2024-10-25
Sebagai salah satu teknologi teras untuk penyediaan peranti kuasa SiC, kualiti epitaksi yang ditanam oleh teknologi pertumbuhan epitaxial SiC akan secara langsung mempengaruhi prestasi peranti SiC. Pada masa ini, teknologi pertumbuhan epitaxial SiC yang paling arus perdana ialah pemendapan wap kimia (CVD).
Terdapat banyak politip kristal stabil SiC. Oleh itu, untuk membolehkan lapisan pertumbuhan epitaxial yang diperolehi untuk mewarisi polytype kristal tertentusubstrat SiC, adalah perlu untuk memindahkan maklumat susunan atom tiga dimensi substrat ke lapisan pertumbuhan epitaxial, dan ini memerlukan beberapa kaedah khas. Hiroyuki Matsunami, profesor emeritus Universiti Kyoto, dan yang lain mencadangkan teknologi pertumbuhan epitaxial SiC seperti itu, yang melakukan pemendapan wap kimia (CVD) pada satah kristal indeks rendah substrat SiC dalam arah luar sudut kecil di bawah keadaan pertumbuhan yang sesuai. Kaedah teknikal ini juga dipanggil kaedah pertumbuhan epitaxial terkawal langkah.
Rajah 1 menunjukkan cara melakukan pertumbuhan epitaxial SiC dengan kaedah pertumbuhan epitaxial terkawal langkah. Permukaan substrat SiC yang bersih dan luar sudut dibentuk menjadi lapisan langkah, dan struktur langkah dan jadual peringkat molekul diperolehi. Apabila gas bahan mentah diperkenalkan, bahan mentah dibekalkan ke permukaan substrat SiC, dan bahan mentah yang bergerak di atas meja ditangkap oleh langkah-langkah dalam urutan. Apabila bahan mentah yang ditangkap membentuk susunan yang konsisten dengan polytype kristalsubstrat SiCpada kedudukan yang sepadan, lapisan epitaxial berjaya mewarisi politip kristal khusus substrat SiC.
Rajah 1: Pertumbuhan epitaxial substrat SiC dengan sudut luar (0001)
Sudah tentu, mungkin terdapat masalah dengan teknologi pertumbuhan epitaxial terkawal langkah. Apabila keadaan pertumbuhan tidak memenuhi syarat yang sesuai, bahan mentah akan nukleus dan menghasilkan kristal di atas meja dan bukannya di tangga, yang akan membawa kepada pertumbuhan politip kristal yang berbeza, menyebabkan lapisan epitaxial yang ideal gagal berkembang. Jika politip heterogen muncul dalam lapisan epitaxial, peranti semikonduktor mungkin dibiarkan dengan kecacatan yang membawa maut. Oleh itu, dalam teknologi pertumbuhan epitaxial terkawal langkah, tahap pesongan mesti direka untuk menjadikan lebar langkah mencapai saiz yang munasabah. Pada masa yang sama, kepekatan bahan mentah Si dan bahan mentah C dalam gas bahan mentah, suhu pertumbuhan dan keadaan lain juga mesti memenuhi syarat untuk pembentukan keutamaan kristal pada tangga. Pada masa ini, permukaan utamaSubstrat SiC jenis 4Hdi pasaran membentangkan permukaan sudut pesongan 4° (0001), yang boleh memenuhi kedua-dua keperluan teknologi pertumbuhan epitaxial terkawal langkah dan meningkatkan bilangan wafer yang diperoleh daripada boule.
Hidrogen ketulenan tinggi digunakan sebagai pembawa dalam kaedah pemendapan wap kimia untuk pertumbuhan epitaxial SiC, dan bahan mentah Si seperti bahan mentah SiH4 dan C seperti C3H8 adalah input kepada permukaan substrat SiC yang suhu substratnya sentiasa dikekalkan pada 1500-1600 ℃. Pada suhu 1500-1600 ° C, jika suhu dinding dalaman peralatan tidak cukup tinggi, kecekapan bekalan bahan mentah tidak akan bertambah baik, jadi perlu menggunakan reaktor dinding panas. Terdapat banyak jenis peralatan pertumbuhan epitaxial SiC, termasuk menegak, mendatar, berbilang wafer dan satu-waferjenis. Rajah 2, 3 dan 4 menunjukkan aliran gas dan konfigurasi substrat bahagian reaktor bagi tiga jenis peralatan pertumbuhan epitaxial SiC.
Rajah 2 Putaran dan revolusi berbilang cip
Rajah 3 Revolusi berbilang cip
Rajah 4 Cip tunggal
Terdapat beberapa perkara penting yang perlu dipertimbangkan untuk mencapai pengeluaran besar-besaran substrat epitaxial SiC: keseragaman ketebalan lapisan epitaxial, keseragaman kepekatan doping, habuk, hasil, kekerapan penggantian komponen, dan kemudahan penyelenggaraan. Antaranya, keseragaman kepekatan doping secara langsung akan menjejaskan taburan rintangan voltan peranti, jadi keseragaman permukaan wafer, kelompok dan kelompok adalah sangat tinggi. Di samping itu, produk tindak balas yang melekat pada komponen dalam reaktor dan sistem ekzos semasa proses pertumbuhan akan menjadi sumber habuk, dan cara mudah mengeluarkan habuk ini juga merupakan hala tuju penyelidikan yang penting.
Selepas pertumbuhan epitaxial SiC, lapisan kristal tunggal SiC ketulenan tinggi yang boleh digunakan untuk mengeluarkan peranti kuasa diperolehi. Di samping itu, melalui pertumbuhan epitaxial, kehelan satah basal (BPD) yang wujud dalam substrat juga boleh ditukar menjadi kehelan tepi berbenang (TED) pada antara muka substrat/lapisan hanyut (lihat Rajah 5). Apabila arus bipolar mengalir melaluinya, BPD akan mengalami pengembangan sesar susun, mengakibatkan kemerosotan ciri peranti seperti peningkatan pada rintangan. Walau bagaimanapun, selepas BPD ditukar kepada TED, ciri elektrik peranti tidak akan terjejas. Pertumbuhan epitaxial boleh mengurangkan degradasi peranti yang disebabkan oleh arus bipolar dengan ketara.
Rajah 5: BPD substrat SiC sebelum dan selepas pertumbuhan epitaxial dan keratan rentas TED selepas penukaran
Dalam pertumbuhan epitaxial SiC, lapisan penampan sering dimasukkan di antara lapisan hanyut dan substrat. Lapisan penampan dengan kepekatan tinggi doping jenis-n boleh menggalakkan penggabungan semula pembawa minoriti. Selain itu, lapisan penampan juga mempunyai fungsi penukaran kehelan satah basal (BPD), yang mempunyai kesan yang besar terhadap kos dan merupakan teknologi pembuatan peranti yang sangat penting.