В момента индустрията на SiC се трансформира от 150 mm (6 инча) на 200 mm (8 инча). За да се отговори на спешното търсене на големи, висококачествени SiC хомоепитаксиални пластини в индустрията, 150 mm и 200 mm4H-SiC хомоепитаксиални пластинибяха успешно приготвени върху домашни субстрати с помощта на независимо разработено оборудване за епитаксиален растеж от 200 mm SiC. Беше разработен хомоепитаксиален процес, подходящ за 150 mm и 200 mm, при който скоростта на епитаксиален растеж може да бъде по-голяма от 60 um/h. Докато отговаря на високоскоростната епитаксия, качеството на епитаксиалната пластина е отлично. Равномерност на дебелината от 150 mm и 200 mmSiC епитаксиални пластиниможе да се контролира в рамките на 1,5%, еднородността на концентрацията е по-малка от 3%, плътността на фаталните дефекти е по-малка от 0,3 частици/cm2, а средната квадратична грапавост на епитаксиалната повърхност Ra е по-малка от 0,15 nm и всички показатели на основния процес са при напредналото ниво на индустрията.
Силициев карбид (SiC)е един от представителите на полупроводниковите материали от трето поколение. Той има характеристиките на висока сила на пробивното поле, отлична топлопроводимост, голяма скорост на дрейф на насищане на електрони и силна устойчивост на радиация. Той значително разшири капацитета за обработка на енергия на силови устройства и може да отговори на изискванията за обслужване на следващото поколение силови електронни устройства за устройства с висока мощност, малък размер, висока температура, висока радиация и други екстремни условия. Може да намали пространството, консумацията на енергия и изискванията за охлаждане. Той донесе революционни промени в новите енергийни превозни средства, железопътния транспорт, интелигентните мрежи и други области. Следователно полупроводниците от силициев карбид са признати за идеалния материал, който ще доведе до следващото поколение мощни електронни устройства с висока мощност. През последните години, благодарение на подкрепата на националната политика за развитието на полупроводниковата индустрия от трето поколение, научноизследователската и развойна дейност и изграждането на 150 mm SiC система за индустрията на устройствата бяха основно завършени в Китай и сигурността на индустриалната верига е е основно гарантирано. Поради това фокусът на индустрията постепенно се измества към контрол на разходите и подобряване на ефективността. Както е показано в таблица 1, в сравнение със 150 mm, 200 mm SiC има по-висока степен на използване на ръба и изходът на единични пластинови чипове може да се увеличи с около 1,8 пъти. След като технологията узрее, производствените разходи за един чип могат да бъдат намалени с 30%. Технологичният пробив от 200 mm е пряко средство за „намаляване на разходите и повишаване на ефективността“ и също така е ключът за полупроводниковата индустрия в моята страна да „работи паралелно“ или дори да „води“.
Различен от процеса на Si устройството,SiC полупроводникови силови устройствавсички са обработени и подготвени с епитаксиални слоеве като крайъгълен камък. Епитаксиалните пластини са основни основни материали за SiC захранващи устройства. Качеството на епитаксиалния слой пряко определя добива на устройството, а цената му възлиза на 20% от разходите за производство на чипа. Следователно, епитаксиалният растеж е съществена междинна връзка в захранващите устройства на SiC. Горната граница на нивото на епитаксиалния процес се определя от епитаксиалното оборудване. Понастоящем степента на локализация на 150 mm SiC епитаксиално оборудване в Китай е относително висока, но цялостното оформление на 200 mm изостава от международното ниво в същото време. Ето защо, за да се решат спешните нужди и проблемите с тесните места на производството на епитаксиални материали с голям размер, високо качество за развитието на вътрешната полупроводникова индустрия от трето поколение, тази статия представя 200 mm SiC епитаксиално оборудване, успешно разработено в моята страна, и изучава епитаксиалния процес. Чрез оптимизиране на параметрите на процеса като температура на процеса, скорост на потока на газ-носител, съотношение C/Si и др., еднородността на концентрацията <3%, неравномерността на дебелината <1,5%, грапавостта Ra <0,2 nm и плътността на фаталните дефекти <0,3 зърна /cm2 от 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини с независимо разработен 200 mm силициев карбид епитаксиален пещ се получават. Нивото на процеса на оборудване може да отговори на нуждите от висококачествена подготовка на захранващо устройство от SiC.
