У цяперашні час прамысловасць SiC пераходзіць са 150 мм (6 цаляў) на 200 мм (8 цаляў). Для таго, каб задаволіць пільны попыт на буйнагабарытныя, высакаякасныя гомаэпітаксіяльныя пласціны з карбіда карбіду, 150 мм і 200 мм4H-SiC гомаэпітаксійныя пласціныбылі паспяхова падрыхтаваны на айчынных падкладках з выкарыстаннем незалежна распрацаванага абсталявання для эпітаксіяльнага вырошчвання 200 мм SiC. Быў распрацаваны гомаэпітаксіяльны працэс, прыдатны для 150 мм і 200 мм, у якім хуткасць эпітаксіяльнага росту можа перавышаць 60 мкм/гадз. Пры выкананні высакахуткаснай эпітаксіі якасць эпітаксіяльнай пласціны выдатная. Раўнамернасць па таўшчыні 150 мм і 200 ммЭпітаксіяльныя пласціны SiCможна кантраляваць у межах 1,5%, аднастайнасць канцэнтрацыі складае менш за 3%, шчыльнасць фатальных дэфектаў складае менш за 0,3 часціц/см2, сярэдняквадратычнае значэнне эпітаксіяльнай шурпатасці паверхні Ra менш за 0,15 нм, і ўсе асноўныя паказчыкі працэсу знаходзяцца на перадавы ўзровень прамысловасці.
Карбід крэмнію (SiC)з'яўляецца адным з прадстаўнікоў паўправадніковых матэрыялаў трэцяга пакалення. Ён мае характарыстыкі высокай напружанасці поля прабоя, выдатнай цеплаправоднасці, вялікай хуткасці дрэйфу насычэння электронаў і моцнай радыяцыйнай устойлівасці. Ён значна пашырыў магутнасць апрацоўкі энергіі сілавых прылад і можа задаволіць патрабаванні да абслугоўвання наступнага пакалення сілавога электроннага абсталявання для прылад з вялікай магутнасцю, малым памерам, высокай тэмпературай, высокім выпраменьваннем і іншымі экстрэмальнымі ўмовамі. Гэта можа паменшыць прастору, паменшыць энергаспажыванне і паменшыць патрабаванні да астуджэння. Гэта прынесла рэвалюцыйныя змены ў новыя энергетычныя транспартныя сродкі, чыгуначны транспарт, разумныя сеткі і іншыя сферы. Такім чынам, паўправаднікі з карбіду крэмнію прызнаны ідэальным матэрыялам, які стане лідэрам наступнага пакалення магутных электронных прылад. У апошнія гады дзякуючы падтрымцы нацыянальнай палітыкі ў галіне развіцця паўправадніковай прамысловасці трэцяга пакалення ў Кітаі былі ў асноўным завершаны даследаванні, распрацоўка і будаўніцтва 150-міліметровай індустрыяльнай сістэмы прылад SiC, і бяспека прамысловай ланцужкі павысілася. у асноўным гарантавана. Такім чынам, акцэнт галіны паступова перамясціўся ў бок кантролю выдаткаў і павышэння эфектыўнасці. Як паказана ў табліцы 1, у параўнанні з 150 мм, 200 мм SiC мае больш высокі каэфіцыент выкарыстання грані, і выпуск адзінкавых пласцін можа быць павялічаны прыкладна ў 1,8 разы. Пасля развіцця тэхналогіі кошт вытворчасці аднаго чыпа можа быць зніжаны на 30%. Тэхналагічны прарыў у 200 мм з'яўляецца прамым сродкам "зніжэння выдаткаў і павышэння эфектыўнасці", а таксама з'яўляецца ключом да таго, каб паўправадніковая прамысловасць маёй краіны "працавала паралельна" ці нават "лідзіравала".
