CC BY
190ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАРШРУТЫ TECHNOLOGICAL PROCESSES AND ROUTES
УДК 661.665.1:621.314.621.382 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-6-483-496
Анализ эпитаксии карбида кремния
из газовой фазы как базового процесса
в технологии силовой электроники
11 1 2 А.В. Афанасьев , В.А. Ильин , В.В. Лучинин , С.А. Решанов
Обзор
1 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина),
Санкт-Петербург, Россия
2
Ascatron AB, Чиста - Стокгольм, Швеция cmid_leti@mail. ru
1 ноября 2020 г. исполнилось 89 лет со дня рождения доктора технических наук, заслуженного профессора ЛЭТИ, заслуженного деятеля науки и техники РФ Юрия Михайловича Таирова, внесшего большой вклад в развитие карбидокремниевой технологии. Работа подготовлена его воспитанниками и посвящена памяти учителя.
В настоящее время химическое осаждение из газовой фазы (Chemical Vapor Depositior, CVD) является основным методом производства высококачественных и воспроизводимых по параметрам эпитаксиальных слоев для коммерческих силовых приборов на основе карбида кремния (SiC). С учетом имеющегося у СПбГЭТУ «ЛЭТИ» опыта синтеза монокристаллического SiC проведен анализ современного состояния технологии эпитаксиального роста SiC. В работе показано, что современные CVD-реакторы позволяют реализовать процессы роста эпитаксиальных SiC-структур высокого качества со следующими параметрами: подложки диаметром до 200 мм, толщина эпитаксиальных слоев от 0,1 до 250 мкм, слои n- и ^-типа проводимости с диапазоном уровней легирования 10-1019 см и 10 -1020 см соответственно. Отмечено, что отработка технологии воспроизводимого роста эпитаксиальных слоев является индивидуальной задачей для конкретного типа реактора. Это требует детального учета технологических факторов, которые определяют достижимые параметры эпитаксиальных SiC-структур.
Ключевые слова: карбид кремния (SiC); эпитаксия из газовой фазы (CVD); прекурсоры; эпитаксиальный слой; параметры процесса CVD-эпитаксии; CVD-реактор
© А.В. Афанасьев, В.А. Ильин, В.В. Лучинин, С.А. Решанов, 2020
Для цитирования: Афанасьев А.В., Ильин В.А., Лучинин В.В., Решанов С.А. Анализ эпитаксии карбида кремния из газовой фазы как базового процесса в технологии силовой электроники. Обзор // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 6. С. 483-496. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-6-483-496
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № 03.G25.31.0243).
Analysis of the Gas Phase Epitaxy of Silicon Carbide
as a Basic Process for Power Electronics Technology
1 * 1 * * 1 2 A. V. Afanasev , V.A. Ilyin , V. V. Luchinin , S.A. Reshanov
Review
1 Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», Saint-Petersburg,
Russia
2
Ascatron AB, Kista - Stockholm, Sweden [email protected]
November 1, 2020 marks the 89th anniversary of the birth of doctor of technical Sciences, honored Professor of LETI, honored worker of science and technology of the Russian Federation Yuri Mikhailovich Tairov, who made a great contribution to the development of silicon carbide technology. The work was prepared by his students and is dedicated to the memory of the teacher.
Abstract: Currently, chemical gas deposition is the main method for producing high-quality and reproducible epitaxial layers for commercial silicon carbide (SiC) power devices. Based on the experience of ETU «LETI» in the synthesis of monocrystalline SiC, an analysis of the current state of silicon carbide gas phase epitaxy (CVD) technology was carried out. It has been shown that modern CVD reactors allow to implement the growth processes of SiC epitaxial structures of high quality with the following parameters: substrates diameter up to 200 mm; thicknesses of epitaxial layers from 0.1 to 250 цт; layers of n- and p-types conductivity with ranges of doping levels 1014-1019 cm-3 and 1014-1020 cm 3, respectively. At the same time, setting up the technology of the reproducible high-quality growth of epitaxial layers is an individual task for a specific type of reactor. It requires a detailed consideration of the technological factors presented in this paper, which at the end determine the achievable parameters of SiC-epitaxial products
Keywords: silicon carbide (SiC); gas phase epitaxy (CVD); precursors; epitaxial layer; CVD process parameters; CVD reactor
For citation: Afanasev A.V., Ilyin V.A., Luchinin V.V., Reshanov S.A. Analysis of the gas phase epitaxy of silicon carbide as a basic process for power electronics technology. Review. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 6, pp. 483-496. DOI: 10.24151/15615405-2020-25-6-483-496
Funding: the work has been supported by Ministry of Education and Science of Russia (project N 03.G25.31.0243).
