SiC epitaksiaalse kasvuprotsessi põhisissejuhatus

Epitaksiaalkiht on spetsiifiline monokristallkile, mis kasvatatakse vahvlile ep·itaksiaalse protsessiga, ning substraatvahvlit ja epitaksiaalset kilet nimetatakse epitaksiaalvahvliks. Kasvatades ränikarbiidi epitaksiaalset kihti juhtivale ränikarbiidi substraadile, saab ränikarbiidi homogeenset epitaksiaalset vahvlit edasi valmistada Schottky dioodideks, MOSFET-ideks, IGBT-deks ja muudeks toiteseadmeteks, mille hulgas on kõige sagedamini kasutatav 4H-SiC substraat.

Ränikarbiidi jõuseadme ja traditsioonilise räni jõuseadme erineva tootmisprotsessi tõttu ei saa seda ränikarbiidi monokristallmaterjalist otse valmistada. Juhtivale monokristallsubstraadile tuleb kasvatada täiendavaid kvaliteetseid epitaksiaalseid materjale ning valmistada epitaksiaalsele kihile erinevaid seadmeid. Seetõttu on epitaksiaalse kihi kvaliteedil suur mõju seadme jõudlusele. Erinevate jõuseadmete jõudluse parandamine seab kõrgemad nõuded ka epitaksiaalse kihi paksusele, dopingu kontsentratsioonile ja defektidele.

joonisel fig. 1. Seos dopingu kontsentratsiooni ja unipolaarse seadme epitaksiaalse kihi paksuse ning blokeerimispinge vahel

SIC epitaksiaalse kihi valmistamismeetodid hõlmavad peamiselt aurustuskasvu meetodit, vedelfaasi epitaksiaalset kasvu (LPE), molekulaarkiirega epitaksiaalset kasvu (MBE) ja keemilist aurustamise sadestamist (CVD). Praegu on keemiline aurustamine-sadestamine (CVD) peamine meetod, mida kasutatakse tehastes suuremahuliseks tootmiseks.

joonisel fig. 2. Epitaksiaalse kihi peamiste valmistamismeetodite võrdlus

Teatud kaldenurgaga teljevälisel {0001} substraadil, nagu on näidatud joonisel 2(b), on astmepinna tihedus suurem ja astmepinna suurus väiksem ning kristallide tuuma teket pole lihtne esinevad astme pinnal, kuid sagedamini astme ühinemispunktis. Sel juhul on ainult üks tuumavõti. Seetõttu suudab epitaksiaalne kiht täiuslikult korrata substraadi virnastamisjärjekorda, kõrvaldades seega mitmetüübilise kooseksisteerimise probleemi.

joonisel fig. 3. 4H-SiC astmelise kontrolli epitaksia meetodi füüsikaline protsessiskeem

joonisel fig. 4. CVD kasvu kriitilised tingimused 4H-SiC astmeliselt juhitud epitaksikameetodil

joonisel fig. 5. Erinevate räniallikate kasvukiiruste võrdlus 4H-SiC epitaksis

Praegu on ränikarbiidi epitaksitehnoloogia madal- ja keskpingerakendustes (nt 1200-voldised seadmed) suhteliselt küps. Epitaksiaalse kihi paksuse ühtlus, dopingu kontsentratsiooni ühtlus ja defektide jaotus võivad jõuda suhteliselt hea tasemeni, mis võib põhimõtteliselt rahuldada kesk- ja madalpinge SBD (Schottky diood), MOS (metalloksiid-pooljuhtväljatransistor), JBS ( ühendusdiood) ja muud seadmed.

Kõrgsurve valdkonnas peavad epitaksiaalplaadid siiski ületama palju väljakutseid. Näiteks seadmete puhul, mis peavad taluma 10 000 volti, peab epitaksiaalse kihi paksus olema umbes 100 μm. Võrreldes madalpingeseadmetega on epitaksiaalse kihi paksus ja dopingu kontsentratsiooni ühtlus palju erinev, eriti dopingu kontsentratsiooni ühtlus. Samal ajal hävitab epitaksiaalse kihi kolmnurga defekt ka seadme üldise jõudluse. Kõrgepingerakendustes kipuvad seadmetüübid kasutama bipolaarseid seadmeid, mis nõuavad epitaksiaalses kihis suurt vähemuse eluiga, seega tuleb protsessi optimeerida, et vähemuse eluiga pikendada.

Praegu on kodumaine epitaksia peamiselt 4 tolli ja 6 tolli ning suurte ränikarbiidi epitaksia osakaal suureneb aasta-aastalt. Ränikarbiidi epitaksiaalse lehe suurust piirab peamiselt ränikarbiidi substraadi suurus. Praegu on 6-tolline ränikarbiidi substraat turustatud, nii et ränikarbiidi epitaksiaal läheb järk-järgult üle 4 tollilt 6 tollile. Ränikarbiidi substraadi ettevalmistamise tehnoloogia pideva täiustamise ja võimsuse suurendamisega väheneb ränikarbiidi substraadi hind järk-järgult. Epitaksiaallehe hinna koosseisus moodustab substraat üle 50% maksumusest, seega koos substraadi hinna langusega on oodata ka ränikarbiidi epitaksiaallehe hinna langust.