V současné době se průmysl SiC transformuje ze 150 mm (6 palců) na 200 mm (8 palců). Abychom uspokojili naléhavou poptávku po velkorozměrových, vysoce kvalitních homoepitaxiálních destičkách SiC v průmyslu, 150 mm a 200 mm4H-SiC homoepitaxní waferybyly úspěšně připraveny na domácích substrátech pomocí nezávisle vyvinutého 200mm zařízení pro epitaxní růst SiC. Byl vyvinut homoepitaxní proces vhodný pro 150 mm a 200 mm, ve kterém může být rychlost epitaxního růstu vyšší než 60 um/h. Při splnění vysokorychlostní epitaxe je kvalita epitaxního plátku vynikající. Rovnoměrnost tloušťky 150 mm a 200 mmSiC epitaxní destičkylze řídit v rozmezí 1,5 %, stejnoměrnost koncentrace je menší než 3 %, hustota fatálních defektů je menší než 0,3 částic/cm2 a střední kvadratická hodnota drsnosti epitaxního povrchu Ra je menší než 0,15 nm a všechny ukazatele procesu jsou na pokročilá úroveň průmyslu.
Karbid křemíku (SiC)je jedním ze zástupců polovodičových materiálů třetí generace. Vyznačuje se vysokou průraznou silou pole, vynikající tepelnou vodivostí, velkou rychlostí driftu elektronového nasycení a silnou radiační odolností. Výrazně rozšířil kapacitu zpracování energie výkonových zařízení a může splnit servisní požadavky nové generace výkonových elektronických zařízení pro zařízení s vysokým výkonem, malými rozměry, vysokou teplotou, vysokým zářením a dalšími extrémními podmínkami. Může snížit prostor, snížit spotřebu energie a snížit požadavky na chlazení. Přinesla revoluční změny do nových energetických vozidel, železniční dopravy, chytrých sítí a dalších oborů. Proto se polovodiče z karbidu křemíku staly uznávanými jako ideální materiál, který povede další generaci výkonných elektronických zařízení. V posledních letech byl v Číně díky podpoře národní politiky pro rozvoj polovodičového průmyslu třetí generace v podstatě dokončen výzkum, vývoj a konstrukce průmyslového systému zařízení SiC 150 mm a zabezpečení průmyslového řetězce byla v podstatě zaručena. Proto se těžiště průmyslu postupně přesunulo na kontrolu nákladů a zvyšování efektivity. Jak je uvedeno v tabulce 1, ve srovnání se 150 mm má 200 mm SiC vyšší míru využití hrany a výkon jednotlivých plátkových čipů lze zvýšit asi 1,8krát. Poté, co technologie uzraje, mohou být výrobní náklady na jeden čip sníženy o 30 %. Technologický průlom 200 mm je přímým prostředkem ke „snížení nákladů a zvýšení účinnosti“ a je také klíčem k tomu, aby polovodičový průmysl mé země „běžel paralelně“ nebo dokonce „vedl“.
Na rozdíl od procesu zařízení Si,SiC polovodičová výkonová zařízenívšechny jsou zpracovány a připraveny s epitaxními vrstvami jako základním kamenem. Epitaxní destičky jsou základními základními materiály pro napájecí zařízení SiC. Kvalita epitaxní vrstvy přímo určuje výtěžnost zařízení a jeho náklady tvoří 20 % výrobních nákladů čipu. Proto je epitaxní růst nezbytným mezičlánkem v SiC napájecích zařízeních. Horní hranice úrovně epitaxního procesu je určena epitaxním zařízením. V současné době je stupeň lokalizace 150mm SiC epitaxního zařízení v Číně poměrně vysoký, ale celkové uspořádání 200mm zároveň zaostává za mezinárodní úrovní. Abychom vyřešili naléhavé potřeby a problémy s úzkým hrdlem výroby velkorozměrových a vysoce kvalitních epitaxních materiálů pro rozvoj domácího průmyslu polovodičů třetí generace, tento článek představuje 200mm epitaxní zařízení SiC úspěšně vyvinuté v mé zemi, a studuje epitaxní proces. Optimalizací procesních parametrů, jako je procesní teplota, průtok nosného plynu, poměr C/Si atd., stejnoměrnost koncentrace <3 %, nerovnoměrnost tloušťky <1,5 %, drsnost Ra <0,2 nm a hustota fatálních defektů <0,3 zrna Získá se /cm2 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků s nezávisle vyvinutou 200 mm epitaxní pecí z karbidu křemíku. Úroveň procesu zařízení může splňovat potřeby vysoce kvalitní přípravy napájecích zařízení SiC.
1 Experiment
1.1 PrincipSiC epitaxníproces
Proces homoepitaxního růstu 4H-SiC zahrnuje především 2 klíčové kroky, jmenovitě vysokoteplotní in-situ leptání substrátu 4H-SiC a proces homogenní chemické depozice z par. Hlavním účelem leptání substrátu in situ je odstranit podpovrchové poškození substrátu po leštění plátků, zbytkovou leštící kapalinu, částice a vrstvu oxidu a na povrchu substrátu lze leptáním vytvořit pravidelnou atomární krokovou strukturu. Leptání in situ se obvykle provádí ve vodíkové atmosféře. Podle aktuálních požadavků procesu lze také přidat malé množství pomocného plynu, jako je chlorovodík, propan, ethylen nebo silan. Teplota in-situ vodíkového leptání je obecně nad 1 600 °C a tlak v reakční komoře je obecně řízen pod 2 x 104 Pa během procesu leptání.
