Sa pagkakaron, ang industriya sa SiC nagbag-o gikan sa 150 mm (6 pulgada) ngadto sa 200 mm (8 pulgada). Aron matubag ang dinalian nga panginahanglan alang sa dako nga gidak-on, taas nga kalidad nga SiC homoepitaxial wafer sa industriya, 150mm ug 200mm4H-SiC homoepitaxial wafersmalampuson nga giandam sa mga domestic substrates gamit ang independente nga naugmad nga 200mm SiC epitaxial growth equipment. Usa ka homoepitaxial nga proseso nga angay alang sa 150mm ug 200mm ang naugmad, diin ang epitaxial growth rate mahimong mas dako pa kay sa 60um/h. Samtang nagtagbo sa high-speed nga epitaxy, ang kalidad sa epitaxial wafer maayo kaayo. Ang gibag-on nga pagkaparehas sa 150 mm ug 200 mmSiC epitaxial wafersmahimong kontrolado sa sulod sa 1.5%, ang pagkaparehas sa konsentrasyon dili mubu sa 3%, ang makamatay nga depekto nga Densidad dili mubu sa 0.3 nga mga partikulo / cm2, ug ang epitaxial surface roughness root mean square Ra dili mubu sa 0.15nm, ug ang tanan nga mga timailhan sa proseso sa core anaa sa ang abante nga lebel sa industriya.
Silicon Carbide (SiC)mao ang usa sa mga representante sa ikatulo nga henerasyon nga semiconductor nga mga materyales. Kini adunay mga kinaiya sa taas nga breakdown field strength, maayo kaayo nga thermal conductivity, dako nga electron saturation drift velocity, ug kusog nga radiation resistance. Gipalapdan niini pag-ayo ang kapasidad sa pagproseso sa enerhiya sa mga power device ug mahimo nga makab-ot ang mga kinahanglanon sa serbisyo sa sunod nga henerasyon sa power electronic equipment alang sa mga device nga adunay taas nga gahum, gamay nga gidak-on, taas nga temperatura, taas nga radiation ug uban pang grabe nga mga kondisyon. Mahimo kini nga makunhuran ang wanang, makunhuran ang konsumo sa kuryente ug makunhuran ang mga kinahanglanon sa pagpabugnaw. Nagdala kini og mga rebolusyonaryong pagbag-o sa bag-ong mga salakyanan sa enerhiya, transportasyon sa tren, mga smart grid ug uban pang natad. Busa, ang silicon carbide semiconductors naila nga sulundon nga materyal nga manguna sa sunod nga henerasyon sa mga high-power nga elektronik nga aparato. Sa bag-ohay nga mga tuig, salamat sa suporta sa nasudnong palisiya alang sa pag-uswag sa industriya sa semiconductor sa ikatulo nga henerasyon, ang panukiduki ug pag-uswag ug pagtukod sa 150 mm SiC device nga sistema sa industriya nga batakan nahuman sa China, ug ang seguridad sa kadena sa industriya adunay sa batakan gigarantiyahan. Busa, ang pokus sa industriya anam-anam nga gibalhin sa pagkontrol sa gasto ug pagpaayo sa kahusayan. Sama sa gipakita sa Talaan 1, kung itandi sa 150 mm, ang 200 mm SiC adunay mas taas nga rate sa paggamit sa sulab, ug ang output sa usa ka wafer chips mahimong madugangan sa mga 1.8 ka beses. Pagkahuman sa teknolohiya, ang gasto sa paghimo sa usa ka chip mahimong makunhuran sa 30%. Ang teknolohikal nga pagkahugno sa 200 mm usa ka direkta nga paagi sa "pagkunhod sa mga gasto ug pagdugang sa kahusayan", ug kini usab ang yawe alang sa industriya sa semiconductor sa akong nasud nga "magdagan nga managsama" o bisan ang "lead".
