A introdução básica do processo de crescimento epitaxial de SiC

A camada epitaxial é um filme específico de cristal único cultivado no wafer pelo processo epitaxial, e o wafer do substrato e o filme epitaxial são chamados de wafer epitaxial. Ao aumentar a camada epitaxial de carboneto de silício no substrato condutor de carboneto de silício, o wafer epitaxial homogêneo de carboneto de silício pode ser ainda preparado em diodos Schottky, MOSFETs, IGBTs e outros dispositivos de energia, entre os quais o substrato 4H-SiC é o mais comumente usado.

Devido aos diferentes processos de fabricação do dispositivo de potência de carboneto de silício e do dispositivo de potência de silício tradicional, ele não pode ser fabricado diretamente em material de cristal único de carboneto de silício. Materiais epitaxiais adicionais de alta qualidade devem ser cultivados no substrato condutor de cristal único e vários dispositivos devem ser fabricados na camada epitaxial. Portanto, a qualidade da camada epitaxial tem grande influência no desempenho do dispositivo. A melhoria do desempenho de diferentes dispositivos de potência também apresenta requisitos mais elevados para a espessura da camada epitaxial, concentração de dopagem e defeitos.

FIGO. 1. Relação entre concentração de dopagem e espessura da camada epitaxial do dispositivo unipolar e tensão de bloqueio

Os métodos de preparação da camada epitaxial SIC incluem principalmente método de crescimento por evaporação, crescimento epitaxial em fase líquida (LPE), crescimento epitaxial por feixe molecular (MBE) e deposição química de vapor (CVD). Atualmente, a deposição química de vapor (CVD) é o principal método utilizado para produção em larga escala nas fábricas.

FIGO. 2. Comparação dos principais métodos de preparação da camada epitaxial

No substrato fora do eixo {0001} com um certo ângulo de inclinação, conforme mostrado na Figura 2 (b), a densidade da superfície do degrau é maior e o tamanho da superfície do degrau é menor, e a nucleação do cristal não é fácil de ocorrem na superfície do degrau, mas ocorrem com mais frequência no ponto de fusão do degrau. Neste caso, existe apenas uma chave de nucleação. Portanto, a camada epitaxial pode replicar perfeitamente a ordem de empilhamento do substrato, eliminando assim o problema da coexistência de vários tipos.

FIGO. 3. Diagrama do processo físico do método de epitaxia de controle de etapa 4H-SiC

FIGO. 4. Condições críticas para o crescimento de DCV pelo método de epitaxia controlada por etapas 4H-SiC

FIGO. 5. Comparação das taxas de crescimento sob diferentes fontes de silício na epitaxia 4H-SiC

Atualmente, a tecnologia de epitaxia de carboneto de silício está relativamente madura em aplicações de baixa e média tensão (como dispositivos de 1200 volts). A uniformidade de espessura, uniformidade de concentração de dopagem e distribuição de defeitos da camada epitaxial podem atingir um nível relativamente bom, que pode basicamente atender às necessidades de SBD de média e baixa tensão (diodo Schottky), MOS (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico), JBS ( diodo de junção) e outros dispositivos.

No entanto, no campo da alta pressão, os wafers epitaxiais ainda precisam superar muitos desafios. Por exemplo, para dispositivos que precisam suportar 10.000 volts, a espessura da camada epitaxial precisa ser de cerca de 100μm. Em comparação com dispositivos de baixa tensão, a espessura da camada epitaxial e a uniformidade da concentração de dopagem são muito diferentes, especialmente a uniformidade da concentração de dopagem. Ao mesmo tempo, o defeito triangular na camada epitaxial também destruirá o desempenho geral do dispositivo. Em aplicações de alta tensão, os tipos de dispositivos tendem a usar dispositivos bipolares, que exigem uma vida útil minoritária elevada na camada epitaxial, portanto o processo precisa ser otimizado para melhorar a vida útil minoritária.

Atualmente, a epitaxia doméstica é principalmente de 4 e 6 polegadas, e a proporção de epitaxia de carboneto de silício de grande porte está aumentando ano a ano. O tamanho da folha epitaxial de carboneto de silício é limitado principalmente pelo tamanho do substrato de carboneto de silício. Atualmente, o substrato de carboneto de silício de 6 polegadas foi comercializado, de modo que o epitaxial de carboneto de silício está gradualmente fazendo a transição de 4 para 6 polegadas. Com a melhoria contínua da tecnologia de preparação de substrato de carboneto de silício e a expansão da capacidade, o preço do substrato de carboneto de silício está diminuindo gradualmente. Na composição do preço da chapa epitaxial, o substrato representa mais de 50% do custo, portanto, com o declínio do preço do substrato, o preço da chapa epitaxial de carboneto de silício também deverá diminuir.