У адрозненне ад працэсу прылады Si,Паўправадніковыя сілавыя прыборы SiCусе апрацаваны і падрыхтаваны з эпітаксіяльнымі пластамі ў якасці краевугольнага каменя. Эпітаксійныя пласціны з'яўляюцца важнымі асноўнымі матэрыяламі для сілавых прылад SiC. Якасць эпитаксиального пласта наўпрост вызначае працаздольнасць прылады, а яго кошт складае 20% ад кошту вытворчасці чыпа. Такім чынам, эпітаксійны рост з'яўляецца важным прамежкавым звяном у сілавых прыладах SiC. Верхняя мяжа ўзроўню працэсу эпітаксіі вызначаецца эпітаксіяльным абсталяваннем. У цяперашні час ступень лакалізацыі 150-міліметровага эпітаксіяльнага абсталявання SiC у Кітаі адносна высокая, але агульны макет 200-міліметровага абсталявання ў той жа час адстае ад міжнароднага ўзроўню. Такім чынам, для таго, каб вырашыць надзённыя патрэбы і праблемы вузкіх месцаў вытворчасці буйнагабарытных высакаякасных эпітаксіяльных матэрыялаў для развіцця айчыннай паўправадніковай прамысловасці трэцяга пакалення, у гэтым артыкуле прадстаўлена 200-міліметровае эпітаксіяльнае абсталяванне SiC, паспяхова распрацаванае ў маёй краіне, і вывучае працэс эпітаксіі. Дзякуючы аптымізацыі параметраў працэсу, такіх як тэмпература працэсу, хуткасць патоку газу-носьбіта, стаўленне C/Si і г.д., аднастайнасць канцэнтрацыі <3%, нераўнамернасць таўшчыні <1,5%, шурпатасць Ra <0,2 нм і шчыльнасць фатальных дэфектаў <0,3 збожжа /см2 150-мм і 200-мм эпітаксіяльных пласцін з карбіду крэмнію з незалежнай распрацоўкай 200-мм карбіду крэмнію. печы атрымліваюцца. Узровень працэсу абсталявання можа задаволіць патрэбы ў высакаякаснай падрыхтоўцы сілавых прылад SiC.
1 Эксперымент
1.1 ПрынцыпSiC эпітаксіяльныпрацэс
Працэс гомаэпітаксіяльнага вырошчвання 4H-SiC у асноўным уключае 2 ключавыя этапы, а менавіта высокатэмпературнае тручэнне на месцы падкладкі 4H-SiC і працэс гамагеннага хімічнага нанясення з паравай фазы. Асноўнай мэтай пратручвання падкладкі на месцы з'яўляецца выдаленне паверхневых пашкоджанняў падкладкі пасля паліроўкі пласцін, рэшткаў паліравальнай вадкасці, часціц і аксіднага пласта, і шляхам пратручвання на паверхні падкладкі можа быць сфарміравана звычайная атамная ступеньчатая структура. Траўленне на месцы звычайна праводзіцца ў атмасферы вадароду. У адпаведнасці з рэальнымі патрабаваннямі да працэсу можна таксама дадаць невялікую колькасць дапаможнага газу, напрыклад, хларыду вадароду, прапану, этылену або сілану. Тэмпература вадароднага тручэння на месцы звычайна перавышае 1600 ℃, а ціск у рэакцыйнай камеры звычайна падтрымліваецца ніжэй за 2 × 104 Па падчас працэсу тручэння.
