L'introduction de base du processus de croissance épitaxiale SiC

La couche épitaxiale est un film monocristallin spécifique développé sur la tranche par un processus épitaxial, et la tranche de substrat et le film épitaxial sont appelés tranche épitaxiale. En faisant croître la couche épitaxiale de carbure de silicium sur le substrat conducteur en carbure de silicium, la tranche épitaxiale homogène de carbure de silicium peut être ensuite préparée en diodes Schottky, MOSFET, IGBT et autres dispositifs de puissance, parmi lesquels le substrat 4H-SiC est le plus couramment utilisé.

En raison du processus de fabrication différent du dispositif d'alimentation en carbure de silicium et du dispositif d'alimentation en silicium traditionnel, il ne peut pas être fabriqué directement sur un matériau monocristallin en carbure de silicium. Des matériaux épitaxiaux supplémentaires de haute qualité doivent être cultivés sur le substrat monocristallin conducteur, et divers dispositifs doivent être fabriqués sur la couche épitaxiale. La qualité de la couche épitaxiale a donc une grande influence sur les performances du dispositif. L'amélioration des performances des différents dispositifs de puissance impose également des exigences plus élevées en matière d'épaisseur de couche épitaxiale, de concentration de dopage et de défauts.

FIGUE. 1. Relation entre la concentration de dopage et l'épaisseur de la couche épitaxiale du dispositif unipolaire et la tension de blocage

Les méthodes de préparation de la couche épitaxiale SIC comprennent principalement la méthode de croissance par évaporation, la croissance épitaxiale en phase liquide (LPE), la croissance épitaxiale par jet moléculaire (MBE) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). À l’heure actuelle, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est la principale méthode utilisée pour la production à grande échelle dans les usines.

FIGUE. 2. Comparaison des principales méthodes de préparation de la couche épitaxiale

Sur le substrat {0001} hors axe avec un certain angle d'inclinaison, comme le montre la figure 2 (b), la densité de la surface en marche est plus grande et la taille de la surface en marche est plus petite, et la nucléation des cristaux n'est pas facile à réaliser. se produisent sur la surface de la marche, mais se produisent le plus souvent au point de fusion de la marche. Dans ce cas, il n’existe qu’une seule clé de nucléation. Par conséquent, la couche épitaxiale peut parfaitement reproduire l’ordre d’empilement du substrat, éliminant ainsi le problème de la coexistence de plusieurs types.

FIGUE. 3. Diagramme de processus physique de la méthode d'épitaxie à contrôle par étapes 4H-SiC

FIGUE. 4. Conditions critiques pour la croissance CVD par méthode d’épitaxie contrôlée par étapes 4H-SiC

FIGUE. 5. Comparaison des taux de croissance sous différentes sources de silicium en épitaxie 4H-SiC

À l'heure actuelle, la technologie d'épitaxie au carbure de silicium est relativement mature dans les applications basse et moyenne tension (telles que les appareils 1 200 volts). L'uniformité de l'épaisseur, l'uniformité de la concentration de dopage et la répartition des défauts de la couche épitaxiale peuvent atteindre un niveau relativement bon, ce qui peut essentiellement répondre aux besoins des SBD (diode Schottky) moyenne et basse tension, MOS (transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique), JBS ( diode de jonction) et d'autres appareils.

Cependant, dans le domaine des hautes pressions, les plaquettes épitaxiales doivent encore surmonter de nombreux défis. Par exemple, pour les appareils devant résister à 10 000 volts, l'épaisseur de la couche épitaxiale doit être d'environ 100 μm. Par rapport aux dispositifs basse tension, l'épaisseur de la couche épitaxiale et l'uniformité de la concentration de dopage sont très différentes, notamment l'uniformité de la concentration de dopage. Dans le même temps, le défaut triangulaire dans la couche épitaxiale détruira également les performances globales du dispositif. Dans les applications haute tension, les types de dispositifs ont tendance à utiliser des dispositifs bipolaires, qui nécessitent une durée de vie minoritaire élevée dans la couche épitaxiale. Le processus doit donc être optimisé pour améliorer la durée de vie minoritaire.

À l'heure actuelle, l'épitaxie nationale est principalement de 4 pouces et 6 pouces, et la proportion d'épitaxie au carbure de silicium de grande taille augmente d'année en année. La taille de la feuille épitaxiale en carbure de silicium est principalement limitée par la taille du substrat en carbure de silicium. À l'heure actuelle, le substrat en carbure de silicium de 6 pouces a été commercialisé, de sorte que l'épitaxie en carbure de silicium passe progressivement de 4 pouces à 6 pouces. Avec l'amélioration continue de la technologie de préparation des substrats en carbure de silicium et l'expansion des capacités, le prix du substrat en carbure de silicium diminue progressivement. Dans la composition du prix de la feuille épitaxiale, le substrat représente plus de 50 % du coût, donc avec la baisse du prix du substrat, le prix de la feuille épitaxiale en carbure de silicium devrait également diminuer.