2020-03-17
2020-03-09
se ha investigado una interesante variedad de metodologías de crecimiento epitaxial sic, que van desde la epitaxia en fase líquida, la epitaxia de haz molecular y la deposición de vapor químico (cvd). la técnica de crecimiento de CDV es generalmente aceptada como el método más prometedor para lograr la reproducibilidad de la epilayer, la calidad y los rendimientos requeridos para la producción en masa. en los términos más simples, las variaciones de siccvd se llevan a cabo calentando substratos sic en un \"reactor\" de cámara con gases que contienen silicio y carbono que se descomponen y depositan si y c sobre la oblea permitiendo que una epicapa crezca en un pozo ordenó la moda de un solo cristal en condiciones bien controladas. los procesos convencionales de crecimiento epitaxial scd cvd se llevan a cabo a temperaturas de crecimiento del sustrato entre 1400 ° C y 1600 ° C a presiones de 0,1 a 1 atm produciendo tasas de crecimiento del orden de unos pocos micrómetros por hora. los procesos de crecimiento sic cvd de mayor temperatura (hasta 2000 ° C), algunos utilizando químicos de crecimiento basados en haluros, también están siendo pioneros para obtener tasas de crecimiento de epiciclo sic más altas del orden de cientos de micrómetros por hora que parecen suficientes para el crecimiento de sic a granel petanca además de capas epitaxiales muy gruesas necesarias para dispositivos de alto voltaje. a pesar del hecho de que las temperaturas de crecimiento sic exceden significativamente las temperaturas de crecimiento epitaxial usadas para la mayoría de los otros semiconductores, se han desarrollado y comercializado una variedad de configuraciones de reactor de crecimiento epitaxial sic-cvd. por ejemplo, algunos reactores emplean flujo de gas reactante horizontal a través de la oblea sic, mientras que otros se basan en el flujo vertical de gases reactivos; algunos reactores tienen obleas rodeadas por configuraciones calentadas de \"pared caliente\" o \"pared caliente\", mientras que otros reactores de \"pared fría\" solo calientan un susceptor que reside directamente debajo de la oblea sic. la mayoría de los reactores utilizados para la producción comercial de componentes electrónicos sic rotan la muestra para garantizar una alta uniformidad de los parámetros de la epilapa a través de la oblea. Los sistemas sic cvd capaces de desarrollar simultáneamente epilayers en múltiples obleas han permitido un mayor rendimiento de obleas para la fabricación de dispositivos electrónicos sic.
el crecimiento homoepitaxial, por el cual el politipo de la epilayer sic coincide con el politipo del sustrato sic, se logra mediante epitaxia controlada por etapas. La epitaxia controlada por pasos se basa en el crecimiento de epilayers en una oblea sic pulida en un ángulo (llamado \"ángulo de inclinación\" o \"ángulo fuera del eje\") típicamente 3 ° -8 ° del plano basal (0 0 0 1) , dando como resultado una superficie con escalones atómicos y terrazas planas relativamente largas entre escalones. cuando las condiciones de crecimiento se controlan adecuadamente y existe una distancia suficientemente corta entre los pasos, los si y c que se inclinan sobre la superficie de crecimiento se abren camino hacia las bandas ascendentes, donde se unen e incorporan al cristal. de este modo, tiene lugar un crecimiento ordenado y lateral de \"paso a paso\" que permite que la secuencia de apilamiento politípico del sustrato se refleje exactamente en la epicapa en crecimiento. obleas sic cortadas con orientaciones superficiales no convencionales como ( ) y ( ) , proporcionan una geometría de superficie favorable para que las epilayers hereden la secuencia de apilamiento (es decir, politipo) a través del flujo escalonado desde el sustrato. cuando las condiciones de crecimiento no se controlan adecuadamente cuando los pasos están muy separados, como puede ocurrir con superficies de sustrato sic mal preparadas que se pulieron dentro de \u0026 lt; 1 ° del plano basal (0 0 0 1), isla de crecimiento n ucleate y enlace en el medio de terrazas en lugar de en los pasos. La nucleación incontrolada de las islas (también denominada nucleación de terrazas) en superficies sic conduce a un crecimiento heteroepitaxial de 3c-sic de baja calidad. para ayudar a prevenir la nucleación espúrea de terrazas de 3c-sic durante el crecimiento epitaxial, la mayoría de los sustratos comerciales de 4h y 6h-sic se pulieron para inclinar ángulos de 8 ° y 3,5 ° del plano basal (0 0 0 1), respectivamente. Hasta la fecha, todos los productos electrónicos sic comerciales se basan en capas homoepitaxiales que se cultivan en estas obleas sic preparadas \"fuera del eje\" (0 0 0 1). La eliminación adecuada de la contaminación de la superficie residual y los defectos que quedan del proceso de corte y pulido de la oblea sic también es vital para la obtención de epicapas sic de alta calidad con defectos mínimos de dislocación. técnicas empleadas para preparar mejor la superficie de la oblea sic antes del rango de crecimiento epitaxial desde el grabado en seco hasta el pulido químico-mecánico (cmp). a medida que la oblea sic se calienta en una cámara de crecimiento en preparación para el inicio del crecimiento de la epicapa, generalmente se lleva a cabo un grabado gaseoso pre-crecimiento in situ a alta temperatura (típicamente usando h2 y / o hcl) para eliminar más la contaminación superficial y los defectos. vale la pena señalar que el procesamiento optimizado de crecimiento previo permite el crecimient...