Пасля таго, як паверхня падкладкі актывуецца пратручваннем на месцы, яна ўваходзіць у працэс высокатэмпературнага хімічнага асаджэння з паравой фазы, гэта значыць у крыніцу росту (напрыклад, этылен/прапан, TCS/сілан), крыніцу легіравання (крыніца легіравання азоту n-тыпу , крыніца легіравання p-тыпу TMAl), а дапаможны газ, напрыклад хларыд вадароду, транспартуецца ў рэакцыйную камеру праз вялікі паток газу-носьбіта (звычайна вадарод). Пасля рэакцыі газу ў высокатэмпературнай рэакцыйнай камеры частка папярэдніка ўступае ў хімічную рэакцыю і адсарбуецца на паверхні пласціны, у выніку чаго ўтвараецца монакрышталічны аднастайны эпітаксіяльны пласт 4H-SiC з пэўнай канцэнтрацыяй допінгу, удзельнай таўшчынёй і больш высокай якасцю. на паверхні падкладкі з выкарыстаннем монакрышталічнай падкладкі 4H-SiC у якасці шаблону. Пасля многіх гадоў тэхнічных даследаванняў гомаэпітаксіяльная тэхналогія 4H-SiC у асноўным саспела і шырока выкарыстоўваецца ў прамысловай вытворчасці. Найбольш шырока выкарыстоўваная ў свеце гомаэпітаксіяльная тэхналогія 4H-SiC мае дзве тыповыя характарыстыкі:
(1) Выкарыстанне пазавосевай (адносна плоскасці крышталя <0001> у напрамку крышталя <11-20>) падкладкі з нахільным выразам у якасці шаблону атрымлівае эпітаксіяльны пласт монакрышталя 4H-SiC высокай чысціні без прымешак. нанесены на падкладку ў выглядзе крокавага рэжыму росту. Ранні гомаэпітаксіяльны рост 4H-SiC выкарыстоўваў станоўчую крышталічную падкладку, гэта значыць плоскасць <0001> Si для росту. Шчыльнасць атамных прыступак на паверхні станоўчай крышталічнай падкладкі нізкая, а тэрасы шырокія. Двухмерны рост зародкаў лёгка адбываецца ў працэсе эпітаксіі з адукацыяй крышталя 3C SiC (3C-SiC). Шляхам пазавосевага разразання на паверхні падкладкі 4H-SiC <0001> могуць быць уведзены атамныя прыступкі высокай шчыльнасці з вузкай шырынёй тэрасы, і адсарбаваны папярэднік можа эфектыўна дасягнуць становішча атамных прыступак з адносна нізкай павярхоўнай энергіяй праз павярхоўную дыфузію . На прыступцы становішча сувязі атам-папярэднік/малекулярная група з'яўляецца унікальным, таму ў рэжыме паступовага патоку эпітаксіяльны пласт можа цалкам успадкаваць паслядоўнасць падвойнага атамнага пласта Si-C на падкладцы для фарміравання монакрышталя з такім жа крышталем фаза ў якасці падкладкі.
(2) Высакахуткасны эпітаксійны рост дасягаецца шляхам увядзення хлорзмяшчальнай крыніцы крэмнію. У звычайных сістэмах хімічнага асаджэння SiC з паравай фазы сілан і прапан (або этылен) з'яўляюцца асноўнымі крыніцамі росту. У працэсе павелічэння хуткасці росту за кошт павелічэння хуткасці патоку крыніцы росту, калі раўнаважны парцыяльны ціск крэмніевага кампанента працягвае павялічвацца, можна лёгка ўтварыць крэмніевыя кластары шляхам аднастайнага зараджэння газавай фазы, што значна зніжае каэфіцыент выкарыстання крэмнію крыніца крэмнія. Утварэнне крэмніевых кластараў значна абмяжоўвае паляпшэнне хуткасці эпітаксіяльнага росту. У той жа час крамянёвыя кластары могуць перашкаджаць росту крокавага патоку і выклікаць зараджэнне дэфектаў. Каб пазбегнуць гамагеннага зараджэння зародкаў газавай фазы і павялічыць хуткасць эпітаксіяльнага росту, у цяперашні час асноўным метадам павелічэння хуткасці эпітаксіяльнага росту 4H-SiC з'яўляюцца крыніцы крэмнію на аснове хлору.
