SiC ეპიტაქსიალური ზრდის პროცესის ძირითადი შესავალი

ეპიტაქსიალური ფენა არის სპეციფიკური ერთკრისტალური ფენა, რომელიც იზრდება ვაფლზე ეპიტაქსიალური პროცესით, ხოლო სუბსტრატის ვაფლს და ეპიტაქსიალურ ფენას ეწოდება ეპიტაქსიალური ვაფლი. სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიალური ფენის გამტარ სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატზე გაზრდით, სილიციუმის კარბიდის ჰომოგენური ეპიტაქსიალური ვაფლი შეიძლება შემდგომ მომზადდეს Schottky-ის დიოდებში, MOSFET-ებში, IGBT-ებში და სხვა ენერგეტიკული მოწყობილობებში, რომელთა შორის ყველაზე ხშირად გამოიყენება 4H-SiC სუბსტრატი.

სილიციუმის კარბიდის სიმძლავრის მოწყობილობისა და ტრადიციული სილიკონის სიმძლავრის მოწყობილობის წარმოების განსხვავებული პროცესის გამო, მისი პირდაპირ დამზადება შეუძლებელია სილიციუმის კარბიდის ერთკრისტალურ მასალაზე. გამტარ ერთკრისტალურ სუბსტრატზე უნდა გაიზარდოს დამატებითი მაღალი ხარისხის ეპიტაქსიალური მასალები, ხოლო ეპიტაქსიალურ ფენაზე უნდა დამზადდეს სხვადასხვა მოწყობილობები. ამიტომ, ეპიტაქსიური ფენის ხარისხი დიდ გავლენას ახდენს მოწყობილობის მუშაობაზე. სხვადასხვა ენერგეტიკული მოწყობილობების მუშაობის გაუმჯობესება ასევე აყენებს უფრო მაღალ მოთხოვნებს ეპიტაქსიური შრის სისქეზე, დოპინგ კონცენტრაციაზე და დეფექტებზე.

ნახ. 1. კავშირი დოპინგური კონცენტრაციისა და უნიპოლარული მოწყობილობის ეპიტაქსიური შრის სისქესა და ბლოკირების ძაბვას შორის

SIC ეპიტაქსიალური შრის მომზადების მეთოდები ძირითადად მოიცავს აორთქლების ზრდის მეთოდს, თხევადი ფაზის ეპიტაქსიალურ ზრდას (LPE), მოლეკულური სხივის ეპიტაქსიალური ზრდის (MBE) და ქიმიურ ორთქლის დეპონირებას (CVD). ამჟამად ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD) არის ძირითადი მეთოდი, რომელიც გამოიყენება ქარხნებში ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის.

ნახ. 2. ეპიტაქსიური შრის მომზადების ძირითადი მეთოდების შედარება

ღერძულ {0001} სუბსტრატზე გარკვეული დახრის კუთხით, როგორც ნაჩვენებია 2(ბ) სურათზე, საფეხურის ზედაპირის სიმკვრივე უფრო დიდია, ხოლო საფეხურის ზედაპირის ზომა უფრო მცირეა და კრისტალური ნუკლეაცია ადვილი არ არის ხდება საფეხურის ზედაპირზე, მაგრამ უფრო ხშირად ხდება საფეხურის შერწყმის წერტილში. ამ შემთხვევაში, არსებობს მხოლოდ ერთი ბირთვული გასაღები. აქედან გამომდინარე, ეპიტაქსიალურ ფენას შეუძლია სრულყოფილად გაიმეოროს სუბსტრატის დაწყობის წესრიგი, რითაც აღმოფხვრის მრავალტიპის თანაარსებობის პრობლემას.

ნახ. 3. 4H-SiC საფეხურის კონტროლის ეპიტაქსიის მეთოდის ფიზიკური პროცესის დიაგრამა

ნახ. 4. CVD ზრდის კრიტიკული პირობები 4H-SiC საფეხურით კონტროლირებადი ეპიტაქსიის მეთოდით

ნახ. 5. ზრდის ტემპების შედარება სხვადასხვა სილიციუმის წყაროს ქვეშ 4H-SiC ეპიტაქსიაში

ამჟამად, სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიის ტექნოლოგია შედარებით მომწიფებულია დაბალი და საშუალო ძაბვის აპლიკაციებში (როგორიცაა 1200 ვოლტიანი მოწყობილობები). ეპიტაქსიური ფენის სისქის ერთგვაროვნება, დოპინგ კონცენტრაციის ერთგვაროვნება და დეფექტის განაწილება შეიძლება მიაღწიოს შედარებით კარგ დონეს, რაც ძირითადად შეიძლება დააკმაყოფილოს საშუალო და დაბალი ძაბვის SBD (შოტკის დიოდი), MOS (მეტალის ოქსიდის ნახევარგამტარული ველის ეფექტის ტრანზისტორი), JBS ( შეერთების დიოდი) და სხვა მოწყობილობები.

თუმცა, მაღალი წნევის სფეროში, ეპიტაქსიალურ ვაფლებს ჯერ კიდევ სჭირდებათ მრავალი გამოწვევის გადალახვა. მაგალითად, მოწყობილობებისთვის, რომლებსაც სჭირდებათ 10000 ვოლტის გაძლება, ეპიტაქსიური ფენის სისქე უნდა იყოს დაახლოებით 100 μm. დაბალი ძაბვის მოწყობილობებთან შედარებით, ეპიტაქსიური ფენის სისქე და დოპინგის კონცენტრაციის ერთგვაროვნება ბევრად განსხვავებულია, განსაკუთრებით დოპინგის კონცენტრაციის ერთგვაროვნება. ამავდროულად, ეპიტაქსიური შრის სამკუთხედის დეფექტი ასევე გაანადგურებს მოწყობილობის მთლიან მუშაობას. მაღალი ძაბვის აპლიკაციებში, მოწყობილობების ტიპები, როგორც წესი, იყენებენ ბიპოლარულ მოწყობილობებს, რომლებიც საჭიროებენ მაღალი უმცირესობის სიცოცხლეს ეპიტაქსიალურ ფენაში, ამიტომ პროცესის ოპტიმიზაციაა საჭირო უმცირესობის სიცოცხლის გაუმჯობესების მიზნით.

დღეისათვის შინაური ეპიტაქსია ძირითადად 4 ინჩი და 6 ინჩია, ხოლო დიდი ზომის სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიის წილი ყოველწლიურად იზრდება. სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიალური ფურცლის ზომა ძირითადად შემოიფარგლება სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატის ზომით. ამჟამად, 6 დიუმიანი სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატი კომერციალიზაციას განიცდის, ამიტომ სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსია თანდათანობით გადადის 4 ინჩიდან 6 ინჩამდე. სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატის მომზადების ტექნოლოგიის უწყვეტი გაუმჯობესებით და სიმძლავრის გაფართოებით, სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატის ფასი თანდათან იკლებს. ეპიტაქსიალური ფურცლის ფასის შემადგენლობაში სუბსტრატს შეადგენს ღირებულების 50%-ზე მეტი, ამიტომ სუბსტრატის ფასის კლებასთან ერთად მოსალოდნელია სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიალური ფურცლის ფასის შემცირებაც.