Введение. С технологической точки зрения ключевыми элементами, определившими возможность создания электронной компонентной базы силовой электроники на основе 4H-SÍC, являются технологии объемного и эпитаксиального роста [1, 2]. Отсутствие технологии выращивания качественных кристаллов карбида кремния (SiC) большого размера долгое время сдерживало развитие SiC-электроники.
Разработка в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1978 г. Ю.М. Таировым и В.Ф. Цветковым нового метода выращивания объемных кристаллов SiC (метод ЛЭТИ) [3] на основе модификации метода Лели позволила получать SiC-подложки большого размера и ознаменовала начало этапа индустриального становления SiC-технологии [4-6]. Данная технология эпитаксиального роста SiC наряду с обеспечением требуемых размеров и качества подложек сделала возможным изготовление приборных структур, демонстрирующих преимущества SiC как базового материала силовой электроники по сравнению с другими полупроводниками [7, 8].
В настоящее время на индустриальном уровне основные требования, предъявляемые к эпитаксиальным 4H-SiC-структурам, следующие:
1) однородность толщины эпитаксиального слоя по поверхности подложки (не хуже 3 %);
2) однородность легирования слоя (не хуже 10 %);
3) малая плотность дефектов, приводящих к деградации приборов в процессе их
эксплуатации, вызванная дефектами подложки (микропоры - менее 0,1 см-2, краевые
_2 _2
дислокации - менее 500 см , базальные дислокации - менее 1000 см ) и дефектами
эпитаксии (частицы на поверхности - менее 0,1 см-2, дефекты упаковки в виде тре-
_2 _2
угольников - менее 0,1 см , базальные дислокации - менее 1 см );
4) морфология поверхности (Ah составляет не более ±10 нм), обеспечивающая возможность изготовления многосекционных силовых приборов большой площади;
5) относительно невысокая стоимость процесса эпитаксии при зависимости цены эпитаксиальной структуры от толщины слоя.
К известным технологиям эпитаксиального роста SiC можно отнести химическое осаждение из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition, CVD), сублимационную эпи-таксию (Sublimation Epitaxy, SE), жидкофазную эпитаксию (Liquid Phase Epitaxy, LPE), эпитаксию пар - жидкость - твердое состояние (Vapor - Liquid - Solid, VLS) и молеку-лярно-пучковую эпитаксию (Molecular Beam Epitaxy, MBE). В настоящее время основным методом для производства высококачественных и воспроизводимых по параметрам эпитаксиальных слоев для коммерческих силовых приборов на основе SiC является CVD-метод. Он может быть реализован при атмосферном давлении (AP-CVD) или при низком давлении (LP-CVD).
Имеющийся у СПбГЭТУ «ЛЭТИ» опыт разработки технологии гетероэпитаксиаль-ного роста SiC из газовой фазы [9-11] позволяет проанализировать современное состояние данной технологии.
Описание процесса SiC-CVD-эпитаксии. Изотипные 4H-SiC и-и -структуры используются в производстве униполярных приборов - наиболее востребованных на рынке силовой электроники. Толщина и уровень легирования эпитаксиального дрейфового и-слоя определяются электрическими параметрами целевого прибора - JBS-диода или МОП-транзистора. В табл.1 приведены значения минимально допустимой толщины и предельной концентрации доноров для стандартной линейки высоковольтных 4H-SiC-приборов, полученные в результате моделирования в рамках оптимизированных моделей [12, 13].
Таблица 1
Значения толщины и концентрации доноров эпитаксиальных слоев для стандартной линейки высоковольтных 4H-SiC-приборов
Table 1
Calculated values of thicknesses and donors concentrations in epilayers for the high-voltage 4H-SiC devices line
Блокирующее напряжение, В Толщина n-слоя, мкм Концентрация доноров, см-3
600 3,7 2,8-1016
1200 7,7 1,31016
1700 12 8,11015
3300 24 3,5-1015
6500 51 1,51015
10 000 88 8,11014
Современная промышленная установка БЮ-СУВ-эпитаксии, ориентированная в первую очередь на изготовление эпитаксиальных структур, показана на рис.1. Важной задачей в процессе SiC-CVD-эпитаксии является обеспечение качества эпитаксиальных слоев в части стабильной воспроизводимости политипа подложки эпитаксиальным слоем, его структуры и морфологии, уровня легирования и толщины. Данные показатели связаны с параметрами технологического процесса, которые необходимо контролировать [13] (рис.2).
