Trenutno, SiC industrija prelazi sa 150 mm (6 inča) na 200 mm (8 inča). Kako bi se zadovoljila hitna potražnja za velikim, visokokvalitetnim SiC homoepitaksijalnim pločicama u industriji, 150 mm i 200 mm4H-SiC homoepitaksijalne pločiceuspješno su pripremljeni na domaćim podlogama koristeći neovisno razvijenu opremu za epitaksijalno rast od 200 mm SiC. Razvijen je homoepitaksijalni proces pogodan za 150mm i 200mm, u kojem stopa rasta epitaksija može biti veća od 60um/h. Iako zadovoljava brzu epitaksiju, kvalitet epitaksijalne pločice je odličan. Ujednačenost debljine 150 mm i 200 mmSiC epitaksijalne pločicemože se kontrolisati unutar 1,5%, ujednačenost koncentracije je manja od 3%, gustina fatalnog defekta je manja od 0,3 čestice/cm2, a epitaksijalna površinska hrapavost korijena srednjeg kvadrata Ra je manja od 0,15 nm, a svi indikatori jezgri procesa su na napredni nivo industrije.
silicijum karbid (SiC)jedan je od predstavnika treće generacije poluvodičkih materijala. Ima karakteristike velike jačine polja proboja, odlične toplotne provodljivosti, velike brzine drifta zasićenja elektrona i jake otpornosti na zračenje. Uvelike je proširio kapacitet obrade energije energetskih uređaja i može ispuniti zahtjeve za servisiranje sljedeće generacije energetske elektronske opreme za uređaje velike snage, male veličine, visoke temperature, visokog zračenja i drugih ekstremnih uvjeta. Može smanjiti prostor, smanjiti potrošnju energije i smanjiti zahtjeve za hlađenjem. Donio je revolucionarne promjene u novim energetskim vozilima, željezničkom transportu, pametnim mrežama i drugim poljima. Stoga su poluvodiči od silicijum karbida postali prepoznati kao idealan materijal koji će predvoditi sljedeću generaciju elektroničkih uređaja velike snage. Posljednjih godina, zahvaljujući podršci nacionalne politike za razvoj industrije poluvodiča treće generacije, u Kini je u osnovi završeno istraživanje i razvoj i izgradnja 150 mm SiC sistema za industriju uređaja, a sigurnost industrijskog lanca je povećana. u osnovi zagarantovana. Stoga se fokus industrije postepeno pomjerio na kontrolu troškova i poboljšanje efikasnosti. Kao što je prikazano u tabeli 1, u poređenju sa 150 mm, 200 mm SiC ima veću stopu iskorišćenja ivica, a izlaz pojedinačnih pločica čipova može se povećati za oko 1,8 puta. Nakon što tehnologija sazre, troškovi proizvodnje jednog čipa mogu se smanjiti za 30%. Tehnološki proboj od 200 mm je direktno sredstvo za "smanjenje troškova i povećanje efikasnosti", a takođe je ključ za industriju poluprovodnika moje zemlje da "ide paralelno" ili čak "vodi".
Za razliku od procesa Si uređaja,SiC poluvodički energetski uređajisvi su obrađeni i pripremljeni sa epitaksijalnim slojevima kao kamenom temeljcem. Epitaksijalne pločice su osnovni osnovni materijali za SiC energetske uređaje. Kvalitet epitaksijalnog sloja direktno određuje prinos uređaja, a njegova cijena čini 20% cijene proizvodnje čipa. Stoga je epitaksijalni rast bitna posredna karika u SiC energetskim uređajima. Gornja granica nivoa epitaksijalnog procesa određena je epitaksijalnom opremom. Trenutno je stepen lokalizacije 150 mm SiC epitaksijalne opreme u Kini relativno visok, ali ukupan raspored od 200 mm istovremeno zaostaje za međunarodnim nivoom. Stoga, u cilju rješavanja hitnih potreba i problema uskih grla proizvodnje epitaksijalnih materijala velikih dimenzija za razvoj domaće industrije poluvodiča treće generacije, ovaj rad predstavlja epitaksijalnu opremu od 200 mm SiC uspješno razvijenu u mojoj zemlji, i proučava epitaksijalni proces. Optimiziranjem parametara procesa kao što su temperatura procesa, brzina protoka plina-nosača, omjer C/Si, itd., ujednačenost koncentracije <3%, neujednačenost debljine <1,5%, hrapavost Ra <0,2 nm i gustina fatalnih defekata <0,3 zrna /cm2 od 150 mm i 200 mm SiC epitaksijalne pločice sa nezavisno razvijenim 200 mm silicijum karbidom dobijaju se epitaksijalne peći. Nivo procesa opreme može zadovoljiti potrebe visokokvalitetne pripreme SiC energetskih uređaja.
