Die grundlegende Einführung des epitaktischen Wachstumsprozesses von SiC

Die Epitaxieschicht ist ein spezifischer Einkristallfilm, der durch einen Epitaxieprozess auf dem Wafer gezüchtet wird, und der Substratwafer und der Epitaxiefilm werden Epitaxiewafer genannt. Durch das Aufwachsen der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf dem leitfähigen Siliziumkarbidsubstrat kann der homogene Siliziumkarbid-Epitaxiewafer weiter zu Schottky-Dioden, MOSFETs, IGBTs und anderen Leistungsbauelementen verarbeitet werden, wobei 4H-SiC-Substrat am häufigsten verwendet wird.

Aufgrund des unterschiedlichen Herstellungsprozesses von Siliziumkarbid-Leistungsgeräten und herkömmlichen Siliziumkarbid-Leistungsgeräten kann es nicht direkt auf Siliziumkarbid-Einkristallmaterial hergestellt werden. Auf dem leitfähigen Einkristallsubstrat müssen zusätzliche hochwertige Epitaxiematerialien gezüchtet werden, und auf der Epitaxieschicht müssen verschiedene Bauelemente hergestellt werden. Daher hat die Qualität der Epitaxieschicht großen Einfluss auf die Leistung des Geräts. Die Verbesserung der Leistung verschiedener Leistungsbauelemente stellt auch höhere Anforderungen an die Dicke der Epitaxieschicht, die Dotierungskonzentration und Defekte.

FEIGE. 1. Zusammenhang zwischen Dotierungskonzentration und Dicke der Epitaxieschicht eines unipolaren Bauelements und der Sperrspannung

Zu den Vorbereitungsmethoden der SIC-Epitaxieschicht gehören hauptsächlich die Verdampfungswachstumsmethode, das Flüssigphasen-Epitaxiewachstum (LPE), das Molekularstrahl-Epitaxiewachstum (MBE) und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Derzeit ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) die wichtigste Methode für die Massenproduktion in Fabriken.

FEIGE. 2. Vergleich der wichtigsten Herstellungsmethoden der Epitaxieschicht

Auf dem außeraxialen {0001}-Substrat mit einem bestimmten Neigungswinkel, wie in Abbildung 2(b) gezeigt, ist die Dichte der Stufenoberfläche größer und die Größe der Stufenoberfläche kleiner, und die Kristallkeimbildung ist nicht einfach treten auf der Stufenoberfläche auf, häufiger jedoch am Übergangspunkt der Stufe. In diesem Fall gibt es nur einen Nukleierungsschlüssel. Daher kann die Epitaxieschicht die Stapelreihenfolge des Substrats perfekt nachbilden, wodurch das Problem der Koexistenz mehrerer Typen beseitigt wird.

FEIGE. 3. Physikalisches Prozessdiagramm der 4H-SiC-Schrittkontrollepitaxiemethode

FEIGE. 4. Kritische Bedingungen für das CVD-Wachstum durch 4H-SiC-stufengesteuerte Epitaxiemethode

FEIGE. 5. Vergleich der Wachstumsraten unter verschiedenen Siliziumquellen in der 4H-SiC-Epitaxie

Derzeit ist die Siliziumkarbid-Epitaxie-Technologie für Nieder- und Mittelspannungsanwendungen (z. B. 1200-Volt-Geräte) relativ ausgereift. Die Dickengleichmäßigkeit, die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration und die Defektverteilung der Epitaxieschicht können ein relativ gutes Niveau erreichen, das grundsätzlich den Anforderungen von SBD (Schottky-Diode) mit mittlerer und niedriger Spannung, MOS (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und JBS ( Sperrschichtdiode) und andere Geräte.

Allerdings müssen epitaktische Wafer im Hochdruckbereich noch viele Herausforderungen meistern. Beispielsweise muss für Geräte, die 10.000 Volt standhalten müssen, die Dicke der Epitaxieschicht etwa 100 μm betragen. Im Vergleich zu Niederspannungsgeräten unterscheiden sich die Dicke der Epitaxieschicht und die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration erheblich, insbesondere die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration. Gleichzeitig beeinträchtigt der Dreiecksdefekt in der Epitaxieschicht auch die Gesamtleistung des Geräts. Bei Hochspannungsanwendungen verwenden Gerätetypen tendenziell bipolare Geräte, die eine hohe Minoritätslebensdauer in der Epitaxieschicht erfordern. Daher muss der Prozess optimiert werden, um die Minoritätslebensdauer zu verbessern.

Derzeit beträgt die inländische Epitaxie hauptsächlich 4 Zoll und 6 Zoll, und der Anteil der großformatigen Siliziumkarbid-Epitaxie nimmt von Jahr zu Jahr zu. Die Größe der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht wird hauptsächlich durch die Größe des Siliziumkarbid-Substrats begrenzt. Derzeit ist das 6-Zoll-Siliziumkarbidsubstrat kommerzialisiert, sodass die Siliziumkarbid-Epitaxie schrittweise von 4 Zoll auf 6 Zoll übergeht. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten und der Kapazitätserweiterung sinkt der Preis für Siliziumkarbidsubstrate allmählich. Bei der Zusammensetzung des Preises für Epitaxieplatten macht das Substrat mehr als 50 % der Kosten aus, sodass mit dem Rückgang des Substratpreises auch der Preis für Siliziumkarbid-Epitaxieplatten voraussichtlich sinken wird.