Apa itu pertumbuhan epitaksi yang dikendalikan langkah？

Sebagai salah satu teknologi inti untuk persiapan perangkat daya SiC, kualitas epitaksi yang dikembangkan oleh teknologi pertumbuhan epitaksi SiC akan secara langsung mempengaruhi kinerja perangkat SiC. Saat ini, teknologi pertumbuhan epitaksi SiC yang paling utama adalah deposisi uap kimia (CVD).

Ada banyak politipe kristal SiC yang stabil. Oleh karena itu, untuk memungkinkan lapisan pertumbuhan epitaksi yang diperoleh mewarisi politipe kristal tertentuSubstrat SiC, informasi susunan atom tiga dimensi substrat perlu ditransfer ke lapisan pertumbuhan epitaksi, dan ini memerlukan beberapa metode khusus. Hiroyuki Matsunami, profesor emeritus Universitas Kyoto, dan yang lainnya mengusulkan teknologi pertumbuhan epitaksi SiC, yang melakukan pengendapan uap kimia (CVD) pada bidang kristal indeks rendah dari substrat SiC dalam arah sudut kecil di bawah kondisi pertumbuhan yang sesuai. Metode teknis ini disebut juga metode pertumbuhan epitaksi terkontrol langkah.

Gambar 1 menunjukkan cara melakukan pertumbuhan epitaksi SiC dengan metode pertumbuhan epitaksi terkontrol langkah. Permukaan substrat SiC yang bersih dan tidak bersudut dibentuk menjadi beberapa lapisan, dan diperoleh langkah tingkat molekuler serta struktur tabel. Ketika gas bahan mentah dimasukkan, bahan mentah disuplai ke permukaan substrat SiC, dan bahan mentah yang bergerak di atas meja ditangkap melalui langkah-langkah secara berurutan. Ketika bahan mentah yang ditangkap membentuk susunan yang konsisten dengan politipe kristalSubstrat SiCpada posisi yang sesuai, lapisan epitaksi berhasil mewarisi politipe kristal spesifik dari substrat SiC.

Gambar 1: Pertumbuhan epitaksi substrat SiC dengan sudut luar (0001)

Tentu saja, mungkin ada masalah dengan teknologi pertumbuhan epitaksi yang dikontrol secara bertahap. Ketika kondisi pertumbuhan tidak memenuhi kondisi yang sesuai, bahan mentah akan berinti dan menghasilkan kristal di atas meja, bukan di tangga, yang akan menyebabkan pertumbuhan politipe kristal yang berbeda, menyebabkan lapisan epitaksi yang ideal gagal untuk tumbuh. Jika politipe heterogen muncul di lapisan epitaksial, perangkat semikonduktor mungkin mengalami cacat fatal. Oleh karena itu, dalam teknologi pertumbuhan epitaksi terkontrol langkah, derajat defleksi harus dirancang agar lebar langkah mencapai ukuran yang wajar. Pada saat yang sama, konsentrasi bahan baku Si dan bahan baku C dalam gas bahan baku, suhu pertumbuhan dan kondisi lainnya juga harus memenuhi kondisi prioritas pembentukan kristal pada langkah-langkah tersebut. Saat ini, permukaan utamaSubstrat SiC tipe 4Hdi pasaran menghadirkan permukaan sudut defleksi 4° (0001), yang dapat memenuhi persyaratan teknologi pertumbuhan epitaksi terkontrol langkah dan meningkatkan jumlah wafer yang diperoleh dari boule.

Hidrogen dengan kemurnian tinggi digunakan sebagai pembawa dalam metode deposisi uap kimia untuk pertumbuhan epitaksi SiC, dan bahan baku Si seperti SiH4 dan bahan baku C seperti C3H8 dimasukkan ke permukaan substrat SiC yang suhu substratnya selalu dijaga pada 1500-1600℃. Pada temperatur 1500-1600°C, jika temperatur dinding bagian dalam peralatan tidak cukup tinggi maka efisiensi suplai bahan baku tidak akan meningkat, sehingga perlu digunakan reaktor dinding panas. Ada banyak jenis peralatan pertumbuhan epitaksi SiC, termasuk vertikal, horizontal, multi-wafer dan single-kue kue waferjenis. Gambar 2, 3 dan 4 menunjukkan aliran gas dan konfigurasi substrat bagian reaktor dari tiga jenis peralatan pertumbuhan epitaksi SiC.

Gambar 2 Rotasi dan revolusi multi-chip

Gambar 3 Revolusi multi-chip

Gambar 4 Chip tunggal

Ada beberapa poin penting yang perlu dipertimbangkan untuk mencapai produksi massal substrat epitaksi SiC: keseragaman ketebalan lapisan epitaksi, keseragaman konsentrasi doping, debu, hasil, frekuensi penggantian komponen, dan kemudahan perawatan. Diantaranya, keseragaman konsentrasi doping akan secara langsung mempengaruhi distribusi resistansi tegangan perangkat, sehingga keseragaman permukaan wafer, batch dan batch sangat tinggi. Selain itu, produk reaksi yang menempel pada komponen reaktor dan sistem pembuangan selama proses pertumbuhan akan menjadi sumber debu, dan cara mudah menghilangkan debu tersebut juga merupakan arah penelitian yang penting.

Setelah pertumbuhan epitaksi SiC, diperoleh lapisan kristal tunggal SiC dengan kemurnian tinggi yang dapat digunakan untuk memproduksi perangkat listrik. Selain itu, melalui pertumbuhan epitaksi, dislokasi bidang basal (BPD) yang ada pada substrat juga dapat diubah menjadi dislokasi tepi ulir (TED) pada antarmuka lapisan substrat/drift (lihat Gambar 5). Ketika arus bipolar mengalir, BPD akan mengalami perluasan kesalahan bertumpuk, yang mengakibatkan penurunan karakteristik perangkat seperti peningkatan resistansi-on. Namun, setelah BPD diubah menjadi TED, karakteristik kelistrikan perangkat tidak akan terpengaruh. Pertumbuhan epitaksi dapat secara signifikan mengurangi degradasi perangkat yang disebabkan oleh arus bipolar.

Gambar 5: BPD substrat SiC sebelum dan sesudah pertumbuhan epitaksial dan penampang TED setelah konversi

Dalam pertumbuhan epitaksi SiC, lapisan penyangga sering disisipkan di antara lapisan drift dan substrat. Lapisan penyangga dengan doping tipe-n konsentrasi tinggi dapat mendorong rekombinasi pembawa minoritas. Selain itu, lapisan penyangga juga memiliki fungsi konversi dislokasi bidang basal (BPD), yang berdampak besar terhadap biaya dan merupakan teknologi pembuatan perangkat yang sangat penting.