а б
Рис.1. Промышленная установка SiC-CVD-эпитаксии: вид из чистой зоны (зона загрузки пластин) (а) и сервисной зоны (б) Fig. 1. Industrial SiC CVD epitaxial reactor: the view from the clean zone (the substrates loading zone) (a), view from the service zone (b)
Процесс CVD-роста SiC в большинстве случаев состоит из следующих стадий: нагрев, травление подложки, эпитаксиальный рост, охлаждение. Травление in-situ выполняется при высокой температуре (обычно такой же, как и для основного роста) с использованием чистого Н2, HCl/H2, углеводорода/Н2 или SÍH4/H2. Травление необходимо для удаления приповерхностных дефектов, возникших в результате полировки подложки, получения регулярных ступенчатых структур и инициирующих матриц для обеспечения эпитаксиального роста структурно-совершенных слоев. По завершении процесса травления эпитаксиальный рост SiC осуществляется в CVD-реакторе в смеси газов-прекурсоров (кремний и углеродсодержащие газы) и газа-носителя (водород, аргон, гелий), которые поступают в нагретую камеру (рис.3, табл.2).
Рис.2. Параметры SiC-CVD-технологии, обеспечивающие требуемые характеристики
эпитаксиальных слоев
Fig.2. Parameters of SiC CVD technology that provide the required characteristics of epitaxial layers
Таблица 2
Газы-носители, используемые в процессе SiC-CVD-эпитаксии
Table 2
Carrier gases in SiC-CVD epitaxy
Газ Стоимость Травление SiC Недостатки
Водород Низкая Есть -
Аргон Средняя Нет Нуклеация Si
Гелий Высокая Нет -
Рис.3. Основные источники кремния и углерода при осаждении SiC CVD-методом Fig.3. Main sources of silicon and carbon for SiC CVD deposition
Смесь газов распространяется внутри реакционной камеры в виде ламинарного потока над нагретым подложкодержаталем с образованием пограничного слоя. Во время нагревания имеют место процессы разложения газов-реагентов и образования реакционных соединений, которые диффундируют через пограничный слой к подложке, где и происходит рост эпитаксиального слоя. В CVD-реакторе температура роста может изменяться в диапазоне 1300-1800 °С. При низких температурах обычно наблюдается
рост кубического ЗС-БЮ, тогда как при температурах выше 1450 °С растет гексагональный политип 4H/6H-SiC (рис.4).
Особое внимание следует обратить на такой параметр, как соотношение Si/H2. Скорость роста прямо пропорциональна этому соотношению при фиксированном значении остальных параметров процесса (рис.5). Так, при ведении стандартной SiC-СУВ-эпитаксии соотношение Si/H2 составляет менее 0,1 %. В этом случае скорость роста не превышает 10 мкм/ч. При высоких значениях соотношений Б1/Н2 в газовой фазе формируются кластеры кремния, которые могут выпадать на эпитаксиальных слоях в виде капель или образовывать агрегаты на поверхности растущего слоя. Через некоторое время кластеры кремния испаряются, оставляя следы в виде ямок (см. рис.5). Данное обстоятельство приводит к повреждению эпитаксиального БЮ-слоя и, как следствие, к невозможности создания эпитаксиальных структур с толстыми слоями (более 10 мкм).
о S
I И £
о о £
я: <ц о
ЬЕ §
5
У -в- о
О с. о о
20-нуклеация
Рост Преобладание
4H/6H-SiC травления
3C-SiC- над ростом
включения
1450
1650
Т,°С
Рис.4. Температурные диапазоны и структурно-морфологические особенности процесса SiC-CVD-эпитаксии Fig.4. Temperature ranges and structural and morphological features of the SiC CVD process
Рис.5. Зависимость скорости роста и морфологии слоя SiC от соотношения Si/H2: а - зеркальная
поверхность; б - образование Si-кластеров; в - доминирование Si-кластеров Fig.5. The growth rate and morphology of SiC layer in dependence on the Si/H2 ratio: mirror surface (a);
Si clusters are formed (b); Si clusters dominate (c)
Структурообразование SiC в процессе CVD-эпитаксии. На ранней стадии развития процессов объемного роста и эпитаксии SiC одним из важных критериев качества материала является политипная однородность. В начале 1980-х гг. в рамках детального исследования «генетических» и кинетических условий синтеза был сформулирован и реализован на практике критерий управления политипной структурой в процессе зарождения и роста SiC [14]. В его основе лежат принципы матричного копирования - репликации политипа субстрата и неравновесность процесса упорядочивания. Данный подход позволил определить условия управляемого роста промышленно значимых политипов SiC: 6H и 4Н, а также реализовать псевдоморфное копирование инородного субстрата нитрида алюминия в виде вюрцитной модификации 2H-SiC сублимационным сэндвич-методом [15].
