Hvad er trinstyret epitaksial vækst?

Som en af ​​kerneteknologierne til fremstilling af SiC-kraftenheder vil kvaliteten af ​​epitaksi dyrket af SiC epitaksial vækstteknologi direkte påvirke ydeevnen af ​​SiC-enheder. På nuværende tidspunkt er den mest almindelige SiC epitaksiale vækstteknologi kemisk dampaflejring (CVD).

Der er mange stabile krystalpolytyper af SiC. Derfor, for at gøre det muligt for det opnåede epitaksiale vækstlag at arve den specifikke krystalpolytype afSiC substrat, er det nødvendigt at overføre den tredimensionelle atomarrangementinformation af substratet til det epitaksiale vækstlag, og dette kræver nogle specielle metoder. Hiroyuki Matsunami, professor emeritus fra Kyoto University, og andre foreslog en sådan SiC epitaksial vækstteknologi, som udfører kemisk dampaflejring (CVD) på lavindekskrystalplanet af SiC-substratet i en lille off-vinkel retning under passende vækstbetingelser. Denne tekniske metode kaldes også trinstyret epitaksial vækstmetode.

Figur 1 viser, hvordan man udfører SiC epitaksial vækst ved trinstyret epitaksial vækstmetode. Overfladen af ​​et rent SiC-substrat, der ikke er vinklet, dannes i lag af trin, og trin- og bordstrukturen på molekylært niveau opnås. Når råvaregassen indføres, tilføres råmaterialet til overfladen af ​​SiC-substratet, og råmaterialet, der bevæger sig på bordet, fanges af trinene i rækkefølge. Når det opfangede råmateriale danner et arrangement i overensstemmelse med krystalpolytypen afSiC substrati den tilsvarende position arver det epitaksiale lag med succes den specifikke krystalpolytype af SiC-substratet.

Figur 1: Epitaksial vækst af SiC-substrat med en off-vinkel (0001)

Selvfølgelig kan der være problemer med trinstyret epitaksial vækstteknologi. Når vækstbetingelserne ikke opfylder de passende betingelser, vil råmaterialerne danne kerne og generere krystaller på bordet i stedet for på trinene, hvilket vil føre til væksten af ​​forskellige krystalpolytyper, hvilket får det ideelle epitaksiale lag til ikke at vokse. Hvis heterogene polytyper optræder i det epitaksiale lag, kan halvlederanordningen efterlades med fatale defekter. Derfor skal graden af ​​afbøjning i den trinstyrede epitaksiale vækstteknologi designes, så trinbredden når en rimelig størrelse. Samtidig skal koncentrationen af ​​Si-råstoffer og C-råstoffer i råvaregassen, væksttemperaturen og andre forhold også opfylde betingelserne for den prioriterede dannelse af krystaller på trinene. På nuværende tidspunkt er overfladen af ​​de vigtigste4H-type SiC-substratpå markedet præsenterer en 4° afbøjningsvinkel (0001) overflade, som kan opfylde både kravene til trinstyret epitaksial vækstteknologi og øge antallet af wafers opnået fra boulen.

Højrent brint bruges som bærer i den kemiske dampaflejringsmetode til SiC epitaksial vækst, og Si-råmaterialer såsom SiH4 og C-råmaterialer såsom C3H8 tilføres overfladen af ​​SiC-substratet, hvis substrattemperatur altid holdes på 1500-1600 ℃. Ved en temperatur på 1500-1600°C, hvis temperaturen på udstyrets indre væg ikke er høj nok, vil råmaterialernes forsyningseffektivitet ikke blive forbedret, så det er nødvendigt at bruge en varmvægsreaktor. Der er mange typer SiC epitaksialt vækstudstyr, herunder lodret, vandret, multi-wafer og enkelt-oblattyper. Figur 2, 3 og 4 viser gasstrømmen og substratkonfigurationen af ​​reaktordelen af ​​tre typer SiC epitaksialvækstudstyr.

Figur 2 Multi-chip rotation og omdrejning

Figur 3 Multi-chip omdrejning

Figur 4 Enkelt chip

Der er flere nøglepunkter at overveje for at opnå masseproduktion af SiC epitaksiale substrater: ensartet epitaksial lagtykkelse, ensartet dopingkoncentration, støv, udbytte, hyppighed af komponentudskiftning og bekvemmelighed ved vedligeholdelse. Blandt dem vil ensartetheden af ​​dopingkoncentrationen direkte påvirke enhedens spændingsmodstandsfordeling, så ensartetheden af ​​waferoverfladen, batchen og batchen er meget høj. Derudover vil reaktionsprodukterne knyttet til komponenterne i reaktoren og udstødningssystemet under vækstprocessen blive en støvkilde, og hvordan man bekvemt fjerner disse støv er også en vigtig forskningsretning.

Efter SiC epitaksial vækst opnås et højrent SiC-enkeltkrystallag, der kan bruges til at fremstille strømenheder. Derudover kan den basale plane dislokation (BPD), der eksisterer i substratet, gennem epitaksial vækst også konverteres til en threading edge dislokation (TED) ved grænsefladen mellem substrat og driftlag (se figur 5). Når en bipolær strøm løber igennem, vil BPD gennemgå stablingsfejludvidelse, hvilket resulterer i forringelse af enhedens karakteristika, såsom øget on-modstand. Men efter at BPD er konverteret til TED, vil enhedens elektriske egenskaber ikke blive påvirket. Epitaksial vækst kan betydeligt reducere enhedsnedbrydningen forårsaget af bipolær strøm.

Figur 5: BPD af SiC-substrat før og efter epitaksial vækst og TED-tværsnit efter konvertering

I den epitaksiale vækst af SiC indsættes ofte et bufferlag mellem driftlaget og substratet. Bufferlaget med høj koncentration af n-type doping kan fremme rekombinationen af ​​minoritetsbærere. Derudover har bufferlaget også funktionen af ​​basal plan dislokation (BPD) konvertering, hvilket har en betydelig indvirkning på omkostningerne og er en meget vigtig enhedsfremstillingsteknologi.