Lahi sa proseso sa Si device,SiC semiconductor power deviceang tanan giproseso ug giandam uban sa epitaxial layers ingon nga bato sa pamag-ang. Ang mga epitaxial wafer hinungdanon nga sukaranan nga mga materyales alang sa mga aparato sa gahum sa SiC. Ang kalidad sa epitaxial layer direkta nga nagtino sa abot sa aparato, ug ang gasto niini nagkantidad sa 20% sa gasto sa paghimo sa chip. Busa, ang pagtubo sa epitaxial usa ka hinungdanon nga intermediate nga link sa mga aparato sa gahum sa SiC. Ang taas nga limitasyon sa lebel sa proseso sa epitaxial gitino sa mga kagamitan sa epitaxial. Sa pagkakaron, ang localization degree sa 150mm SiC epitaxial equipment sa China medyo taas, apan ang kinatibuk-ang layout sa 200mm lags sa luyo sa internasyonal nga lebel sa samang higayon. Busa, aron masulbad ang dinalian nga mga panginahanglanon ug mga problema sa bottleneck sa dako nga gidak-on, taas nga kalidad nga paghimo sa materyal nga epitaxial alang sa pagpalambo sa industriya sa domestic nga ikatulo nga henerasyon nga semiconductor, kini nga papel nagpaila sa 200 mm SiC epitaxial nga kagamitan nga malampuson nga naugmad sa akong nasud, ug nagtuon sa proseso sa epitaxial. Pinaagi sa pag-optimize sa mga parameter sa proseso sama sa temperatura sa proseso, rate sa pag-agos sa gas carrier, ratio sa C / Si, ug uban pa, ang pagkaparehas sa konsentrasyon <3%, dili pagkaparehas sa gibag-on <1.5%, pagkagapos Ra <0.2 nm ug Densidad sa depekto nga makamatay <0.3 nga lugas /cm2 sa 150 mm ug 200 mm SiC epitaxial wafers nga adunay independente nga naugmad nga 200 mm silicon carbide epitaxial furnace makuha. Ang lebel sa proseso sa kagamitan makatubag sa mga panginahanglan sa taas nga kalidad nga pag-andam sa aparato sa gahum sa SiC.
1 Eksperimento
1.1 Prinsipyo saSiC epitaxialproseso
Ang 4H-SiC homoepitaxial nga proseso sa pagtubo nag-una naglakip sa 2 yawe nga mga lakang, nga mao, taas nga temperatura sa-situ etching sa 4H-SiC substrate ug homogenous kemikal alisngaw deposition proseso. Ang nag-unang katuyoan sa substrate in-situ etching mao ang pagtangtang sa subsurface nga kadaot sa substrate human sa wafer polishing, residual polishing liquid, mga partikulo ug oxide layer, ug ang usa ka regular nga atomic step structure mahimong maporma sa substrate surface pinaagi sa etching. Ang in-situ nga pag-ukit sagad nga gihimo sa atmospera sa hydrogen. Sumala sa aktwal nga mga kinahanglanon sa proseso, ang usa ka gamay nga kantidad sa auxiliary gas mahimo usab nga idugang, sama sa hydrogen chloride, propane, ethylene o silane. Ang temperatura sa in-situ nga hydrogen etching kasagaran labaw sa 1 600 ℃, ug ang presyur sa reaction chamber kasagarang kontrolado ubos sa 2 × 104 Pa sa panahon sa proseso sa etching.
