基づいてリアルタイムに調整できる高度な制御アルゴリズムは、SiC エピタキシャル成長の複雑さを乗り越えるのに不可欠です。

SiC テクノロジーの可能性を最大限に引き出すには、これらの技術的なハードルを克服することが不可欠です。この有望な材料を高性能エレクトロニクスに広く採用するには、炉設計、プロセス制御、現場モニタリング技術の継続的な進歩が不可欠です。**