При развитии гомоэпитаксиального CVD-синтеза гексагональных политипов SiC (4H и 6H) серьезную проблему представляла политипная неоднородность слоев, а именно включения кристаллического 3C-SiC [16]. В процессе роста на вицинальных гранях при отклонении подложки на 2-6° от плоскости (0001) 6H-SiC при температурах 1450-1550°C получен гомоэпитаксиальный рост 6H-SiC с гладкой поверхностью [17]. Аналогичным образом продемонстрирован гомоэпитаксиальный рост CVD-методом политипа 4H-SiC при отклонении на 5-6° от плоскости 4H-SiC (0001) [18]. Этот принцип роста, называемый ступенчатой эпитаксией, применим к гомоэпитаксии и других политипов, например 15R-SiC.
На рис.6 показана морфология поверхности эпитаксиальных слоев, выращенных на поверхности (0001) 4Н-SiC и при стандартной разориентации подложки на 4°. Видно, что на поверхности (0001) эпитаксиальный слой имеет мозаичную морфологию, а относительно гладкие домены разделены границами в виде ступеней или канавок. На основании результатов исследований методами просвечивающей электронной микроскопии и комбинационного рассеяния установлено, что выращенный слой идентифицируется как 3C-SiC (111) с двойникованием. В то же время эпитаксиальный слой на отклоненной от плоскости (0001) подложке имеет зеркально-гладкую поверхность, а структурный анализ показал гомоэпитаксиальный рост монокристаллического 4H-SiC. На рис.7 схематически показаны режимы роста и последовательность упаковки SiC-слоев [19].
а б
Рис.6. Морфология поверхности эпитаксиальных SiC-слоев, выращенных на плоскости (0001) 4K-SiC (а) и на поверхности, отклоненной на 4° от плоскости (0001) (б) Fig.6. Surface morphology for SiC epitaxial layers grown on-axis (a) and 4° off-axis 4K-SiC (0001) (b)
Рис. 7. Режимы роста и последовательность упаковки слоев, полученных на поверхности 4K-SiC (0001) (а) и на отклоненной от плоскости (0001) поверхности (б) [19] Fig. 7. Growth modes and stacking sequence of layers obtained on-axis 4H-SiC (0001) (a)
and off-axis 4H-SiC (0001) (b) [19]
Как видно из рис.7,а, в плоскости (0001) плотность ступеней очень мала. Поэтому из-за высокого пересыщения рост кристаллов происходит преимущественно за счет двумерного зарождения, что приводит к росту 3C-SiC [16]. Известно, что такие дефекты, как повреждения поверхности, вызванные полировкой, могут также инициировать зарождение 3C-SiC, когда пересыщение является высоким. На отклоненной от плоскости (0001) поверхности (рис.7,б) плотность ступеней высока. Следовательно, политипнооднородная гомоэпитаксия SiC реализуется путем ступенчатого роста. Таким образом, ступени на поверхности служат матрицей, которая реплицирует политип подложки в эпитаксиальный слой.
Легирование SiC в процессе CVD-эпитаксии. В стандартном процессе SiC-CVD-эпитаксии в качестве прекурсоров используют SiH4 и C3H8 или C2H4 (см. рис.3). Газом-носителем обычно является H2, реже - Ar (см. табл.2). Типичные температура и скорость роста составляют 1500-1650 °С и 3-15 мкм/ч соответственно. Данный процесс может быть успешно использован при росте буферных слоев и активных дрейфовых слоев для приборов с напряжением до 1200 В (см. табл.1).
В технологиях эпитаксии SiC, включая CVD-метод, достижение управляемого легирования SiC в широком диапазоне концентраций обеспечивается за счет эффекта «конкуренции» атомов при занятии соответствующей позиции в кристаллической решетке SiC [20]. Так, включение N (донорная примесь) заметно увеличивается в условиях обогащения кремнийсодержащей компонентой при низком соотношении C/Si и
16
10
|ю15
я
о
«
|ю14
то
СЦ
Н X CJ
я 14 § 1013
10
12
■' ' ' 4 ' ' 1 4 ' ' '
С грань
г "f
9
о -
Si грань О . Переход ;
Oft j к р-типу- or- ;
0,5 1,0 1,5 2,0 Соотношение C/Si, %
2,5
уменьшается в условиях обогащения угле-родсодержащей компонентой при высоком соотношении С^. Качественно это явление можно объяснить «конкуренцией» атомов N и С при их внедрении на растущую поверхность, поскольку атомы N занимают узлы подрешетки С в SiC. Таким образом, низкая концентрация атомов С на растущей поверхности способствует включению N в решетку растущего эпитакси-ального слоя, в то время как высокая концентрация атомов С препятствует его включению. Поэтому при ведении процесса SiC-CVD-эпитаксии с целью получения «чистых» (нелегированных) слоев 4Н-Б1С следует руководствоваться экспериментальной зависимостью, представленной на рис.8 [20]. При легировании А1 и В, при котором происходит замещение в подре-шетке Si, наблюдается противоположная тенденция: включение А1 и В уменьшается в условиях с высоким содержанием и усиливается в условиях с высоким содержанием С.
