Mi a lépésvezérelt epitaxiális növekedés?

A SiC tápegységek előkészítésének egyik alapvető technológiájaként a SiC epitaxiális növekedési technológiával előállított epitaxia minősége közvetlenül befolyásolja a SiC eszközök teljesítményét. Jelenleg a legáltalánosabb SiC epitaxiális növekedési technológia a kémiai gőzlerakódás (CVD).

A SiC-nek számos stabil kristálypolitípusa létezik. Ezért annak érdekében, hogy a kapott epitaxiális növekedési réteg örökölje a specifikus kristálypolitípustSiC hordozó, szükséges a szubsztrát háromdimenziós atomi elrendezési információinak átvitele az epitaxiális növekedési rétegbe, és ehhez néhány speciális módszerre van szükség. Hiroyuki Matsunami, a Kiotói Egyetem emeritus professzora és mások egy ilyen SiC epitaxiális növesztési technológiát javasoltak, amely megfelelő növekedési körülmények között kémiai gőzleválasztást (CVD) hajt végre a SiC szubsztrát alacsony indexű kristálysíkján, kis szögtől eltérő irányban. Ezt a technikai módszert lépésvezérelt epitaxiális növekedési módszernek is nevezik.

Az 1. ábra azt mutatja be, hogyan hajtható végre a SiC epitaxiális növekedés lépésenkénti epitaxiális növekedési módszerrel. A tiszta és szögtől eltérő SiC szubsztrátum felületét lépcsőzetes rétegekbe alakítjuk, és megkapjuk a molekuláris szintű lépcső- és táblázatszerkezetet. A nyersanyaggáz bevezetésekor a nyersanyag a SiC hordozó felületére kerül, és az asztalon mozgó nyersanyagot a lépések egymás után rögzítik. Amikor a befogott nyersanyag a kristály politípusának megfelelő elrendezést alkotSiC hordozóa megfelelő pozícióban az epitaxiális réteg sikeresen örökli a SiC szubsztrát specifikus kristálypolitípusát.

1. ábra: SiC szubsztrát epitaxiális növekedése eltolt szöggel (0001)

Természetesen problémák adódhatnak a lépésvezérelt epitaxiális növekedési technológiával. Ha a növekedési feltételek nem felelnek meg a megfelelő feltételeknek, a nyersanyagok magot képeznek és kristályokat generálnak az asztalon, nem pedig a lépcsőkön, ami különböző kristálypolitípusok növekedéséhez vezet, ami az ideális epitaxiális réteg növekedését okozza. Ha heterogén politípusok jelennek meg az epitaxiális rétegben, akkor a félvezető eszköz végzetes hibái maradhatnak. Ezért a lépésvezérelt epitaxiális növekedési technológiában az elhajlás mértékét úgy kell megtervezni, hogy a lépésszélesség elérje az ésszerű méretet. Ugyanakkor a szilícium-alapanyag és a C-alapanyag-koncentrációnak a nyersanyaggázban, a növekedési hőmérsékletnek és egyéb feltételeknek is meg kell felelniük a lépcsőkön történő elsőbbségi kristályképződés feltételeinek. Jelenleg a felület a fő4H típusú SiC hordozóa piacon 4°-os elhajlási szögű (0001) felületet mutat be, amely mind a lépésvezérelt epitaxiális növesztési technológia követelményeinek megfelel, mind pedig a boule-ból nyert ostyák számának növelésére.

A nagy tisztaságú hidrogént hordozóként használják a kémiai gőzleválasztásos módszerben a SiC epitaxiális növekedéséhez, és a Si-nyersanyagokat, például a SiH4-et és a C-nyersanyagokat, például a C3H8-at, a SiC szubsztrát felületére vezetik, amelynek szubsztrátum hőmérséklete mindig a megfelelő értéken van tartva. 1500-1600 ℃. 1500-1600°C hőmérsékleten, ha a berendezés belső falának hőmérséklete nem elég magas, az alapanyagok ellátási hatékonysága nem javul, ezért melegfalú reaktor alkalmazása szükséges. Sokféle SiC epitaxiális növesztő berendezés létezik, beleértve a függőleges, vízszintes, több lapátos és egy-ostyatípusok. A 2., 3. és 4. ábra három típusú SiC epitaxiális növesztő berendezés reaktorrészének gázáramlását és szubsztrát konfigurációját mutatja.

2. ábra Több chip forgása és fordulata

3. ábra Multi-chip fordulat

4. ábra Egy chip

Számos kulcsfontosságú szempontot figyelembe kell venni a SiC epitaxiális szubsztrátumok tömeggyártásának eléréséhez: az epitaxiális réteg vastagságának egyenletessége, az adalékkoncentráció egyenletessége, a por, a hozam, az alkatrészcsere gyakorisága és a karbantartás kényelme. Ezek közül az adalékkoncentráció egyenletessége közvetlenül befolyásolja az eszköz feszültségellenállás-eloszlását, így az ostya felületének, a tételnek és a tételnek az egyenletessége nagyon magas. Emellett a növekedési folyamat során a reaktorban és a kipufogórendszerben a komponensekhez kötődő reakciótermékek porforrássá válnak, és ezeknek a poroknak a kényelmes eltávolítása is fontos kutatási irány.

A SiC epitaxiális növekedése után nagy tisztaságú SiC egykristály réteget kapunk, amely felhasználható teljesítményeszközök gyártására. Ezenkívül az epitaxiális növekedés révén a szubsztrátumban meglévő alapsík-diszlokáció (BPD) a szubsztrát/sodródás réteg határfelületén menetes éldiszlokációvá (TED) is átalakítható (lásd 5. ábra). Amikor bipoláris áram folyik át rajta, a BPD halmozási hiba növekszik, ami az eszköz jellemzőinek romlását eredményezi, például megnövekszik a bekapcsolási ellenállás. A BPD TED-re való átalakítása után azonban az eszköz elektromos jellemzői nem változnak. Az epitaxiális növekedés jelentősen csökkentheti a bipoláris áram okozta eszközromlást.

5. ábra: SiC szubsztrát BPD epitaxiális növekedés előtt és után, valamint TED keresztmetszete konverzió után

A SiC epitaxiális növekedése során gyakran egy pufferréteget helyeznek be a sodródó réteg és a szubsztrát közé. A nagy koncentrációjú n-típusú adalékanyagot tartalmazó pufferréteg elősegítheti a kisebbségi hordozók rekombinációját. Ezen túlmenően a pufferrétegnek van alap síkbeli diszlokáció (BPD) konverziós funkciója is, amely jelentős költséghatással bír, és nagyon fontos eszközgyártási technológia.