Основи процесу епітаксіального росту SiC

Епітаксійний шар — це специфічна монокристалічна плівка, вирощена на пластині за допомогою епітаксійного процесу, а пластина підкладки та епітаксіальна плівка називаються епітаксійною пластиною.Вирощуючи епітаксіальний шар карбіду кремнію на провідній підкладці з карбіду кремнію, гомогенну епітаксіальну пластину з карбіду кремнію можна додатково підготувати до діодів Шотткі, MOSFET, IGBT та інших силових пристроїв, серед яких підкладка 4H-SiC є найбільш поширеною.

Через різний процес виробництва силового пристрою з карбіду кремнію та традиційного силового пристрою з кремнію, його неможливо виготовити безпосередньо на монокристалічному матеріалі з карбіду кремнію.На провідній монокристалічній підкладці необхідно вирощувати додаткові високоякісні епітаксіальні матеріали, а на епітаксіальному шарі виготовляти різні пристрої.Таким чином, якість епітаксійного шару має великий вплив на продуктивність пристрою.Поліпшення характеристик різних енергетичних пристроїв також висуває підвищені вимоги до товщини епітаксійного шару, концентрації легування та дефектів.

ФІГ.1. Зв’язок між концентрацією легування та товщиною епітаксійного шару уніполярного пристрою та напругою блокування

Методи підготовки SIC епітаксійного шару в основному включають метод випаровування, епітаксійне зростання рідкої фази (LPE), епітаксійне зростання молекулярного променя (MBE) і хімічне осадження з парової фази (CVD).В даний час хімічне осадження з парової фази (CVD) є основним методом, який використовується для великомасштабного виробництва на заводах.

ФІГ.2. Порівняння основних методів підготовки епітаксійного шару

На позаосьовій підкладці {0001} з певним кутом нахилу, як показано на малюнку 2(b), щільність поверхні сходинки більша, а розмір поверхні сходинки менший, і зародження кристала нелегко визначити. виникають на поверхні сходинки, але частіше виникають у місці злиття сходинки.У цьому випадку є тільки один ключ зародження.Таким чином, епітаксіальний шар може ідеально відтворювати порядок укладання підкладки, таким чином усуваючи проблему співіснування кількох типів.

ФІГ.3. Фізична технологічна схема методу епітаксії 4H-SiC

ФІГ.4. Критичні умови для росту CVD методом поетапної епітаксії 4H-SiC

ФІГ.5. Порівняння швидкості росту під різними джерелами кремнію в епітаксії 4H-SiC

В даний час технологія епітаксії карбіду кремнію є відносно зрілою для застосувань низької та середньої напруги (таких як пристрої на 1200 вольт).Однорідність товщини, однорідність концентрації легування та розподіл дефектів епітаксіального шару можуть досягати відносно хорошого рівня, який може в основному задовольнити потреби середньої та низької напруги SBD (діод Шотткі), MOS (металооксидний напівпровідниковий польовий транзистор), JBS ( переходовий діод) та інші пристрої.

Однак у сфері високого тиску епітаксіальним пластинам ще потрібно подолати багато проблем.Наприклад, для пристроїв, які повинні витримувати напругу 10 000 вольт, товщина епітаксійного шару повинна бути близько 100 мкм.У порівнянні з низьковольтними пристроями товщина епітаксійного шару та однорідність концентрації легування значно відрізняються, особливо однорідність концентрації легування.У той же час дефект трикутника в епітаксіальному шарі також погіршить загальну продуктивність пристрою.У високовольтних додатках типи пристроїв, як правило, використовують біполярні пристрої, які вимагають високого терміну служби неосновної частини в епітаксіальному шарі, тому процес потрібно оптимізувати для покращення тривалості служби меншої частини.

В даний час вітчизняна епітаксія в основному становить 4 і 6 дюймів, і частка великорозмірної епітаксії з карбіду кремнію зростає з кожним роком.Розмір епітаксіального листа карбіду кремнію в основному обмежений розміром підкладки з карбіду кремнію.В даний час 6-дюймова підкладка з карбіду кремнію була комерційною, тому епітаксіальний карбід кремнію поступово переходить від 4 дюймів до 6 дюймів.З постійним удосконаленням технології підготовки підкладки з карбіду кремнію та розширенням потужностей ціна підкладки з карбіду кремнію поступово знижується.У складі ціни епітаксіального листа на підкладку припадає більше 50% вартості, тому зі зниженням ціни підкладки очікується також зниження ціни на епітаксіальний лист карбіду кремнію.