Легирование п-типа реализуется на месте путем подачи N2 в процессе СУВ-роста. На рис.9,а показана зависимость концентрации доноров от потока N2 в СУВ-реакторе с горячей стенкой 4Н^Ю при температуре 1550 °С. Использование триметилалюминия (Л1(СИз)з) наиболее эффективно при т^Ы легировании р-типа. На рис.9,б показана зависимость концентрации акцепторов от скорости потока Л1(СН3)3 при 1550°С [19].
Рис.8. Зависимость концентрации доноров в нелегированных 4Н^Ю-эпитаксиальных слоях от соотношения C/Si при температуре роста 1600 °C
и скорости роста 20-25 мкм/ч [20] Fig.8. C/Si ratio dependence of the donor density of nominally undoped 4H-SiC epitaxial layers at temperature 1600 °C and growth rate 20-25 mkm/hour [20]
Рис.9. Зависимости концентрации доноров от скорости потока N2 (а) и концентрации акцепторов от скорости потока Al(CH3)3 (б) в CVD-реакторе с горячей стенкой 4H-SiC (0001) при температуре
1550 °C [19]
Fig.9. Donor density versus N2 flow (a) and the acceptor density versus the Al(CH3)3 flow rate (b) in hot-wall CVD with of 4H-SiC (0001) at 1550 °C [19]
Для создания приборов с блокирующим напряжением более 1700 В толщина активного и-слоя должна быть более 12 мкм, а концентрация доноров - менее 8-1015 см-3 (см. табл.1). Выполнение такого требования возможно только при высоких скоростях роста эпитаксиальных слоев (более 15 мкм/ч), т.е. при соотношении Si/H2 более чем 0,1 %. Как показывают исследования, высококачественные слаболегированные эпитак-сиальные и-слои толщиной более 100 мкм могут быть получены при повышенном соотношения Si/H2 с использованием следующих технологических приемов:
- рост при низком давлении (LP-CVD) и повышенных температурах;
- использование хлорсодержащей компоненты в прекурсоре (см. рис.3), где атомы кремния связаны с атомами хлора без образования Si-кластеров.
Эпитаксиальные реакторы для СУБ-роста 81С. Реакторы, используемые для СУВ-роста SiC, могут иметь разные конфигурации, которые зависят от направления потока процессных газов относительно SiC-подложки. Поток может быть направлен параллельно или перпендикулярно поверхности пластины (рис.10). Также реакторы можно дополнительно классифицировать по типу нагрева - реакторы с холодной, горя-
Рис.10. Схематические изображения реакторов, используемых для CVD-роста SiC: а - горизонтальный реактор с горячей стенкой; б - планетарный реактор с горячей (или теплой) стенкой;
в - вертикальный реактор; г - вертикальный реактор с квазигорячей стенкой [12] Fig.10. Schematic illustrations of several type hot-wall or warm-wall reactors employed for SiC CVD: horizontal hot-wall reactor (a); hot-wall (or warm-wall) planetary reactor (b); vertical reactor (с)
and vertical quasi-hot-wall reactor (d) [12]
чей и теплой стенкой. До середины 1990-х гг. для SiC-синтеза был наиболее распространен реактор с холодной стенкой. Поскольку такие реакторы широко использовались для роста полупроводников AinBV, их пытались адаптировать под SiC-эпитаксию. Однако по причине высокой дефектности эпитаксиальных SiC-слоев реакторы с холодной стенкой в дальнейшем не нашли широкого применения. Следует отметить, что в отличие от CVD-эпитаксии полупроводников группы AIIIBV, где реакции ростовых компонентов протекают непосредственно на поверхности подложки, бездефектный рост SiC происходит только при наличии соединений кремния и углерода (Si2C, SixCyHz и др.) в газовой фазе вблизи подложки [21]. Это условие выполняется за счет предварительного нагрева кремний- и углеродсодержащих прекурсоров, который инициирует протекание соответствующих реакций. Поэтому в 1993 г. был разработан реактор с горячей стенкой и горизонтальной геометрией, в котором нагреваются все стороны под-ложкодержателя и стенки реактора (рис.10,а). Кроме того, в данных реакторах используется тепловой экран, который окружает подложкодержатель для уменьшения тепловых потерь на излучение. Это позволяет уменьшить входную мощность по сравнению с реакторами с холодной стенкой.