1 Eksperiment
1.1 Princip odSiC epitaksijalniproces
Proces homoepitaksijalnog rasta 4H-SiC uglavnom uključuje 2 ključna koraka, naime, visokotemperaturno in-situ jetkanje 4H-SiC supstrata i proces homogenog hemijskog taloženja pare. Glavna svrha supstrata in situ jetkanja je uklanjanje površinskih oštećenja supstrata nakon poliranja pločice, preostale tekućine za poliranje, čestica i oksidnog sloja, a pravilna struktura atomskog stupnja može se formirati na površini supstrata jetkanjem. In-situ jetkanje se obično izvodi u atmosferi vodika. Prema stvarnim zahtjevima procesa, može se dodati i mala količina pomoćnog plina, kao što su hlorovodonik, propan, etilen ili silan. Temperatura nagrizanja vodonikom na licu mjesta je općenito iznad 1 600 ℃, a pritisak u reakcionoj komori je općenito kontroliran ispod 2×104 Pa tokom procesa jetkanja.
Nakon što se površina supstrata aktivira in-situ jetkanjem, ona ulazi u proces hemijskog taloženja na visokoj temperaturi, odnosno u izvor rasta (kao što je etilen/propan, TCS/silan), izvor dopinga (n-tip doping izvora dušika , izvor dopinga p-tipa TMAl) i pomoćni gas kao što je hlorovodonik se transportuju u reakcionu komoru kroz veliki protok nosećeg gasa (obično vodonik). Nakon što plin reagira u visokotemperaturnoj reakcijskoj komori, dio prekursora kemijski reagira i adsorbira se na površini pločice, te se formira monokristalni homogeni 4H-SiC epitaksijalni sloj sa specifičnom koncentracijom dopinga, specifičnom debljinom i većim kvalitetom. na površini supstrata koristeći monokristalnu 4H-SiC podlogu kao šablon. Nakon godina tehničkog istraživanja, 4H-SiC homoepitaksijalna tehnologija je u osnovi sazrela i široko se koristi u industrijskoj proizvodnji. Najrasprostranjenija 4H-SiC homoepitaksijalna tehnologija u svijetu ima dvije tipične karakteristike:
(1) Koristeći podlogu sa kosim rezom (u odnosu na ravninu kristala <0001>, prema smjeru kristala <11-20>) kao šablon, dobija se epitaksijalni sloj visoke čistoće 4H-SiC bez nečistoća. nanesena na podlogu u obliku step-flow moda rasta. Rani 4H-SiC homoepitaksijalni rast koristio je pozitivan kristalni supstrat, to jest <0001> Si ravan za rast. Gustoća atomskih stepenica na površini pozitivnog kristalnog supstrata je mala, a terase su široke. Dvodimenzionalni rast nukleacije lako se dešava tokom procesa epitaksije da bi se formirao 3C kristal SiC (3C-SiC). Sečenjem van ose, atomske stepenice visoke gustine, uske širine terase mogu se uvesti na površinu 4H-SiC <0001> supstrata, a adsorbovani prekursor može efikasno dostići poziciju atomskog koraka sa relativno malom površinskom energijom kroz površinsku difuziju . U koraku, pozicija veze atoma prekursora/molekularne grupe je jedinstvena, tako da u načinu rasta postupnog toka, epitaksijalni sloj može savršeno naslijediti sekvencu slaganja dvostrukog atomskog sloja Si-C supstrata kako bi formirao monokristal sa istim kristalom. faza kao podloga.
