L'introduzione di base del processo di crescita epitassiale SiC

Lo strato epitassiale è una specifica pellicola monocristallina cresciuta sul wafer mediante processo epitassiale, mentre il wafer del substrato e la pellicola epitassiale sono chiamati wafer epitassiale. Facendo crescere lo strato epitassiale di carburo di silicio sul substrato conduttivo di carburo di silicio, il wafer epitassiale omogeneo di carburo di silicio può essere ulteriormente preparato in diodi Schottky, MOSFET, IGBT e altri dispositivi di potenza, tra cui il substrato 4H-SiC è il più comunemente utilizzato.

A causa del diverso processo di produzione del dispositivo di potenza al carburo di silicio e del dispositivo di potenza al silicio tradizionale, non può essere fabbricato direttamente su materiale monocristallino di carburo di silicio. Ulteriori materiali epitassiali di alta qualità devono essere coltivati ​​sul substrato conduttivo a cristallo singolo e vari dispositivi devono essere fabbricati sullo strato epitassiale. Pertanto, la qualità dello strato epitassiale ha una grande influenza sulle prestazioni del dispositivo. Il miglioramento delle prestazioni dei diversi dispositivi di potenza impone inoltre requisiti più elevati in termini di spessore dello strato epitassiale, concentrazione di drogaggio e difetti.

FICO. 1. Relazione tra concentrazione di drogaggio e spessore dello strato epitassiale del dispositivo unipolare e tensione di blocco

I metodi di preparazione dello strato epitassiale SIC includono principalmente il metodo di crescita per evaporazione, crescita epitassiale in fase liquida (LPE), crescita epitassiale a fascio molecolare (MBE) e deposizione chimica da fase vapore (CVD). Attualmente, la deposizione chimica in fase vapore (CVD) è il metodo principale utilizzato per la produzione su larga scala nelle fabbriche.

FICO. 2. Confronto tra le principali modalità di preparazione dello strato epitassiale

Sul substrato fuori asse {0001} con un certo angolo di inclinazione, come mostrato nella Figura 2(b), la densità della superficie del gradino è maggiore e la dimensione della superficie del gradino è minore e la nucleazione dei cristalli non è facile da si verificano sulla superficie del gradino, ma più spesso si verificano nel punto di fusione del gradino. In questo caso esiste una sola chiave di nucleazione. Pertanto, lo strato epitassiale può replicare perfettamente l'ordine di impilamento del substrato, eliminando così il problema della coesistenza di più tipi.

FICO. 3. Diagramma del processo fisico del metodo epitassia con controllo a fasi 4H-SiC

FICO. 4. Condizioni critiche per la crescita CVD mediante il metodo epitassia controllato a gradini 4H-SiC

FICO. 5. Confronto dei tassi di crescita sotto diverse fonti di silicio nell'epitassia 4H-SiC

Allo stato attuale, la tecnologia dell'epitassia al carburo di silicio è relativamente matura nelle applicazioni a bassa e media tensione (come i dispositivi a 1200 volt). L'uniformità dello spessore, l'uniformità della concentrazione del drogaggio e la distribuzione dei difetti dello strato epitassiale possono raggiungere un livello relativamente buono, che può sostanzialmente soddisfare le esigenze di SBD (diodo Schottky) a media e bassa tensione, MOS (transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo), JBS ( diodo di giunzione) e altri dispositivi.

Tuttavia, nel campo dell’alta pressione, i wafer epitassiali devono ancora superare molte sfide. Ad esempio, per i dispositivi che devono resistere a 10.000 volt, lo spessore dello strato epitassiale deve essere di circa 100μm. Rispetto ai dispositivi a bassa tensione, lo spessore dello strato epitassiale e l'uniformità della concentrazione del drogante sono molto diversi, in particolare l'uniformità della concentrazione del drogante. Allo stesso tempo, anche il difetto triangolare nello strato epitassiale distruggerà le prestazioni complessive del dispositivo. Nelle applicazioni ad alta tensione, i tipi di dispositivi tendono a utilizzare dispositivi bipolari, che richiedono un'elevata durata della minoranza nello strato epitassiale, quindi il processo deve essere ottimizzato per migliorare la durata della minoranza.

Allo stato attuale, l'epitassia domestica è principalmente di 4 pollici e 6 pollici e la percentuale di epitassia di carburo di silicio di grandi dimensioni aumenta di anno in anno. La dimensione del foglio epitassiale di carburo di silicio è limitata principalmente dalla dimensione del substrato di carburo di silicio. Attualmente, il substrato di carburo di silicio da 6 pollici è stato commercializzato, quindi l'epitassiale di carburo di silicio sta gradualmente passando da 4 pollici a 6 pollici. Con il continuo miglioramento della tecnologia di preparazione del substrato in carburo di silicio e l'espansione della capacità, il prezzo del substrato in carburo di silicio sta gradualmente diminuendo. Nella composizione del prezzo del foglio epitassiale, il substrato rappresenta oltre il 50% del costo, quindi con il calo del prezzo del substrato, si prevede che anche il prezzo del foglio epitassiale in carburo di silicio diminuirà.