Для увеличения срока службы графитовой арматуры и предотвращения нежелательного легирования примесью бора во время роста боковые стенки графитового реактора и подложкодержатель покрывают поликристаллическим SiC или карбидом тантала (TaC) [22]. Данный тип реактора обеспечивает возможность роста высококачественных толстых эпитаксиальных слоев (более 50 мкм) с низким фоновым
13 -3 „ и w
легированием (~ 10 см ) и хорошей морфологией. В настоящее время горизонтальный реактор с горячей стенкой является одним из наиболее широко используемых в промышленности.
Планетарные реакторы с теплой стенкой разработаны для SiC на базе новой технологической платформы роста полупроводниковых соединений AIIIBV, ориентированных на массовое производство эпитаксиальных структур (рис. 10,б). Для улучшения однородности конструкция реактора имеет уникальную особенность: газ, например аргон, используется для подъема подложкодержателя и левитационного вращения подложек [23]. Благодаря совокупному вращению платформы подложкодержателя и подложек по отдельности достигается высокая равномерность слоя. Скорости роста составляют до 30 мкм/ч. Поэтому наиболее часто реакторы данного типа используются в массовом производстве эпитаксиальных SiC-структур для приборов c напряжением до 1200 В.
В 2014 г. японская компания NuFlare продемонстрировала новый тип вертикального эпитаксиального SiC-реактора с двумя зонами нагрева и загрузкой на одну 150-мм пластину (рис.10,г). Особенностью данного типа реактора является высокая частота вращения подложки (1000 об/мин). Это обеспечивает высокую скорость роста слоев (до 50 мкм/ч) и их однородность (в 4 раза лучше, чем в горизонтальной и планетарной CVD-системах [24]). При этом заявлена высокая производительность реактора. Так, система позволяет повышать и понижать температуру за 15 мин, что дает возможность за короткий период (30 мин) получить 10-мкм слой при скорости роста 40-50 мкм/ч.
Заключение. В настоящее время технология эпитаксиального роста SiC промыш-ленно освоена. Существующие коммерчески доступные CVD-реакторы позволяют реализовать процессы роста эпитаксиальных SiC-структур приборного качества на подложках диаметром до 200 мм с толщиной слоев более 100 мкм n- и ^-типов проводимости.
В то же время отработка технологии воспроизводимого роста эпитаксиальных слоев и особенно анизотипных структур является индивидуальной задачей для реактора
конкретного типа и требует детального учета факторов, определяющих достижимые параметры эпитаксиальной продукции. Поэтому, как правило, затраты на отработку технологии SiC-CVD-эпитаксии сопоставимы с финансовыми вложениями в высокотемпературное эпитаксиальное оборудование.
Литература
1. Лучинин В.В., Таиров Ю. М. Отечественный карбид кремния // Изв. вузов. Электроника. 2011. № 6 (92). С. 3-26.
2. Лучинин В.В Технологии превосходства. Карбид кремния. Научно-технологический статус ЛЭТИ // Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18. № 5. С. 259-271.
3. Tairov Y.M., Tsvetkov V.F. Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals // J. Cryst. Growth. 1978. Vol. 43 (2). P. 209-212.
4. Лебедев А.О., Авров Д.Д., Таиров Ю.М, Лучинин В.В. Способ получения монокристаллического SiC // Патент РФ № 2633909. 2016.
5. Способ получения монокристаллического SiC / Д.Д. Авров, Ю.О. Быков, С.В. Гладкий и др. // Патент РФ № 2671349. 2017.
6. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Отечественный полупроводниковый карбид кремния: шаг к паритету // Современная электроника. 2009. Т. 7. С. 12-15.
7. Лучинин В.В. Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Ч. I // Наноиндустрия. 2016. № 3 (65). С. 78-89.
8. Лучинин В.В. Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 4.II // Наноиндустрия. 2016. №4 (66). С. 40-50.
9. Полупроводниковая сэндвич-структура ЗС-SiC/Si, способ ее получения и чувствительный элемент мембранного типа с ее использованием / А.В. Афанасьев, В.А. Ильин, А.C. Петров и др. // Патент РФ №2395867. 2010.
10. Ильин В.А., Матузов А.В., Казак-Казакевич А.З., Петров А.С. Методика эпитаксиального наращивания кубического карбида кремния на кремний по технологии CVD // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2007. № 3. С. 22-26.
11. Ильин В.А., Матузов А.В., Петров А.С. Исследования процессов получения гетероэпитакси-альных структур ЗС-карбид кремния на подложках кремния // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2008. № 4. С. 31-34.
12. Kimoto T., Cooper J.A. Fundamentals of silicon carbide technology: growth, characterization, devices and applications. Singapore: John Wiley & Sons, Inc., 2014. 400 p.
