Применение β-карбида кремния (β-SiC) в полупроводниковой промышленности

Применение β-карбида кремния (β-SiC) в полупроводниковой промышленности

β-SiC, также известный как 3C-SiC, имеет кубическую кристаллическую структуру типа цинковой обманки и является метастабильной фазой. Он отличается от коммерчески доминирующего 4H-SiC (гексагональная α-фаза), используемого в силовых устройствах. Он имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,36 эВ, высокую подвижность электронов, поддерживает гетероэпитаксию на кремниевых подложках и обеспечивает превосходную термостойкость, устойчивость к плазменному травлению и радиационную стойкость. Он предлагает очевидные экономические преимущества для крупномасштабного производства, хотя массовое производство объемных монокристаллических подложек остается сложной задачей. Его применение в полупроводниках подразделяется на пять основных категорий: расходные материалы для полупроводниковых процессов, эпитаксия и силовые устройства, упаковочные материалы, электроника для экстремальных условий окружающей среды и оптоэлектроника.

1. Основные расходные материалы для оборудования для травления/осаждения полупроводников (серийного производства)

  1. Фокусирующее кольцо для пластины / краевое кольцо (CVD-β-SiC) Высокочистый плотный CVD-β-SiC (чистота ≥99,99999%). Устанавливается внутри плазменных травильных установок и камер CVD, окружая кремниевые/SiC пластины. Модулирует потенциал плазменного слоя для улучшения равномерности травления по всей пластине и снижения количества отходов, связанных с кромками. Устойчиво к плазменной эрозии на основе фтора и хлора, генерирует минимальное загрязнение частицами и обеспечивает более длительный срок службы, чем кварцевые или кремниевые кольца. Широко используется для 8-дюймовых и 12-дюймовых технологических узлов до 5 нм.
  2. Вкладыши камер, покрытия для подложки, компоненты газовых душевых головок обладают высокой чистотой, устойчивостью к плазменной коррозии и высокой теплопроводностью. Используются в качестве конструкционных элементов и защитных покрытий для камер травления, PVD и CVD для предотвращения загрязнения подложек металлическими частицами.

2. Эпитаксия и силовые полупроводниковые приборы (НИОКР и мелкосерийное производство)

  1. Гетероэпитаксиальные тонкие пленки β-SiC на кремниевых подложках. β-SiC можно выращивать непосредственно на кремниевых пластинах большого размера, обходя высокую стоимость и производственные узкие места, связанные с подложками 4H-SiC большого диаметра, что позволяет использовать рабочие процессы с пластинами размером 8–12 дюймов.
  • Диоды Шоттки SBD, MOSFET : низкое падение напряжения в открытом состоянии и высокая скорость переключения. Предназначены для преобразования энергии в средне- и низковольтных системах, источников питания постоянного тока и приводов двигателей. Больше подходят для средне- и низковольтных диапазонов; уступают 4H-SiC в высоковольтных сценариях.
  • Гетеропереходные устройства α-SiC/β-SiC : Использование смещения ширины запрещенной зоны между двумя полиморфными модификациями в гетеропереходных биполярных транзисторах для повышения эффективности инжекции носителей заряда в высокотемпературных схемах.

Примечание: Монокристаллические подложки из β-SiC в больших объемах не производятся в промышленных масштабах. В большинстве случаев их применение основано на эпитаксиальных тонких пленках .

3. Интерпозер TGV для высокопроизводительной упаковки микросхем ИИ (передовые исследования и разработки)

Интерпозеры из β-SiC служат в качестве подложек для сквозных стеклянных переходных отверстий (TGV) при упаковке высокопроизводительных графических процессоров (GPU) и модулей памяти HBM.

  • Теплопроводность: 200–300 Вт/м·К, низкий коэффициент теплового расширения, высокая механическая жесткость и низкие высокочастотные потери.
  • Превосходит стеклянные межсоединители по теплоотводу для сверхмощных чипов искусственного интеллекта. Интегрирован с медной металлизацией и вертикальными переходными отверстиями TGV для обеспечения высокой плотности межсоединений между чипами. Перспективный материал-кандидат для передовой упаковки следующего поколения.

4. Высокотемпературные и радиационно-стойкие электронные устройства (аэрокосмическая, атомная промышленность)

  1. Высокотемпературные датчики и детекторы: длительная эксплуатация при температурах выше 600 °C для измерения давления и температуры в авиационных двигателях и при разведке скважин.
  2. Радиационная стойкость интегральных схем: применяется в спутниках и системах, связанных с ядерной энергетикой. Выдерживает воздействие нейтронов и высокоэнергетических ионов с низким током утечки для космической электроники.
  3. MESFET — радиочастотные микроволновые устройства для 5G и радаров. β-SiC обладает изотропной подвижностью электронов и благоприятными высокочастотными характеристиками; в настоящее время используется только в лабораторных прототипах и не может заменить полуизолирующие подложки из 4H-SiC в коммерческом плане.

5. Оптоэлектроника

  1. Фотодетекторы УФ-излучения : Широкая запрещенная зона позволяет обнаруживать ультрафиолетовое излучение без реакции на видимый свет, используются для контроля пламени и систем предупреждения об ультрафиолетовом излучении.
  2. Исследования и разработки в области коротковолновых УФ-светодиодов: целевое излучение в диапазоне 200–400 нм, пока на лабораторном этапе без крупномасштабного промышленного производства.

6. Высокочистый порошок β-SiC для использования в качестве сырья для производства полупроводников.

  1. Исходный материал для CVD-покрытий из карбида кремния и для изготовления фокусирующих колец методом CVD.
  2. Сырье для выращивания монокристаллов SiC и мишеней для магнетронного распыления.
  3. Наполнитель для теплопроводящих композитных упаковочных материалов, улучшающий рассеивание тепла подложкой.

Таблица сравнения полупроводников β-SiC и 4H-SiC (α-SiC).

лист

Элемент β-SiC (3C-SiC) 4H-SiC (α-SiC, основной класс для силовых приборов)
Кристаллическая структура Кубическая, метастабильная Гексагональная, термодинамически стабильная
Ширина запрещенной зоны 2,36 эВ 3,26 эВ
Преимущества Возможность гетероэпитаксии на основе кремния, большие размеры кристаллов, превосходная устойчивость к плазме, изотропная подвижность. Высокая прочность на пробой, отработанные высоковольтные силовые приборы, возможность массового производства объемных подложек.
Основные коммерческие приложения Фокусирующие кольца CVD, компоненты камеры, эпитаксия SiC на Si, межсоединительные элементы для усовершенствованной упаковки. Транспортные средства на новых источниках энергии, фотоэлектрические высоковольтные MOSFET-транзисторы и SBD-транзисторы.

Краткое описание: Крупнейший существующий коммерческий рынок полупроводников для β-SiC — это расходные материалы для процесса CVD-SiC, такие как фокусирующие кольца/краевые кольца. В области силовых устройств доминируют исследования и разработки в области эпитаксии β-SiC на основе кремния. Межсоединительные пластины TGV представляют собой перспективное направление следующего поколения. 4H-SiC остается основным полиморфом для высоковольтных силовых полупроводников.

Пролистать наверх