2024-10-25
Yksi piikarbidin teholaitteiden valmistuksen ydinteknologioista piikarbidin epitaksiaalisen kasvuteknologian avulla kasvatetun epitaksin laatu vaikuttaa suoraan piikarbidilaitteiden suorituskykyyn. Tällä hetkellä yleisin piikarbidin epitaksiaalinen kasvutekniikka on kemiallinen höyrypinnoitus (CVD).
SiC:llä on monia stabiileja kidepolytyyppejä. Siksi, jotta saatu epitaksiaalinen kasvukerros voisi periä spesifisen kidepolytyypinSiC-substraatti, on tarpeen siirtää substraatin kolmiulotteinen atomijärjestystieto epitaksiaaliseen kasvukerrokseen, ja tämä vaatii joitain erikoismenetelmiä. Kioton yliopiston emeritusprofessori Hiroyuki Matsunami ja muut ehdottivat sellaista SiC epitaksiaalista kasvuteknologiaa, joka suorittaa kemiallisen höyrykerrostuksen (CVD) SiC-substraatin matalaindeksikidetasolle pienessä kulman suunnassa sopivissa kasvuolosuhteissa. Tätä teknistä menetelmää kutsutaan myös vaiheohjatuksi epitaksiaaliseksi kasvumenetelmäksi.
Kuva 1 näyttää kuinka SiC:n epitaksiaalinen kasvu suoritetaan vaiheohjatulla epitaksiaalisella kasvumenetelmällä. Puhtaan ja kulmasta poikkeavan SiC-substraatin pinta muodostetaan porraskerroksiksi ja saadaan molekyylitason porras- ja pöytärakenne. Kun raaka-ainekaasu syötetään, raaka-aine syötetään SiC-substraatin pinnalle ja pöydällä liikkuva raaka-aine vangitaan vaiheittain peräkkäin. Kun siepattu raaka-aine muodostaa järjestelyn, joka on yhdenmukainen kidepolytyypin kanssaSiC-substraattivastaavassa paikassa epitaksiaalinen kerros onnistuneesti perii SiC-substraatin spesifisen kidepolytyypin.
Kuva 1: SiC-substraatin epitaksiaalinen kasvu poikkeavalla kulmalla (0001)
Tietenkin vaiheohjatussa epitaksiaalisessa kasvuteknologiassa voi olla ongelmia. Kun kasvatusolosuhteet eivät täytä asianmukaisia olosuhteita, raaka-aineet ydintyvät ja muodostavat kiteitä pöydälle eikä portaille, mikä johtaa erilaisten kidepolytyyppien kasvuun, jolloin ihanteellinen epitaksiaalinen kerros ei kasva. Jos epitaksiaalisessa kerroksessa esiintyy heterogeenisiä polytyyppejä, puolijohdelaitteeseen voi jäädä kohtalokkaita vikoja. Siksi porrasohjatussa epitaksiaalisessa kasvuteknologiassa taipumaaste on suunniteltava siten, että askelleveys saavuttaa kohtuullisen koon. Samanaikaisesti Si-raaka-aineiden ja C-raaka-aineiden pitoisuuden raaka-ainekaasussa, kasvulämpötilan ja muiden olosuhteiden on täytettävä myös edellytykset kiteiden muodostumiselle porrasille. Tällä hetkellä pinta tärkein4H-tyyppinen SiC-substraattimarkkinoilla on 4° poikkeutuskulma (0001) pinta, joka voi täyttää sekä porrasohjatun epitaksiaalisen kasvuteknologian vaatimukset että kasvattaa petankista saatavien kiekkojen määrää.
Erittäin puhdasta vetyä käytetään kantajana kemiallisessa höyrypinnoitusmenetelmässä piikarbidin epitaksiaalista kasvua varten, ja Si-raaka-aineet, kuten SiH4 ja C-raaka-aineet, kuten C3H8, syötetään SiC-substraatin pintaan, jonka alustan lämpötila pidetään aina 1500-1600 ℃. 1500-1600°C lämpötilassa, jos laitteiston sisäseinän lämpötila ei ole riittävän korkea, raaka-aineiden syöttötehokkuus ei parane, joten kuumaseinäreaktorin käyttö on välttämätöntä. On olemassa monenlaisia piikarbidin epitaksiaalisia kasvatuslaitteita, mukaan lukien pysty-, vaaka-, monikiekko- ja yksilevyisetvohvelityyppejä. Kuvat 2, 3 ja 4 esittävät kolmen tyyppisen SiC-epitaksiaalisen kasvatuslaitteiston reaktoriosan kaasuvirtausta ja substraattikonfiguraatiota.
Kuva 2 Monisirun pyöriminen ja kierros
Kuva 3 Multi-chip kierros
Kuva 4 Yksisiru
On olemassa useita keskeisiä kohtia, jotka on otettava huomioon SiC-epitaksiaalisten substraattien massatuotannon saavuttamiseksi: epitaksikerroksen paksuuden tasaisuus, seostuspitoisuuden tasaisuus, pöly, saanto, komponenttien vaihtotiheys ja huollon mukavuus. Niiden joukossa dopingpitoisuuden tasaisuus vaikuttaa suoraan laitteen jännitevastusjakaumaan, joten kiekon pinnan, erän ja erän tasaisuus on erittäin korkea. Lisäksi reaktorin ja pakojärjestelmän komponentteihin kasvuprosessin aikana kiinnittyneet reaktiotuotteet muodostuvat pölyn lähteeksi, ja näiden pölyjen kätevä poistaminen on myös tärkeä tutkimussuunta.
SiC epitaksiaalisen kasvun jälkeen saadaan erittäin puhdas SiC yksikidekerros, jota voidaan käyttää teholaitteiden valmistukseen. Lisäksi substraatissa oleva perustason dislokaatio (BPD) voidaan epitaksiaalisen kasvun avulla myös muuntaa kierteitysreunan dislokaatioksi (TED) substraatti/drift-kerroksen rajapinnassa (katso kuva 5). Kun kaksinapainen virta kulkee läpi, BPD käy läpi pinoamisvian laajenemisen, mikä johtaa laitteen ominaisuuksien heikkenemiseen, kuten lisääntyneeseen päällekytkentäresistanssiin. Sen jälkeen kun BPD on muunnettu TED:ksi, laitteen sähköiset ominaisuudet eivät kuitenkaan muutu. Epitaksiaalinen kasvu voi vähentää merkittävästi kaksinapaisen virran aiheuttamaa laitteen heikkenemistä.
Kuva 5: SiC-substraatin BPD ennen ja jälkeen epitaksiaalisen kasvun ja TED-poikkileikkauksen muuntamisen jälkeen
SiC:n epitaksiaalisessa kasvussa puskurikerros asetetaan usein drift-kerroksen ja substraatin väliin. Puskurikerros, jossa on korkea n-tyypin seostuspitoisuus, voi edistää vähemmistökantaja-aineiden rekombinaatiota. Lisäksi puskurikerroksella on myös Basal Plan Dislocation (BPD) -muunnos, jolla on huomattava vaikutus kustannuksiin ja joka on erittäin tärkeä laitevalmistustekniikka.