13. Афанасьев А.В., Ильин В.А., Лучинин В.В., Михайлов А.И. Газофазная эпитаксия - ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния // Наноиндустрия. 2018. № 7-8 (86). С. 488-497.
14. Кальнин А.А., Лучинин В.В., Нойберт Ф., Таиров Ю.М. Закономерность эволюции кристаллической структуры при синтезе веществ, обладающих множеством структурно-устойчивых состояний // ЖТФ. 1984. Т. 54. № 7. С. 1388-1390.
15. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Гетероэпитаксиальная композиция: редкий политип карбида кремния 2Н на изолирующей подложке: нитрид алюминия - сапфир // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. № 14. С. 873-875.
16. Matsunami H., Kimoto T. Step-controlled epitaxial growth of SiC: High quality homoepitaxy // Materials Science and Engineering 1997. No. 20. P. 125-166.
17. Kong H.S., Glass J. T., Davis R.F. Chemical vapor deposition and characterization of 6H-SiC thin films on off-axis 6H-SiC substrates // Journal of Applied Physics. 1988. No. 64. P. 2672-2679.
18. Nitrogen donors and deep levels in high-quality 4H-SiC epilayers grown by chemical vapor deposition / T. Kimoto, A. Itoh, H. Matsunami et al. // Applied Physics Letters. 1995. No. 67 (19). P. 2833-2835.
19. Kimoto T. Bulk and epitaxial growth of silicon carbide // Progress in Chrystal Growth and Characterisation of Materials. 2016. Vol. 62. P. 329-351.
20. Larkin, D.J., Neudeck, P.G., Powell, J.A., Matus, L.G. Site-competition epitaxy for superior silicon carbide electronics // Applied Physics Letters. 1994. Vol. 65. P. 1659-1661.
21. Nishizawa S., Pons M. Growth and doping modeling of SiC-CVD in a horizontal hot-wall reactor // Chemical Vapor Deposition. 2006. Vol. 12. P. 516-522.
22. Способ подготовки тигля для выращивания монокристаллов карбида кремния / Д.Д. Авров, Ю.О. Быков, А.Е. Комлев и др. // Евразийский патент № 033855. 2019.
23. Burk A. A. Development of multiwafer warm-wall planetary VPE reactors for sic device production // Chemical Vapor Deposition. 2006. Vol. 12. P. 465-473.
24. Advances in fast epitaxial growth of 4H-SiC and defect reduction / H. Tsuchida, I. Kamata, M. Ito et al. // Materials Science Forum. 2016. Vol. 858. P. 119-124.
Поступил в редакцию 18.08.2020 г.; после доработки 18.08.2020 г.; принят к публикации 22.09.2020 г.
Афанасьев Алексей Валентинович - кандидат технических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5), [email protected]
Ильин Владимир Алексеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5), [email protected]
Лучинин Виктор Викторович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5), [email protected]
Решанов Сергей Александрович - кандидат технических наук, директор по развитию компании Ascatron AB (Швеция, 16440, Чиста, Isafjordsgatan, 22), [email protected]
References
1. Luchinin V.V., Tairov Y.M. Russian silicon carbide. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of universities. Electronics, 2011, vol. 92 (6), pp. 3-26. (in Russian).
2. Luchinin V.V. Technologies of superiority. Silicon carbide. Scientific-technological status of LETI. Nano-1 mikrosistemnaya tekhnika = Nano-andMicrosystems technology, 2016, vol. 18 (5), pp. 259-271. (in Russian).
3. Tairov Y.M., Tsvetkov V.F. Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals. J. Cryst. Growth, 1978, vol. 43 (2), pp. 209-212.
4. Lebedev A.O., Avrov D.D., Tairov Y.M., Luchinin V.V. Method for manufacturing of single crystalline SiC. Patent RU № 2633909. (in Russian).
5. Avrov D.D., Bykov Y.O., Gladky S.V., Lebedev A.O., Tairov Y.M. Method for manufacturing of single crystalline SiC. Patent RU № 2671349. (in Russian).
6. Luchinin V.V., Tairov Y.M. Russian semiconductor silicon carbide: a step towards parity. Sovremennaya elektronika = Modern Electronics, 200, vol. 7, pp. 12-15. (in Russian).
7. Luchinin V.V. Russian electronic components for extreme conditions: silicon carbide industry founded by ETU «LETI». Part I. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2016, vol. 65 (3), pp. 78-89. (in Russian).
8. Luchinin V.V. Russian electronic components for extreme conditions: silicon carbide industry founded by ETU «LETI». Part II. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2016, vol. 66 (4), pp. 40-50. (in Russian).