1 Експериментирайте
1.1 Принцип наSiC епитаксиаленпроцес
Процесът на хомоепитаксиален растеж на 4H-SiC включва главно 2 ключови стъпки, а именно високотемпературно ецване на място на 4H-SiC субстрат и хомогенен процес на химическо отлагане на пари. Основната цел на ецването на субстрата на място е да се отстранят подповърхностните повреди на субстрата след полиране на пластини, остатъчна полираща течност, частици и оксиден слой и чрез ецване върху повърхността на субстрата може да се образува правилна атомна стъпкова структура. Офортването на място обикновено се извършва във водородна атмосфера. Според действителните изисквания на процеса може да се добави и малко количество спомагателен газ, като хлороводород, пропан, етилен или силан. Температурата на in situ водородно ецване обикновено е над 1 600 ℃, а налягането в реакционната камера обикновено се контролира под 2 × 104 Pa по време на процеса на ецване.
След като повърхността на субстрата се активира чрез ецване на място, тя навлиза в процеса на високотемпературно химическо отлагане на пари, тоест източникът на растеж (като етилен/пропан, TCS/силан), допинг източник (n-тип допинг източник азот , p-тип източник на допинг TMAl), и спомагателен газ като хлороводород се транспортират до реакционната камера чрез голям поток газ носител (обикновено водород). След като газът реагира във високотемпературната реакционна камера, част от прекурсора реагира химически и се адсорбира върху повърхността на вафлата и се образува монокристален хомогенен 4H-SiC епитаксиален слой със специфична концентрация на допинг, специфична дебелина и по-високо качество върху повърхността на субстрата, използвайки монокристалния 4H-SiC субстрат като шаблон. След години на техническо изследване, 4H-SiC хомоепитаксиалната технология е основно узряла и се използва широко в индустриалното производство. Най-широко използваната 4H-SiC хомоепитаксиална технология в света има две типични характеристики:
(1) С помощта на наклонен изрязан субстрат като шаблон (спрямо <0001> кристалната равнина, към <11-20> кристалната равнина) се получава монокристален 4H-SiC епитаксиален слой с висока чистота без примеси отложени върху субстрата под формата на стъпков поток режим на растеж. Ранният хомоепитаксиален растеж на 4H-SiC използва положителен кристален субстрат, тоест <0001> Si равнината за растеж. Плътността на атомните стъпала на повърхността на положителния кристален субстрат е ниска и терасите са широки. Двуизмерният нуклеационен растеж е лесен за възникване по време на процеса на епитаксия, за да се образува 3C кристал SiC (3C-SiC). Чрез рязане извън оста, атомни стъпала с висока плътност и ширина на тясна тераса могат да бъдат въведени на повърхността на 4H-SiC <0001> субстрата и адсорбираният прекурсор може ефективно да достигне позицията на атомното стъпало с относително ниска повърхностна енергия чрез повърхностна дифузия . На етапа позицията на свързване на прекурсорния атом/молекулна група е уникална, така че в режима на растеж на стъпковия поток епитаксиалният слой може перфектно да наследи последователността на подреждане на двоен атомен слой Si-C на субстрата, за да образува единичен кристал със същия кристал фаза като субстрат.
(2) Високоскоростен епитаксиален растеж се постига чрез въвеждане на източник на силиций, съдържащ хлор. В конвенционалните SiC системи за химическо отлагане на пари, силанът и пропанът (или етиленът) са основните източници на растеж. В процеса на увеличаване на скоростта на растеж чрез увеличаване на скоростта на потока на източника на растеж, тъй като равновесното парциално налягане на силициевия компонент продължава да се увеличава, е лесно да се образуват силициеви клъстери чрез хомогенно образуване на газова фаза, което значително намалява степента на използване на източник на силиций. Образуването на силициеви клъстери значително ограничава подобряването на скоростта на епитаксиален растеж. В същото време силициевите клъстери могат да нарушат растежа на стъпковия поток и да причинят зараждане на дефекти. За да се избегне хомогенна нуклеация на газова фаза и да се увеличи скоростта на епитаксиален растеж, въвеждането на източници на силиций на основата на хлор в момента е основният метод за увеличаване на скоростта на епитаксиален растеж на 4H-SiC.
