การเจริญเติบโตของ epitaxial ที่ควบคุมขั้นตอนคืออะไร？

ในฐานะที่เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักสำหรับการเตรียมอุปกรณ์จ่ายพลังงาน SiC คุณภาพของเอพิแทกซีที่เติบโตโดยเทคโนโลยีการเติบโตแบบเอพิแทกเซียลของ SiC จะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ SiC ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของ epitaxis ของ SiC ที่กระแสหลักที่สุดคือการสะสมไอสารเคมี (CVD)

SiC มีโพลีไทป์คริสตัลเสถียรหลายประเภท ดังนั้น เพื่อให้ชั้นการเจริญเติบโตของอีพิแทกเซียลที่ได้รับสามารถสืบทอดโพลีไทป์คริสตัลจำเพาะของสารตั้งต้น SiCจำเป็นต้องถ่ายโอนข้อมูลการจัดเรียงอะตอมสามมิติของสารตั้งต้นไปยังชั้นการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว และต้องใช้วิธีพิเศษบางอย่าง ฮิโรยูกิ มัตสึนามิ ศาสตราจารย์กิตติคุณแห่งมหาวิทยาลัยเกียวโต และคนอื่นๆ เสนอเทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบ epitaxial ของ SiC ซึ่งดำเนินการสะสมไอสารเคมี (CVD) บนระนาบคริสตัลดัชนีต่ำของสารตั้งต้น SiC ในทิศทางที่ไม่มุมเล็กน้อยภายใต้สภาวะการเติบโตที่เหมาะสม วิธีการทางเทคนิคนี้เรียกอีกอย่างว่าวิธีการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวแบบควบคุมขั้นตอน

รูปที่ 1 แสดงวิธีการเติบโตของ epitaxial sic โดยวิธีการเติบโตของ epitaxial แบบขั้นตอน พื้นผิวของสารตั้งต้น SIC ที่สะอาดและปิดมุมถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นของขั้นตอนและได้รับขั้นตอนระดับโมเลกุลและโครงสร้างตาราง เมื่อมีการแนะนำก๊าซวัตถุดิบวัตถุดิบจะถูกส่งไปยังพื้นผิวของสารตั้งต้น SIC และวัตถุดิบที่เคลื่อนที่บนตารางจะถูกจับโดยขั้นตอนตามลำดับ เมื่อวัตถุดิบที่จับได้จะจัดเรียงการจัดเรียงที่สอดคล้องกับ polytype คริสตัลของสารตั้งต้น SiCที่ตำแหน่งที่สอดคล้องกัน ชั้นอีพิแทกเซียลสามารถสืบทอดคริสตัลโพลีไทป์เฉพาะของซับสเตรต SiC ได้สำเร็จ

รูปที่ 1: การเติบโตทางชั้นนอกของซับสเตรต SiC ที่มีมุมปิด (0001)

แน่นอนว่าอาจมีปัญหาเกี่ยวกับเทคโนโลยีการเติบโตของ epitaxial ที่ควบคุมขั้นตอน เมื่อเงื่อนไขการเจริญเติบโตไม่เป็นไปตามเงื่อนไขที่เหมาะสมวัตถุดิบจะนิวเคลียสและสร้างผลึกบนโต๊ะแทนที่จะอยู่ในขั้นตอนซึ่งจะนำไปสู่การเติบโตของ polytypes คริสตัลที่แตกต่างกันทำให้ชั้น epitaxial ในอุดมคติล้มเหลวในการเติบโต หาก polytypes ที่แตกต่างกันปรากฏในชั้น epitaxial อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อาจถูกทิ้งไว้กับข้อบกพร่องร้ายแรง ดังนั้นในเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของ epitaxial ที่ควบคุมขั้นตอนระดับของการโก่งตัวจะต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ความกว้างของขั้นตอนมีขนาดที่สมเหตุสมผล ในเวลาเดียวกันความเข้มข้นของวัตถุดิบ SI และวัตถุดิบ C ในก๊าซวัตถุดิบอุณหภูมิการเจริญเติบโตและเงื่อนไขอื่น ๆ จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสำหรับการสร้างความสำคัญของผลึกในขั้นตอน ในปัจจุบันพื้นผิวของหลักสารตั้งต้น SiC ชนิด 4Hในตลาดนำเสนอพื้นผิวที่มีมุมโก่ง 4° (0001) ซึ่งสามารถตอบสนองทั้งความต้องการของเทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบ epitaxis ที่ควบคุมด้วยขั้นตอน และการเพิ่มจำนวนเวเฟอร์ที่ได้รับจากลูกเปตอง

ไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกใช้เป็นตัวพาในวิธีการสะสมไอสารเคมีสำหรับการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว SiC และวัตถุดิบ Si เช่น วัตถุดิบ SiH4 และ C เช่น C3H8 จะถูกป้อนเข้าสู่พื้นผิวของซับสเตรต SiC ซึ่งอุณหภูมิของซับสเตรตจะคงอยู่ที่เสมอ 1500-1600 ℃ ที่อุณหภูมิ 1,500-1,600°C หากอุณหภูมิผนังด้านในของอุปกรณ์ไม่สูงพอ ประสิทธิภาพการจ่ายวัตถุดิบจะไม่ได้รับการปรับปรุง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบผนังร้อน อุปกรณ์การเจริญเติบโตแบบ epitaxis ของ SiC มีหลายประเภท รวมถึงแนวตั้ง แนวนอน มัลติเวเฟอร์ และ single-เวเฟอร์ประเภท รูปที่ 2, 3 และ 4 แสดงการไหลของก๊าซและการกำหนดค่าซับสเตรตของส่วนเครื่องปฏิกรณ์ของอุปกรณ์การเจริญเติบโตแบบ epitaxis ของ SiC สามประเภท

รูปที่ 2 การหมุนและการปฏิวัติหลายชิป

รูปที่ 3 การปฏิวัติมัลติชิป

รูปที่ 4 ชิปเดี่ยว

มีประเด็นสำคัญหลายประการที่ต้องพิจารณาเพื่อให้ได้การผลิตจำนวนมากของซับสเตรตอีพิแทกเซียล SiC: ความสม่ำเสมอของความหนาของชั้นอีพิแทกเซียล ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของสารกระตุ้น ฝุ่น ผลผลิต ความถี่ในการเปลี่ยนส่วนประกอบ และความสะดวกในการบำรุงรักษา ในหมู่พวกเขา ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของยาสลบจะส่งผลโดยตรงต่อการกระจายความต้านทานแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ ดังนั้นความสม่ำเสมอของพื้นผิวเวเฟอร์ ชุดและชุดจึงสูงมาก นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ติดอยู่กับส่วนประกอบในเครื่องปฏิกรณ์และระบบไอเสียในระหว่างกระบวนการเติบโตจะกลายเป็นแหล่งฝุ่น และวิธีการกำจัดฝุ่นเหล่านี้อย่างสะดวกสบายก็เป็นแนวทางการวิจัยที่สำคัญเช่นกัน

หลังจากการเจริญเติบโตของ SiC เอพิแทกเซียล จะได้ชั้นผลึกเดี่ยว SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งสามารถใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ นอกจากนี้ ด้วยการเจริญเติบโตของ epitaxial ความคลาดเคลื่อนของระนาบฐาน (BPD) ที่มีอยู่ในวัสดุพิมพ์ยังสามารถแปลงเป็นความคลาดเคลื่อนของขอบเกลียว (TED) ที่อินเทอร์เฟซของชั้นวัสดุพิมพ์/ดริฟท์ (ดูรูปที่ 5) เมื่อกระแสไบโพลาร์ไหลผ่าน BPD จะเกิดการขยายตัวฟอลต์แบบซ้อน ส่งผลให้คุณลักษณะของอุปกรณ์ลดลง เช่น ความต้านทานออนเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม หลังจากที่แปลง BPD เป็น TED แล้ว คุณลักษณะทางไฟฟ้าของอุปกรณ์จะไม่ได้รับผลกระทบ การเจริญเติบโตของอีปิเทกเซียลสามารถลดการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ที่เกิดจากกระแสไบโพลาร์ได้อย่างมาก

รูปที่ 5: BPD ของสารตั้งต้น SIC ก่อนและหลังการเจริญเติบโตของ epitaxial และ ted cross ส่วนหลังการแปลง

ในการเจริญเติบโตที่ส่วนนอกของ SiC ชั้นบัฟเฟอร์มักจะถูกแทรกระหว่างชั้นดริฟท์และซับสเตรต ชั้นบัฟเฟอร์ที่มีความเข้มข้นสูงของการเติมชนิด n สามารถส่งเสริมการรวมตัวกันใหม่ของพาหะส่วนน้อย นอกจากนี้ ชั้นบัฟเฟอร์ยังมีฟังก์ชันการแปลงการเคลื่อนที่ของระนาบฐาน (BPD) ซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อต้นทุนและเป็นเทคโนโลยีการผลิตอุปกรณ์ที่สำคัญมาก