El dopaje in situ durante el crecimiento epitaxial del DVD se logra principalmente mediante la introducción de nitrógeno (generalmente) para el tipo ny aluminio (generalmente trimetil o trietilaluminio) para las epilayerías de tipo p. algunos dopantes alternativos como el fósforo y el boro también se han investigado para las epilayer tipo nyp, respectivamente. mientras que algunas variaciones en el dopaje de epilayer pueden llevarse a cabo estrictamente variando el flujo de gases dopantes, la metodología de dopaje de competencia en el sitio ha permitido lograr un rango mucho más amplio de dopaje sic. Además, la competencia en el sitio también ha hecho que los casos de dopaje moderado sean más confiables y repetibles. la técnica de control de dopaje de sitio-competencia se basa en el hecho de que muchos dopantes de sic se incorporan preferentemente en sitios de retículos si o en sitios de celosía c. como ejemplo, el nitrógeno se incorpora preferentemente en sitios reticulares normalmente ocupados por átomos de carbono. al crecer epitaxialmente sic bajo condiciones ricas en carbono, la mayor parte del nitrógeno presente en el sistema cvd (ya sea un contaminante residual o introducido intencionalmente) puede excluirse de la incorporación al cristal sic en crecimiento. por el contrario, al crecer en un entorno deficiente de carbono, la incorporación de nitrógeno puede mejorarse para formar epilayer dopadas muy fuertemente para contactos óhmicos. el aluminio, que es opuesto al nitrógeno, prefiere el sitio si de sic, y otros dopantes también se han controlado a través de la competencia del sitio al variar adecuadamente la relación si / c durante el crecimiento del cristal. dopaje sic epilayer que van desde 9 × a 1 × están disponibles comercialmente, y los investigadores han informado que han recibido dopaje en un factor de 10 veces mayor y menor que este rango para los dopados nyp p. la orientación de la superficie de la oblea también afecta la eficacia de la incorporación de dopaje durante el crecimiento de la epilayer. a partir de este escrito, las epilayer disponibles para que los consumidores especifiquen y compren para satisfacer sus propias necesidades de aplicación de dispositivo tienen espesores y tolerancias de dopaje de ± 25% y ± 50%, respectivamente. sin embargo, algunas epilayers sic usadas para la producción de dispositivos de alto volumen están mucho más optimizadas, exhibiendo una variación de \u0026 lt; 5% en dopaje y grosor.