(2) Brzi epitaksijalni rast postiže se uvođenjem izvora silicijuma koji sadrži hlor. U konvencionalnim sistemima hemijskog taloženja SiC iz pare, silan i propan (ili etilen) su glavni izvori rasta. U procesu povećanja brzine rasta povećanjem protoka izvora rasta, kako ravnotežni parcijalni pritisak silicijumske komponente nastavlja da raste, lako je formirati klastera silicijuma homogenom nukleacijom gasne faze, što značajno smanjuje stopu iskorišćenja silicijumske komponente. izvor silicijuma. Formiranje silicijumskih klastera uvelike ograničava poboljšanje epitaksijalne stope rasta. U isto vrijeme, klasteri silicija mogu poremetiti rast stepena toka i uzrokovati nukleaciju defekta. Kako bi se izbjegla homogena nukleacija plinske faze i povećala brzina epitaksijalnog rasta, uvođenje izvora silicija na bazi hlora je trenutno glavna metoda za povećanje epitaksijalne stope rasta 4H-SiC.
1.2 200 mm (8 inča) SiC epitaksijalna oprema i procesni uslovi
Eksperimenti opisani u ovom radu su svi izvedeni na 150/200 mm (6/8 inča) kompatibilnoj monolitnoj horizontalnoj SiC epitaksijalnoj opremi sa vrućim zidom koju je nezavisno razvio 48. Institut China Electronics Technology Group Corporation. Epitaksijalna peć podržava potpuno automatsko punjenje i pražnjenje pločica. Slika 1 je šematski dijagram unutrašnje strukture reakcione komore epitaksijalne opreme. Kao što je prikazano na slici 1, vanjski zid reakcione komore je kvarcno zvono sa vodeno hlađenim međuslojem, a unutrašnjost zvona je visokotemperaturna reakcijska komora, koja se sastoji od termoizolacionog ugljičnog filca, visoke čistoće. posebna grafitna šupljina, grafitna plinska rotirajuća baza itd. Cijelo kvarcno zvono je prekriveno cilindričnom indukcijom kalem, a reakciona komora unutar zvona se elektromagnetski zagreva indukcijskim napajanjem srednje frekvencije. Kao što je prikazano na slici 1 (b), plin-nosač, reakcioni plin i doping plin teku kroz površinu pločice u horizontalnom laminarnom toku od uzvodno od reakcione komore do nizvodno od reakcione komore i ispuštaju se iz repa gas end. Da bi se osigurala konzistentnost unutar oblatne, oblatna koju nosi zračna plutajuća baza uvijek se rotira tokom procesa.
Podloga korištena u eksperimentu je komercijalna 150 mm, 200 mm (6 inča, 8 inča) <1120> smjer 4° van kuta vodljiva n-tip 4H-SiC dvostrano polirani SiC supstrat proizveden od Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilan (SiHCl3, TCS) i etilen (C2H4) se koriste kao glavni izvori rasta u procesnom eksperimentu, među kojima se TCS i C2H4 koriste kao izvor silicijuma i izvor ugljika, a dušik visoke čistoće (N2) se koristi kao n- tip izvora dopinga, a vodonik (H2) se koristi kao plin za razrjeđivanje i plin-nosač. Temperaturni opseg epitaksijalnog procesa je 1 600 ~1 660 ℃, procesni pritisak je 8×103 ~12×103 Pa, a brzina protoka gasa H2 je 100～140 L/min.
1.3 Epitaksijalno ispitivanje i karakterizacija pločice
Fourier infracrveni spektrometar (proizvođač opreme Thermalfisher, model iS50) i tester koncentracije živine sonde (proizvođač opreme Semilab, model 530L) korišteni su za karakterizaciju srednje vrijednosti i distribucije debljine epitaksijalnog sloja i koncentracije dopinga; debljina i koncentracija dopinga svake tačke u epitaksijalnom sloju određene su uzimanjem tačaka duž linije prečnika koje sijeku normalnu liniju glavne referentne ivice pod uglom od 45° u centru pločice sa uklanjanjem ruba od 5 mm. Za pločicu od 150 mm uzeto je 9 tačaka duž jedne linije prečnika (dva prečnika su bila okomita jedan na drugi), a za pločicu od 200 mm uzeta je 21 tačka, kao što je prikazano na slici 2. Mikroskop atomske sile (proizvođač opreme Bruker, model Dimension Icon) korišten je za odabir područja od 30 μm×30 μm u središnjem području i rubnom području (5 mm uklanjanje ivica) epitaksijalnu pločicu za ispitivanje hrapavosti površine epitaksijalnog sloja; defekti epitaksijalnog sloja su izmjereni pomoću testera površinskih defekata (proizvođač opreme China Electronics 3D imager je karakteriziran radarskim senzorom (model Mars 4410 pro) iz Kefenghua.
Vrijeme objave: Sep-04-2024