Human ma-activate ang substrate surface pinaagi sa in-situ etching, mosulod kini sa high-temperature nga kemikal nga alisngaw nga proseso sa deposition, nga mao, ang tinubdan sa pagtubo (sama sa ethylene/propane, TCS/silane), doping source (n-type doping source nitrogen. , p-type nga doping source nga TMAl), ug auxiliary gas sama sa hydrogen chloride gidala ngadto sa reaction chamber pinaagi sa dakong dagan sa carrier gas (kasagaran hydrogen). Pagkahuman sa reaksyon sa gas sa taas nga temperatura nga reaksyon nga chamber, ang bahin sa precursor nga reaksyon sa kemikal ug adsorb sa wafer nga nawong, ug usa ka kristal nga homogenous nga 4H-SiC epitaxial layer nga adunay usa ka piho nga konsentrasyon sa doping, piho nga gibag-on, ug mas taas nga kalidad ang naporma. sa substrate surface gamit ang single-crystal 4H-SiC substrate isip template. Human sa mga tuig sa teknikal nga eksplorasyon, ang 4H-SiC homoepitaxial nga teknolohiya sa batakan nga matured ug kaylap nga gigamit sa industriyal nga produksyon. Ang labing kaylap nga gigamit nga 4H-SiC homoepitaxial nga teknolohiya sa kalibutan adunay duha ka tipikal nga mga kinaiya:
(1) Gamit ang usa ka off-axis (relasyon sa <0001> kristal nga eroplano, padulong sa <11-20> kristal nga direksyon) oblique cut substrate ingon usa ka template, usa ka high-purity nga single-crystal 4H-SiC epitaxial layer nga wala’y mga hugaw. gibutang sa substrate sa porma sa step-flow growth mode. Sayo nga 4H-SiC homoepitaxial nga pagtubo migamit sa usa ka positibo nga kristal substrate, nga mao, ang <0001> Si eroplano alang sa pagtubo. Ang densidad sa atomic nga mga lakang sa ibabaw sa positibo nga kristal substrate mao ang ubos ug ang mga terraces kay halapad. Ang two-dimensional nga pagtubo sa nucleation dali nga mahitabo sa panahon sa proseso sa epitaxy aron maporma ang 3C crystal SiC (3C-SiC). Pinaagi sa off-axis cutting, high-density, pig-ot nga terrace width atomic nga mga lakang mahimong ipaila sa ibabaw sa 4H-SiC <0001> substrate, ug ang adsorbed precursor epektibong makaabot sa atomic step position nga adunay medyo ubos nga surface energy pinaagi sa surface diffusion . Sa lakang, ang precursor atom/molecular group bonding position talagsaon, mao nga sa step flow growth mode, ang epitaxial layer mahimong hingpit nga makapanunod sa Si-C double atomic layer stacking sequence sa substrate aron maporma ang usa ka kristal nga adunay parehas nga kristal. phase isip substrate.
(2) Ang taas nga tulin nga pagtubo sa epitaxial makab-ot pinaagi sa pagpaila sa usa ka gigikanan sa silicon nga adunay sulud nga klorin. Sa naandan nga SiC chemical vapor deposition system, silane ug propane (o ethylene) mao ang nag-unang tinubdan sa pagtubo. Sa proseso sa pagdugang sa pagtubo rate pinaagi sa pagdugang sa pagtubo tinubdan dagan rate, ingon nga ang equilibrium partial pressure sa silicon component nagpadayon sa pagdugang, kini mao ang sayon sa pagporma sa silicon clusters pinaagi sa homogenous gas phase nucleation, nga kamahinungdanon pagkunhod sa paggamit rate sa tinubdan sa silikon. Ang pagporma sa mga pungpong sa silikon hilabihan nga naglimite sa pag-uswag sa epitaxial growth rate. Sa parehas nga oras, ang mga kumpol sa silicon mahimong makabalda sa pagtubo sa lakang sa lakang ug hinungdan sa depekto nga nucleation. Aron malikayan ang homogenous nga gas phase nucleation ug madugangan ang epitaxial growth rate, ang pagpaila sa chlorine-based nga silicon nga mga tinubdan sa pagkakaron mao ang mainstream nga pamaagi aron madugangan ang epitaxial growth rate sa 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-pulgada) SiC epitaxial nga kagamitan ug mga kondisyon sa proseso
