Kaj je postopno nadzorovana epitaksialna rast？

Kakovost epitaksije, pridobljene s tehnologijo epitaksialne rasti SiC, bo kot ena od ključnih tehnologij za pripravo močnostnih naprav SiC neposredno vplivala na delovanje naprav SiC. Trenutno je najbolj razširjena tehnologija epitaksialne rasti SiC kemično naparjevanje (CVD).

Obstaja veliko stabilnih kristalnih politipov SiC. Zato, da bi pridobljeni epitaksialni rastni sloj lahko podedoval specifični kristalni politipSiC substrat, je treba prenesti tridimenzionalne informacije o atomski razporeditvi substrata na epitaksialno rastno plast, kar zahteva nekaj posebnih metod. Hiroyuki Matsunami, zaslužni profesor Kjotske univerze, in drugi so predlagali takšno epitaksialno rastno tehnologijo SiC, ki izvaja kemično nanašanje iz pare (CVD) na kristalno ravnino substrata SiC z nizkim indeksom v majhni smeri stranskega kota pod ustreznimi rastnimi pogoji. Ta tehnična metoda se imenuje tudi stopenjsko nadzorovana epitaksialna rastna metoda.

Slika 1 prikazuje, kako izvesti epitaksialno rast SiC s postopno nadzorovano epitaksialno rastjo. Površina čistega substrata SiC pod kotom se oblikuje v plasti stopnic, tako da se pridobi stopničasta in mizna struktura na molekularni ravni. Ko se uvede plin iz surovine, se surovina dovaja na površino SiC substrata, surovina, ki se premika po mizi, pa se zajame z zaporednimi koraki. Ko zajeta surovina tvori razporeditev, skladno s kristalnim politipomSiC substratna ustreznem položaju epitaksialna plast uspešno podeduje specifični kristalni politip substrata SiC.

Slika 1: Epitaksialna rast substrata SiC z zamaknjenim kotom (0001)

Seveda lahko pride do težav s tehnologijo postopno nadzorovane epitaksialne rasti. Ko pogoji rasti ne izpolnjujejo ustreznih pogojev, bodo surovine nukleirale in ustvarile kristale na mizi in ne na stopnicah, kar bo vodilo do rasti različnih kristalnih politipov, kar bo povzročilo nezmožnost rasti idealne epitaksialne plasti. Če se v epitaksialni plasti pojavijo heterogeni politipi, lahko polprevodniška naprava ostane s smrtnimi napakami. Zato mora biti stopenjsko nadzorovana tehnologija epitaksialne rasti stopnja upogiba zasnovana tako, da širina koraka doseže razumno velikost. Hkrati morajo koncentracija surovin Si in surovin C v plinu surovine, temperatura rasti in drugi pogoji izpolnjevati tudi pogoje za prednostno tvorbo kristalov na stopnicah. Trenutno je površina glavnegaSiC substrat tipa 4Hna trgu predstavlja površino s kotom odklona 4° (0001), ki lahko izpolni tako zahteve postopno nadzorovane tehnologije epitaksialne rasti kot povečanja števila rezin, pridobljenih iz bule.

Vodik visoke čistosti se uporablja kot nosilec v metodi kemičnega naparjevanja za epitaksialno rast SiC, surovine Si, kot je SiH4 in surovine C, kot je C3H8, pa se vnesejo na površino substrata SiC, katerega temperatura substrata se vedno vzdržuje pri 1500-1600 ℃. Pri temperaturi 1500-1600 °C, če temperatura notranje stene opreme ni dovolj visoka, učinkovitost dobave surovin ne bo izboljšana, zato je treba uporabiti reaktor z vročo steno. Obstaja veliko vrst opreme za epitaksialno rast SiC, vključno z navpično, vodoravno, multi-wafer in enojnooblatvrste. Slike 2, 3 in 4 prikazujejo pretok plina in konfiguracijo substrata reaktorskega dela treh vrst opreme za epitaksialno rast SiC.

Slika 2 Vrtenje in vrtenje več čipov

Slika 3 Revolucija z več čipi

Slika 4 En sam čip

Da bi dosegli množično proizvodnjo epitaksialnih substratov SiC, je treba upoštevati več ključnih točk: enakomernost debeline epitaksialne plasti, enakomernost koncentracije dopinga, prah, izkoristek, pogostost zamenjave komponent in priročnost vzdrževanja. Med njimi bo enakomernost koncentracije dopinga neposredno vplivala na porazdelitev napetostnega upora naprave, zato je enakomernost površine rezin, serije in serije zelo visoka. Poleg tega bodo reakcijski produkti, pritrjeni na komponente v reaktorju in izpušnem sistemu med procesom rasti, postali vir prahu, pomembna raziskovalna usmeritev pa je tudi, kako priročno odstraniti ta prah.

Po epitaksialni rasti SiC dobimo enokristalno plast SiC visoke čistosti, ki se lahko uporablja za izdelavo napajalnih naprav. Poleg tega se lahko z epitaksialno rastjo dislokacija bazalne ravnine (BPD), ki obstaja v substratu, pretvori tudi v dislokacijo navojnega roba (TED) na vmesniku substrat/nanosna plast (glej sliko 5). Ko skozenj teče bipolarni tok, bo BPD podvržen razširitvi napake zlaganja, kar bo povzročilo poslabšanje značilnosti naprave, kot je povečan upor pri vklopu. Ko pa se BPD pretvori v TED, to ne bo vplivalo na električne lastnosti naprave. Epitaksialna rast lahko bistveno zmanjša degradacijo naprave, ki jo povzroči bipolarni tok.

Slika 5: BPD substrata SiC pred in po epitaksialni rasti ter presek TED po pretvorbi

Pri epitaksialni rasti SiC je med nanosno plastjo in substratom pogosto vstavljen vmesni sloj. Puferski sloj z visoko koncentracijo dopinga n-tipa lahko spodbuja rekombinacijo manjšinskih nosilcev. Poleg tega ima vmesni sloj tudi funkcijo pretvorbe dislokacije v bazalni ravnini (BPD), kar ima precejšen vpliv na stroške in je zelo pomembna tehnologija izdelave naprave.