La tabla 5.2 resume los principales defectos de dislocación conocidos encontrados en las obleas y epilayer comerciales de 4h y 6h-sic comerciales. dado que las regiones activas de los dispositivos residen en epilayers, el contenido del defecto de la epilayer es claramente de importancia primordial para el rendimiento del dispositivo sic. sin embargo, como se evidencia en la tabla 5.2, la mayoría de los defectos de epilayer se originan a partir de las dislocaciones encontradas en el substrato sic subyacente antes de la deposición de la epilayer. más detalles sobre el impacto eléctrico de algunos de estos defectos en dispositivos específicos se discuten más adelante en la sección 5.6. el defecto de la micropipeta se considera el defecto más obvio y dañino del \"dispositivo asesino\" para los dispositivos electrónicos sic. Una micropipeta es una dislocación axial del tornillo con un núcleo hueco (diámetro del orden de un micrómetro) en la oblea sic y epilayer que se extiende aproximadamente paralela al eje c cristalográfico normal a la superficie pulida de la oblea del eje c. estos defectos imparten una tensión local considerable al cristal sic circundante que se puede observar usando topografía de rayos X o polarizadores cruzados ópticos. en el transcurso de una década, los esfuerzos sustanciales de los vendedores de materiales sic han logrado reducir casi 100 veces las densidades de micropipetas de obleas sic, y se han demostrado algunas bolas de hielo completamente libres de micropipes. además, se han desarrollado técnicas de crecimiento epitaxial para cerrar las micropipetas de sustrato sic (disociando efectivamente la dislocación axial de núcleo hueco en múltiples dislocaciones de núcleo cerrado). sin embargo, este enfoque aún no ha cumplido con los exigentes requisitos de confiabilidad electrónica para dispositivos de potencia comercial que operan en campos eléctricos altos. a pesar de que los defectos de micropipe \"asesino de dispositivos\" han sido casi eliminados, las obleas y epilayers comerciales de 4h y 6hs todavía contienen densidades muy altas (\u0026 gt; 10,000 , resumido en la tabla 5.2) de otros defectos de dislocación menos dañinos. aunque estas dislocaciones restantes no se especifican actualmente en las hojas de especificaciones del proveedor de materiales sic, se cree que son responsables de una variedad de comportamientos de dispositivos no ideales que han impedido la reproducibilidad y comercialización de algunos dispositivos electrónicos sic (particularmente de campo eléctrico). los defectos de la dislocación axial del tornillo de núcleo cerrado son similares en estructura y propiedades de deformación a las micropipetas, excepto que sus vectores de hamburguesas son más pequeños, de modo que el núcleo es sólido en lugar de hueco. como se muestra en la tabla 5.2, los defectos de la dislocación del plano basal y los defectos de la dislocación del borde de enhebrado también son abundantes en las obleas sic comerciales. como se d...
Para minimizar los costos de desarrollo y producción de la electrónica sic, es importante que la fabricación de dispositivos sic aproveche al máximo la infraestructura existente de procesamiento de obleas de silicio y gaas. como se discutirá en esta sección, la mayoría de los pasos necesarios para fabricar electrónica sic a partir de obleas sic se puede lograr usando procesos electrónicos de silicio comercialmente modificados y herramientas de fabricación.
como se discutió en la sección 4, 4h y 6h-sic son las formas muy superiores de calidad de dispositivo de semiconductor comercialmente disponibles en forma de oblea producida en serie. por lo tanto, solo los métodos de procesamiento de dispositivos de 4h y 6h-sic se considerarán explícitamente en el resto de esta sección. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la mayoría de los métodos de procesamiento discutidos en esta sección son aplicables a otros politipos de sic, excepto en el caso de una capa 3c-sic que aún reside en un sustrato de silicio, donde se deben mantener todas las temperaturas de procesamiento. muy por debajo de la temperatura de fusión del silicio (~ 1400 ° c). generalmente se acepta que la movilidad de portadora sustancialmente más alta de 4h-sic y las energías de ionización dopante más bajas en comparación con 6h-sic (tabla 5.1) deberían ser el tipo de elección para la mayoría de los dispositivos electrónicos sic, siempre que el resto del procesamiento, rendimiento y costo del dispositivo los problemas relacionados parecen ser aproximadamente iguales entre los dos politipos. además, la anisotropía de movilidad inherente que degrada la conducción paralela al eje c cristalográfico en 6h-sic favorece particularmente a 4h-sic para configuraciones de dispositivo de potencia vertical (sección 5.6.4). debido a que la energía de ionización de los dopantes aceptores de tipo p es significativamente más profunda que para los donantes de tipo n, se puede obtener una conductividad mucho más alta para los sustratos s de tipo n que para los sustratos de tipo p.