1.2 200 мм (8 цаляў) SiC эпітаксіяльнае абсталяванне і ўмовы працэсу
Эксперыменты, апісаныя ў гэтым артыкуле, праводзіліся на сумяшчальным маналітным эпітаксіяльным абсталяванні SiC з гарызантальнай гарачай сценкай памерам 150/200 мм (6/8 цаляў), незалежна распрацаваным 48-м Інстытутам Кітайскай карпарацыі Electronics Technology Group Corporation. Эпітаксіяльная печ падтрымлівае цалкам аўтаматычную загрузку і выгрузку пласцін. На малюнку 1 прадстаўлена прынцыповая схема ўнутранай структуры рэакцыйнай камеры эпітаксіяльнага абсталявання. Як паказана на малюнку 1, знешняя сценка рэакцыйнай камеры ўяўляе сабой кварцавы звон з праслойкай, астуджанай вадой, а ўнутраная частка званка ўяўляе сабой высокатэмпературную рэакцыйную камеру, якая складаецца з цеплаізаляцыйнага вугляроднага лямца высокай чысціні. спецыяльная графітавая паражніна, графіт-газавая плаваючая верціцца база і г. д. Увесь кварцавы звон пакрыты цыліндрычнай індукцыйнай шпулькай, і рэакцыйная камера ўнутры звона электрамагнітна награваецца сярэднечашчынным індукцыйным крыніцай харчавання. Як паказана на малюнку 1 (b), газ-носьбіт, рэакцыйны газ і легіруючы газ працякаюць праз паверхню пласціны гарызантальным ламінарным патокам ад верхняга патоку рэакцыйнай камеры да ніжняга патоку рэакцыйнай камеры і выкідваюцца з хваста канец газу. Каб забяспечыць кансістэнцыю ўнутры пласціны, пласціна, якую нясе паветраная плаваючая аснова, заўсёды круціцца падчас працэсу.
Субстрат, выкарыстаны ў эксперыменце, з'яўляецца камерцыйнай 150 мм, 200 мм (6 цаляў, 8 цаляў) <1120> напрамку 4° без вугла праводзячага 4H-SiC n-тыпу двухбаковай паліраванай падкладкі SiC вытворчасці Shanxi Shuoke Crystal. Трыхларасілан (SiHCl3, TCS) і этылен (C2H4) выкарыстоўваюцца ў якасці асноўных крыніц росту ў працэсе эксперыменту, сярод якіх TCS і C2H4 выкарыстоўваюцца ў якасці крыніцы крэмнію і крыніцы вугляроду адпаведна, азот высокай чысціні (N2) выкарыстоўваецца ў якасці n- тыпу крыніцы допінгу, і вадарод (H2) выкарыстоўваецца ў якасці разбаўляльнага газу і газу-носьбіта. Дыяпазон тэмператур эпітаксіяльнага працэсу складае 1600 ~1660 ℃, ціск працэсу складае 8×103 ~12×103 Па, хуткасць патоку газу-носьбіта H2 складае 100～140 л/мін.
1.3 Тэставанне і характарыстыка эпітаксійнай пласціны
Інфрачырвоны спектрометр Фур'е (вытворца абсталявання Thermalfisher, мадэль iS50) і тэстар канцэнтрацыі ртутнага зонда (вытворца абсталявання Semilab, мадэль 530L) выкарыстоўваліся для характарыстыкі сярэдняга значэння і размеркавання таўшчыні эпітаксіяльнага пласта і канцэнтрацыі допінгу; таўшчыня і канцэнтрацыя легіравання кожнай кропкі ў эпітаксіяльным пласце былі вызначаны шляхам уздоўж лініі дыяметра, якая перасякае нармальную лінію асноўнага эталоннага краю пад вуглом 45° у цэнтры пласціны з выдаленнем краю на 5 мм. Для пласціны 150 мм уздоўж адной лініі дыяметра ўзялі 9 кропак (два дыяметры былі перпендыкулярныя адзін аднаму), а для пласціны 200 мм узялі 21 кропку, як паказана на малюнку 2. Атамна-сілавы мікраскоп (вытворца абсталявання) Bruker, мадэль Dimension Icon) выкарыстоўваўся для выбару абласцей 30 мкм × 30 мкм у цэнтральнай вобласці і краёвай вобласці (выдаленне краёў 5 мм) эпітаксіяльная пласціна для праверкі шурпатасці паверхні эпітаксіяльнага пласта; дэфекты эпітаксіяльнага пласта вымяраліся пры дапамозе павярхоўнага дэфектометра (вытворца абсталявання China Electronics. 3D-віяграф быў ахарактарызаваны радарным датчыкам (мадэль Mars 4410 pro) ад Kefenghua.
Час публікацыі: 4 верасня 2024 г