1.2 200 мм (8 инча) SiC епитаксиално оборудване и условия на процеса
Всички експерименти, описани в тази статия, бяха проведени на 150/200 mm (6/8-инча) съвместимо монолитно хоризонтално горещо стено SiC епитаксиално оборудване, независимо разработено от 48-ия институт на China Electronics Technology Group Corporation. Епитаксиалната пещ поддържа напълно автоматично зареждане и разтоварване на пластини. Фигура 1 е схематична диаграма на вътрешната структура на реакционната камера на епитаксиалното оборудване. Както е показано на фигура 1, външната стена на реакционната камера е кварцова камбана с водно охлаждан междинен слой, а вътрешността на камбаната е високотемпературна реакционна камера, която е съставена от термоизолационен въглероден филц с висока чистота специална графитна кухина, плаваща въртяща се основа с графитен газ и др. Цялата кварцова камбана е покрита с цилиндрична индукционна бобина и реакционната камера вътре в камбаната се нагрява електромагнитно от средночестотно индукционно захранване. Както е показано на фигура 1 (b), газът носител, реакционният газ и газът за добавка протичат през повърхността на пластината в хоризонтален ламинарен поток от горната част на реакционната камера към долната част на реакционната камера и се изпускат от опашката газов край. За да се осигури консистенция във вафлата, вафлата, носена от въздушната плаваща основа, винаги се върти по време на процеса.
Субстратът, използван в експеримента, е комерсиален 150 mm, 200 mm (6 инча, 8 инча) <1120> посока 4° извън ъгъл проводим n-тип 4H-SiC двустранно полиран SiC субстрат, произведен от Shanxi Shuoke Crystal. Трихлоросилан (SiHCl3, TCS) и етилен (C2H4) се използват като основни източници на растеж в експеримента на процеса, сред които TCS и C2H4 се използват съответно като източник на силиций и източник на въглерод, азот с висока чистота (N2) се използва като n- тип източник на допинг, а водородът (H2) се използва като газ за разреждане и газ носител. Температурният диапазон на епитаксиалния процес е 1 600 ~ 1 660 ℃, налягането на процеса е 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, а скоростта на потока на носещия газ H2 е 100 ~ 140 L/min.
1.3 Тестване и характеризиране на епитаксиална пластина
Инфрачервен спектрометър на Фурие (производител на оборудване Thermalfisher, модел iS50) и тестер за концентрация на живачна сонда (производител на оборудване Semilab, модел 530L) бяха използвани за характеризиране на средната стойност и разпределението на дебелината на епитаксиалния слой и концентрацията на допинг; дебелината и концентрацията на допинг на всяка точка в епитаксиалния слой бяха определени чрез вземане на точки по линията на диаметъра, пресичаща нормалната линия на основния референтен ръб при 45° в центъра на пластината с 5 mm отстраняване на ръба. За пластина от 150 mm бяха взети 9 точки по една линия с диаметър (два диаметъра бяха перпендикулярни един на друг), а за пластина от 200 mm бяха взети 21 точки, както е показано на Фигура 2. Атомно-силов микроскоп (производител на оборудването Bruker, модел Dimension Icon) беше използван за избор на 30 μm × 30 μm области в централната зона и зоната на ръба (5 mm отстраняване на ръба) на епитаксиална пластина за тестване на повърхностната грапавост на епитаксиалния слой; дефектите на епитаксиалния слой бяха измерени с помощта на тестер за повърхностни дефекти (производител на оборудване China Electronics. 3D изображението се характеризира с радарен сензор (модел Mars 4410 pro) от Kefenghua.
Време на публикуване: 04 септември 2024 г