el hecho de que los coeficientes de difusión de la mayoría de los dopantes sic son insignificantemente pequeños (a? 1800 ° c) es excelente para manteniendo la estabilidad de la unión del dispositivo, porque los dopantes no se difunden indeseablemente a medida que se opera el dispositivo a largo plazo a altas temperaturas. desafortunadamente, esta característica también en gran medida (a excepción de b en el extremo temperaturas) impide el uso de la difusión dopante convencional, una técnica muy útil ampliamente empleado en la fabricación de microelectrónica de silicio, para el dopaje modelado de sic. El dopaje lateralizado de sic se lleva a cabo mediante la implantación iónica. esto de alguna manera restringe la profundidad que la mayoría de los dopantes se pueden implantar convencionalmente a \u0026 lt; 1 μm usando dopantes e implantes convencionales equipo. en comparación con los procesos de silicio, la implantación de iones sic requiere un presupuesto térmico mucho más elevado para lograr una activación eléctrica del implante dopante aceptable. resúmenes de procesos de implantación iónica para varios dopantes se pueden encontrar en la mayoría de estos procesos se basan en llevar a cabo la implantación en temperaturas que van desde la temperatura ambiente a 800 ° c usando un patrón (a veces de alta temperatura) material de enmascaramiento. la temperatura elevada durante la implantación promueve la autocuración de la red durante el implante, de modo que el daño y la segregación del silicio desplazado y los átomos de carbono no se conviertan excesivo, especialmente en implantes de dosis altas, a menudo empleados para la formación de contacto óhmico. co-implantación de carbono con dopantes se ha investigado como un medio para mejorar la conductividad eléctrica de la más capas implantadas fuertemente dopadas. después de la implantación, se quita la máscara de patrón y se aumenta la temperatura (~ 1200 a 1800 ° c) el recocido se lleva a cabo para lograr la activación eléctrica máxima de los iones dopantes. el recocido final las condiciones son cruciales para obtener las propiedades eléctricas deseadas de las capas implantadas con iones. a mayor la temperatura del recocido del implante, la morfología de la superficie sica puede degradarse seriamente. porque la sublimación el grabado se basa principalmente en la pérdida de silicio de la superficie del cristal, recocido en sobrepresiones de silicio puede usarse para reducir la degradación de la superficie durante los recocidos a alta temperatura. tal sobrepresión puede se logrará mediante fuentes sólidas de proximidad tales como el uso de un crisol sic cerrado con tapa sic y / o polvo sic cerca de la oblea, o al recocer en una atmósfera que contiene silano. similarmente, robusto depositado capas de cobertura tales como ALN y GRAFITO, también han demostrado ser efectivas para preservar mejor la superficie SIC morfología durante el recocido de implantación de iones a alta temperatura. como lo demuestran ...
todos los componentes electrónicos de semiconductores útiles requieren rutas de señal conductiva dentro y fuera de cada dispositivo, así como interconexiones conductoras para transportar señales entre dispositivos en el mismo chip y al circuito externo elementos que residen fuera de chip. mientras que sí mismo es teóricamente capaz de una operación eléctrica fantástica bajo condiciones extremas (sección 5.3), dicha funcionalidad es inútil sin contactos e interconexiones que también son capaces de operar bajo las mismas condiciones. la durabilidad y fiabilidad de los contactos e interconexiones metal-semiconductor son uno de los principales factores que limitan la límites de alta temperatura de la electrónica sic. Del mismo modo, contactos y metalizaciones de dispositivos de alta potencia sic tendrá que soportar tanto la alta temperatura como la alta densidad de corriente que nunca antes se encontraron en la experiencia de la electrónica de potencia de silicio. el tema de la formación de contacto metal-semiconductor es un campo técnico muy importante demasiado amplio para ser discutido en gran detalle aquí. para discusiones generales sobre el contacto metal-semiconductor física y formación, el lector debe consultar las narraciones presentadas en las referencias 15 y 104. estas las referencias principalmente discuten contactos óhmicos a semiconductores convencionales de banda estrecha como silicio y gaas. Se pueden encontrar resúmenes específicos de la tecnología de contacto semiconductor de metal sic en referencias 105-110. como se discutió en las referencias 105-110, hay similitudes y algunas diferencias entre sic contactos y contactos a semiconductores convencionales de banda estrecha (por ejemplo, silicio, gaas). el mismos físicos básicos y mecanismos de transporte actuales que están presentes en los contactos de banda estrecha tales como estados de superficie, fermi-pinning, emisión termoiónica y tunelización, también se aplican a contactos sic. una consecuencia natural del ancho de banda más amplio de sic es la altura de barrera schottky efectiva más alta. análogo con la física de contacto óhmico de banda estrecha, el estado microestructural y químico de la interfaz sic-metal es crucial para las propiedades eléctricas de contacto. por lo tanto, deposición premetal preparación de la superficie, proceso de deposición de metal, elección de metal y recocido posterior a la deposición todo tiene un gran impacto en el rendimiento resultante de los contactos metal-sic. porque la naturaleza química de la superficie inicial de sic depende fuertemente de la polaridad de la superficie, no es raro obtener resultados significativamente diferentes cuando el mismo proceso de contacto se aplica a la superficie de la cara de silicio frente a la superficie de la cara de carbono.
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