Cos'è la crescita epitassiale controllata a gradini?

Essendo una delle tecnologie principali per la preparazione dei dispositivi di potenza SiC, la qualità dell'epitassia cresciuta mediante la tecnologia di crescita epitassiale SiC influenzerà direttamente le prestazioni dei dispositivi SiC. Al momento, la tecnologia di crescita epitassiale SiC più diffusa è la deposizione chimica da fase vapore (CVD).

Esistono molti politipi cristallini stabili di SiC. Pertanto, al fine di consentire allo strato di crescita epitassiale ottenuto di ereditare il politipo cristallino specifico diSubstrato SiC, è necessario trasferire le informazioni sulla disposizione atomica tridimensionale del substrato allo strato di crescita epitassiale e ciò richiede alcuni metodi speciali. Hiroyuki Matsunami, professore emerito dell'Università di Kyoto, e altri hanno proposto una tecnologia di crescita epitassiale del SiC, che esegue la deposizione chimica da fase vapore (CVD) sul piano cristallino a basso indice del substrato SiC in una piccola direzione fuori angolo in condizioni di crescita appropriate. Questo metodo tecnico è anche chiamato metodo di crescita epitassiale controllata a gradini.

La Figura 1 mostra come eseguire la crescita epitassiale SiC mediante il metodo di crescita epitassiale controllato a gradini. La superficie di un substrato SiC pulito e disangolato viene formata in strati di passaggi e si ottiene la struttura del passaggio e della tabella a livello molecolare. Quando viene introdotto il gas della materia prima, la materia prima viene fornita alla superficie del substrato SiC e la materia prima che si muove sul tavolo viene catturata attraverso le fasi in sequenza. Quando la materia prima catturata forma una disposizione coerente con il politipo cristallino delSubstrato SiCnella posizione corrispondente, lo strato epitassiale eredita con successo il politipo cristallino specifico del substrato SiC.

Figura 1: crescita epitassiale del substrato SiC con angolo fuori angolo (0001)

Naturalmente, potrebbero esserci problemi con la tecnologia di crescita epitassiale controllata a gradini. Quando le condizioni di crescita non soddisfano le condizioni appropriate, le materie prime nucleano e genereranno cristalli sul tavolo anziché sui gradini, il che porterà alla crescita di diversi politipi cristallini, causando la mancata crescita dello strato epitassiale ideale. Se nello strato epitassiale compaiono politipi eterogenei, il dispositivo a semiconduttore può presentare difetti fatali. Pertanto, nella tecnologia di crescita epitassiale controllata a gradini, il grado di deflessione deve essere progettato per far sì che la larghezza del gradino raggiunga dimensioni ragionevoli. Allo stesso tempo, anche la concentrazione delle materie prime Si e delle materie prime C nel gas della materia prima, la temperatura di crescita e altre condizioni devono soddisfare le condizioni per la formazione prioritaria di cristalli sui passaggi. Allo stato attuale, la superficie del principaleSubstrato SiC di tipo 4Hsul mercato presenta una superficie con angolo di deflessione di 4° (0001), in grado di soddisfare sia i requisiti della tecnologia di crescita epitassiale a gradini sia di aumentare il numero di wafer ottenuti dalla boule.

L'idrogeno ad elevata purezza viene utilizzato come vettore nel metodo di deposizione chimica in fase vapore per la crescita epitassiale del SiC e le materie prime Si come SiH4 e le materie prime C come C3H8 vengono immesse sulla superficie del substrato SiC la cui temperatura del substrato è sempre mantenuta a 1500-1600 ℃. Ad una temperatura di 1500-1600°C, se la temperatura della parete interna dell'apparecchiatura non è sufficientemente elevata, l'efficienza di approvvigionamento delle materie prime non sarà migliorata, quindi è necessario utilizzare un reattore a pareti calde. Esistono molti tipi di apparecchiature per la crescita epitassiale SiC, tra cui verticale, orizzontale, multi-wafer e single-wafertipi. Le figure 2, 3 e 4 mostrano il flusso di gas e la configurazione del substrato della parte del reattore di tre tipi di apparecchiature di crescita epitassiale SiC.

Figura 2 Rotazione e rivoluzione multi-chip

Figura 3 Rivoluzione multi-chip

Figura 4 Chip singolo

Ci sono diversi punti chiave da considerare per ottenere una produzione di massa di substrati epitassiali SiC: uniformità dello spessore dello strato epitassiale, uniformità della concentrazione del drogante, polvere, resa, frequenza di sostituzione dei componenti e comodità di manutenzione. Tra questi, l'uniformità della concentrazione del drogante influenzerà direttamente la distribuzione della resistenza alla tensione del dispositivo, quindi l'uniformità della superficie del wafer, del lotto e del lotto è molto elevata. Inoltre, i prodotti di reazione attaccati ai componenti del reattore e del sistema di scarico durante il processo di crescita diventeranno una fonte di polvere e anche il modo in cui rimuovere adeguatamente queste polveri è un'importante direzione di ricerca.

Dopo la crescita epitassiale di SiC, si ottiene uno strato monocristallino di SiC di elevata purezza che può essere utilizzato per produrre dispositivi di potenza. Inoltre, attraverso la crescita epitassiale, la dislocazione del piano basale (BPD) esistente nel substrato può anche essere convertita in una dislocazione del bordo filettato (TED) all'interfaccia substrato/strato di deriva (vedere Figura 5). Quando scorre una corrente bipolare, il BPD subirà un'espansione dei guasti di accumulo, con conseguente degrado delle caratteristiche del dispositivo come una maggiore resistenza di conduzione. Tuttavia, dopo la conversione del BPD in TED, le caratteristiche elettriche del dispositivo non verranno influenzate. La crescita epitassiale può ridurre significativamente il degrado del dispositivo causato dalla corrente bipolare.

Figura 5: BPD del substrato SiC prima e dopo la crescita epitassiale e sezione trasversale TED dopo la conversione

Nella crescita epitassiale del SiC, uno strato tampone viene spesso inserito tra lo strato di deriva e il substrato. Lo strato tampone con un'elevata concentrazione di drogaggio di tipo n può favorire la ricombinazione dei portatori minoritari. Inoltre, lo strato tampone ha anche la funzione di conversione della dislocazione del piano basale (BPD), che ha un impatto considerevole sui costi ed è una tecnologia di produzione dei dispositivi molto importante.