9. Afanasev A.V., Ilyin V.A., Petrov A.S. at el. Method for manufacturing of 3C-SiC/Si semiconductor sandwich structure and a membrane-type sensitive element using it. Patent RU № 2395867. (in Russian).
10. Ilyin V.A., Matuzov A.V., Kazak-Kazakevich A.Z., Petrov A.S. Method of epitaxial growth of cubic silicon carbide on silicon by CVD technology. Izvestiya vuzov. Materialy elektronnoy tekhniki = Proceedings of Higher Schools. Materials of Electronics Engineering, 2007, no. 3, pp. 22-26. (in Russian).
11. Ilyin V.A., Matuzov A.V., Petrov A.S. Investigation of the 3C-silicon carbide on silicon substrates heteroepitaxial structures growth processes. Izvestiya vuzov. Materialy elektronnoy tekhniki = Proceedings of Higher Schools. Materials of Electronics Engineering, 2008, no. 4, pp. 31-34.
12. Kimoto T., Cooper J.A. Fundamentals of silicon carbide technology: growth, characterization, devices and applications. Singapore, John Wiley & Sons, Inc., 2014. 400 p.
13. Afanasev A.V., Ilyin V.A., Luchinin V.V., Mikhaylov A.I. Vapor phase epitaxy as the key technology for power MOSFET-transistors based on silicon carbide. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2018, vol. 86 (7-8), pp. 488-497. (in Russian).
14. Kalnin A.A., Luchinin V.V., Noibert F., Tairov Y.M. The regularity of the evolution of the crystal structure during the synthesis of substances with many structurally stable states. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki = Technical Physics, 1984, vol. 54 (7), pp. 1388-1390. (in Russian).
15. Luchinin V.V., Tairov Y.M. Heteroepitaxial composition: rare polytype of silicon carbide 2H on an insulating substrate: aluminum nitride - sapphire. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoy fiziki = Technical Physics Letters, 1984, vol.10 (14), pp. 873-875. (in Russian).
16. Matsunami H., Kimoto T. Step-controlled epitaxial growth of SiC: High quality homoepitaxy. Materials Science and Engineering, 1997, no. 20, pp.125-166.
17. Kong H.S., Glass J.T., Davis R.F. Chemical vapor deposition and characterization of 6H-SiC thin films on off-axis 6H-SiC substrates. Journal of Applied Physics, 1988, no. 64, pp. 2672-2679.
18. Kimoto T., Itoh A., Matsunami H., Sridhara S., Clemen L. L., Devaty R. P., Choyke W. J., Dalibor T., Peppermuller C., Pensl G. Nitrogen donors and deep levels in high-quality 4H-SiC epilayers grown by chemical vapor deposition. Applied Physics Letters, 1995, no. 67 (19), pp. 2833-2835.
19. Kimoto T. Bulk and epitaxial growth of silicon carbide. Progress in Chrystal Growth and Characterisation of Materials, 2016, vol. 62, pp. 329-351.
20. Larkin, D.J., Neudeck, P.G., Powell, J.A., Matus, L.G. Site-competition epitaxy for superior silicon carbide electronics. Applied Physics Letters, 1994, vol. 65, pp. 1659-1661.
21. Nishizawa S., Pons M. Growth and doping modeling of SiC-CVD in a horizontal hot-wall reactor. Chemical Vapor Deposition, 2006, vol. 12, pp. 516-522.
22. Avrov D.D., Bykov Y.O., Komlev A.E., Lebedev A.O., Tairov Y.M. Method for crucible preparation for silicon carbide single crystals growth. Patent EA № 033855. (in Russian).
23. Burk A. A. Development of multiwafer warm-wall planetary VPE reactors for SiC device production. Chemical Vapor Deposition, 2006, vol. 12, pp. 465-473.
24. Tsuchida H., Kamata I., Ito M. et al. Advances in fast epitaxial growth of 4H-SiC and defect reduction. Materials Science Forum, 2016, vol. 858, pp. 119-124.
Received 18.08.2020; Revised 18.08.2020; Accepted 22.09.2020.
Information about the authors:
Aleksei V. Afanasev - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Micro- and Nanoelectronics Department, Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» (Russia, 197376, St. Petersburg, Professor Popov st., 5), [email protected]
Vladimir A. Ilyin - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Micro- and Nanoelectronics Department Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» (Russia, 197376, St. Petersburg, Professor Popov st., 5), [email protected]
Viktor V. Luchinin - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Micro- and Nanoelectronics Department Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» (Russia, 197376, St. Petersburg, Professor Popov st., 5), [email protected]
Sergey A. Reshanov - Cand. Sci. (Eng.), Development Manager at Ascatron AB (Sweden, 16440, Kista, Isafjordsgatan, 22), [email protected]