Ang mga eksperimento nga gihulagway niini nga papel tanan gihimo sa usa ka 150/200 mm (6/8-pulgada) nga katugbang nga monolithic horizontal hot wall SiC epitaxial equipment nga independente nga gimugna sa 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Gisuportahan sa epitaxial furnace ang bug-os nga awtomatikong pagkarga ug pagdiskarga sa wafer. Ang Figure 1 usa ka schematic diagram sa internal nga istruktura sa reaction chamber sa epitaxial equipment. Ingon sa gipakita sa Figure 1, ang gawas nga bungbong sa reaksyon lawak mao ang usa ka quartz kampanilya nga adunay usa ka tubig-cooled interlayer, ug sa sulod sa kampanilya mao ang usa ka taas nga temperatura reaksyon lawak, nga gilangkuban sa thermal insulation carbon gibati, hatag-as nga kaputli espesyal nga graphite cavity, graphite gas-floating rotating base, ug uban pa. Ang tibuok quartz bell gitabonan sa cylindrical induction coil, ug ang reaksyon lawak sa sulod sa kampana gipainit sa electromagnetically pinaagi sa usa ka medium-frequency induction power supply. Ingon sa gipakita sa Figure 1 (b), ang carrier gas, reaksyon nga gas, ug doping gas ang tanan nag-agos pinaagi sa wafer nga nawong sa usa ka pinahigda nga laminar nga pag-agos gikan sa upstream sa reaction chamber ngadto sa ubos sa reaction chamber ug gipagawas gikan sa ikog. katapusan sa gas. Aron masiguro ang pagkamakanunayon sa sulod sa wafer, ang wafer nga gidala sa hangin nga naglutaw nga base kanunay nga gipatuyok sa panahon sa proseso.
Ang substrate nga gigamit sa eksperimento usa ka komersyal nga 150 mm, 200 mm (6 pulgada, 8 pulgada) <1120> direksyon 4°off-angle conductive n-type 4H-SiC double-sided polished SiC substrate nga gihimo ni Shanxi Shuoke Crystal. Ang Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) ug ethylene (C2H4) gigamit isip nag-unang tinubdan sa pagtubo sa proseso sa eksperimento, diin ang TCS ug C2H4 gigamit isip tinubdan sa silikon ug tinubdan sa carbon matag usa, ang high-purity nitrogen (N2) gigamit isip n- type doping source, ug hydrogen (H2) gigamit isip dilution gas ug carrier gas. Ang sakup sa temperatura sa proseso sa epitaxial mao ang 1 600 ~ 1 660 ℃, ang presyur sa proseso mao ang 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, ug ang H2 carrier gas flow rate mao ang 100 ~ 140 L / min.
1.3 Epitaxial wafer testing ug characterization
Fourier infrared spectrometer (equipment manufacturer Thermalfisher, model iS50) ug mercury probe concentration tester (equipment manufacturer Semilab, model 530L) gigamit sa pag-ila sa mean ug distribution sa epitaxial layer thickness ug doping concentration; ang gibag-on ug konsentrasyon sa doping sa matag punto sa epitaxial layer gitino pinaagi sa pagkuha sa mga punto ubay sa linya sa diametro nga nag-intersecting sa normal nga linya sa nag-unang reference nga ngilit sa 45 ° sa sentro sa wafer nga adunay 5 mm nga pagtangtang sa ngilit. Para sa 150 mm nga wafer, 9 ka punto ang gikuha subay sa usa ka linya sa diyametro (duha ka diametro ang tul-id sa usag usa), ug alang sa 200 mm nga wafer, 21 ka puntos ang gikuha, ingon sa gipakita sa Figure 2. Usa ka atomic force microscope (produktor sa kagamitan. Bruker, modelo Dimension Icon) gigamit sa pagpili sa 30 μm × 30 μm nga mga dapit sa sentro nga dapit ug sa ngilit nga dapit (5 mm ngilit pagtangtang) sa epitaxial wafer aron masulayan ang kabangis sa nawong sa epitaxial layer; ang mga depekto sa epitaxial layer gisukod gamit ang surface defect tester (equipment manufacturer China Electronics Ang 3D imager kay gihulagway sa radar sensor (model Mars 4410 pro) gikan sa Kefenghua.
Oras sa pag-post: Sep-04-2024