Vad är stegkontrollerad epitaxiell tillväxt?

Som en av kärnteknologierna för framställning av SiC-kraftenheter kommer kvaliteten på epitaxi som odlas med SiC-epitaxialtillväxtteknologi direkt att påverka prestanda hos SiC-enheter. För närvarande är den mest vanliga SiC epitaxiella tillväxtteknologin kemisk ångdeposition (CVD).

Det finns många stabila kristallpolytyper av SIC. Därför, för att möjliggöra det erhållna epitaxiella tillväxtskiktet för att ärva den specifika kristallpolytypen förSiC-substrat, är det nödvändigt att överföra den tredimensionella atomarrangemangsinformationen för substratet till det epitaxiella tillväxtskiktet, och detta kräver några speciella metoder. Hiroyuki Matsunami, professor emeritus vid Kyoto University, och andra föreslog en sådan SiC epitaxiell tillväxtteknologi, som utför kemisk ångavsättning (CVD) på lågindexkristallplanet av SiC-substratet i en liten off-vinkelriktning under lämpliga tillväxtförhållanden. Denna tekniska metod kallas även stegkontrollerad epitaxiell tillväxtmetod.

Figur 1 visar hur man utför SiC epitaxiell tillväxt genom stegkontrollerad epitaxiell tillväxtmetod. Ytan på ett rent SiC-substrat som inte är vinklat formas i skikt av steg, och steget och bordsstrukturen på molekylnivå erhålls. När råvarugasen införs, tillförs råmaterialet till ytan av SiC-substratet, och råmaterialet som rör sig på bordet fångas upp av stegen i sekvens. När det fångade råmaterialet bildar ett arrangemang som överensstämmer med kristallpolytypen avSiC-substratVid motsvarande position ärver det epitaxiella skiktet framgångsrikt den specifika kristallpolytypen för SIC -substratet.

Figur 1: Epitaxiell tillväxt av SiC-substrat med en off-vinkel (0001)

Naturligtvis kan det vara problem med stegkontrollerad epitaxiell tillväxtteknik. När tillväxtförhållandena inte uppfyller de lämpliga förhållandena kommer råvarorna att kärra och generera kristaller på bordet snarare än på trappan, vilket kommer att leda till att tillväxten av olika kristallpolyTypes, vilket gör att det perfekta epitaxialskiktet inte växer. Om heterogena polytyper förekommer i det epitaxiella skiktet, kan halvledaranordningen vara kvar med dödliga defekter. I den stegkontrollerade epitaxial tillväxttekniken måste därför graden av avböjning utformas för att få stegbredden att nå en rimlig storlek. Samtidigt måste koncentrationen av SI -råvaror och C råvaror i råmaterialgasen, tillväxttemperaturen och andra förhållanden också uppfylla förhållandena för prioritering av kristaller på trappan. För närvarande ytan på huvudet4H-typ SiC-substratpå marknaden presenterar en 4° avböjningsvinkel (0001) yta, som kan uppfylla både kraven på stegstyrd epitaxiell tillväxtteknologi och öka antalet wafers som erhålls från boule.

Högrent väte används som bärare i den kemiska ångavsättningsmetoden för SiC epitaxiell tillväxt, och Si-råmaterial såsom SiH4 och C-råmaterial såsom C3H8 tillförs ytan av SiC-substratet vars substrattemperatur alltid hålls vid 1500-1600℃. Vid en temperatur på 1500-1600°C, om temperaturen på utrustningens innervägg inte är tillräckligt hög, kommer råvarornas tillförseleffektivitet inte att förbättras, så det är nödvändigt att använda en varmväggsreaktor. Det finns många typer av SiC epitaxiell tillväxtutrustning, inklusive vertikal, horisontell, multi-wafer och enkel-råntyper. Figurerna 2, 3 och 4 visar gasflödet och substratkonfigurationen för reaktordelen av tre typer av SiC epitaxiell tillväxtutrustning.

Figur 2 Multi-chip rotation och revolution

Figur 3 Multi-chip varv

Figur 4 Enkelt chip

Det finns flera viktiga punkter att överväga för att uppnå massproduktion av SiC epitaxiella substrat: likformighet i epitaxiella skikttjocklek, likformighet i dopningskoncentration, damm, utbyte, frekvens av komponentbyten och bekvämlighet med underhåll. Bland dem kommer enhetligheten i dopningskoncentrationen direkt att påverka enhetens spänningsresistansfördelning, så enhetligheten hos skivans yta, batch och batch är mycket hög. Dessutom kommer reaktionsprodukterna som är fästa vid komponenterna i reaktorn och avgassystemet under tillväxtprocessen att bli en dammkälla, och hur man bekvämt tar bort dessa damm är också en viktig forskningsinriktning.

Efter SiC epitaxiell tillväxt erhålls ett högrent SiC enkristallskikt som kan användas för att tillverka kraftenheter. Dessutom, genom epitaxiell tillväxt, kan basplanets dislokation (BPD) som finns i substratet också omvandlas till en gängkantsdislokation (TED) vid gränssnittet mellan substrat och driftlager (se figur 5). När en bipolär ström flyter igenom kommer BPD:n att genomgå staplingsfelexpansion, vilket resulterar i försämring av enhetens egenskaper såsom ökat på-motstånd. Men efter att BPD har konverterats till TED kommer enhetens elektriska egenskaper inte att påverkas. Epitaxiell tillväxt kan avsevärt minska enhetens nedbrytning som orsakas av bipolär ström.

Bild 5: BPD för SIC -substrat före och efter epitaxiell tillväxt och TED -tvärsnitt efter omvandling

I den epitaxiella tillväxten av SIC sätts ofta ett buffertskikt mellan drivskiktet och underlaget. Buffertskiktet med hög koncentration av n-typ doping kan främja rekombinationen av minoritetsbärare. Dessutom har buffertskiktet också funktionen av Basal Plane Dislocation (BPD) omvandling, vilket har en betydande inverkan på kostnaden och är en mycket viktig enhetstillverkningsteknik.