Poté, co je povrch substrátu aktivován leptáním in-situ, vstupuje do procesu vysokoteplotní chemické depozice z par, tj. zdroj růstu (jako je ethylen/propan, TCS/silan), zdroj dopingu (zdroj dopingu typu n dusík , dopingový zdroj typu p TMAl) a pomocný plyn, jako je chlorovodík, jsou dopravovány do reakční komory velkým proudem nosného plynu (obvykle vodíku). Po reakci plynu ve vysokoteplotní reakční komoře část prekurzoru chemicky reaguje a adsorbuje se na povrchu plátku a vzniká monokrystalická homogenní 4H-SiC epitaxní vrstva se specifickou koncentrací dopingu, specifickou tloušťkou a vyšší kvalitou. na povrchu substrátu s použitím monokrystalického substrátu 4H-SiC jako šablony. Po letech technického zkoumání homoepitaxní technologie 4H-SiC v podstatě dospěla a je široce používána v průmyslové výrobě. Nejrozšířenější 4H-SiC homoepitaxní technologie na světě má dvě typické vlastnosti:
(1) Pomocí šikmého řezaného substrátu mimo osu (vzhledem k rovině krystalu <0001> směrem ke směru krystalu <11-20>) jako šablony se vytvoří vysoce čistá monokrystalická epitaxní vrstva 4H-SiC bez nečistot. na substrátu ve formě krokového režimu růstu. Časný homoepitaxiální růst 4H-SiC používal pro růst pozitivní krystalový substrát, tj. rovinu <0001> Si. Hustota atomárních kroků na povrchu kladného krystalového substrátu je nízká a terasy jsou široké. Během epitaxního procesu za vzniku 3C krystalu SiC (3C-SiC) snadno dochází k dvourozměrnému růstu nukleace. Mimoosým řezáním lze na povrch substrátu 4H-SiC <0001> zavést atomové kroky s vysokou hustotou a úzkou terasovou šířkou a adsorbovaný prekurzor může účinně dosáhnout polohy atomárního kroku s relativně nízkou povrchovou energií prostřednictvím povrchové difúze . V kroku je vazebná poloha prekurzorový atom/molekulární skupina jedinečná, takže v režimu růstu krokového toku může epitaxní vrstva dokonale zdědit sekvenci vrstvení dvouatomové vrstvy Si-C substrátu za vzniku jediného krystalu se stejným krystalem. fázi jako substrát.
(2) Vysokorychlostního epitaxního růstu je dosaženo zavedením zdroje křemíku obsahujícího chlór. V konvenčních systémech chemické depozice SiC jsou hlavními zdroji růstu silan a propan (nebo etylen). V procesu zvyšování rychlosti růstu zvýšením průtokové rychlosti zdroje růstu, jak se rovnovážný parciální tlak křemíkové složky stále zvyšuje, je snadné vytvářet křemíkové shluky homogenní nukleací v plynné fázi, což výrazně snižuje míru využití křemíku. zdroj křemíku. Tvorba křemíkových shluků značně omezuje zlepšení rychlosti epitaxního růstu. Současně mohou křemíkové shluky narušit růst skokového toku a způsobit nukleaci defektů. Aby se zabránilo homogenní nukleaci v plynné fázi a zvýšila se rychlost epitaxního růstu, zavedení zdrojů křemíku na bázi chlóru je v současné době hlavní metodou ke zvýšení rychlosti epitaxního růstu 4H-SiC.
1,2 200 mm (8 palců) SiC epitaxní zařízení a podmínky procesu
Experimenty popsané v tomto dokumentu byly všechny provedeny na 150/200 mm (6/8 palce) kompatibilním monolitickém horizontálním SiC epitaxním zařízení s horkou stěnou nezávisle vyvinutém 48. institutem China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxní pec podporuje plně automatické vkládání a odebírání plátků. Obrázek 1 je schematický diagram vnitřní struktury reakční komory epitaxního zařízení. Jak je znázorněno na obrázku 1, vnější stěna reakční komory je křemenný zvon s vodou chlazenou mezivrstvou a vnitřek zvonu je vysokoteplotní reakční komora, která se skládá z tepelně izolační uhlíkové plsti, vysoce čisté speciální grafitová dutina, grafitový plyn plovoucí rotační základna atd. Celý křemenný zvon je pokryt válcovou indukční cívkou a reakční komora uvnitř zvonu je elektromagneticky vyhřívána středofrekvenční indukční zdroj. Jak je znázorněno na obrázku 1 (b), nosný plyn, reakční plyn a dotovací plyn všechny proudí skrz povrch plátku v horizontálním laminárním toku z horní části reakční komory do dolní části reakční komory a jsou vypouštěny z ocasu. plynový konec. Aby byla zajištěna konzistence v plátku, plátek nesený vzduchovou plovoucí základnou se během procesu vždy otáčí.
Substrát použitý v experimentu je komerční 150 mm, 200 mm (6 palců, 8 palců) směr <1120> 4° mimoúhelně vodivý n-typ 4H-SiC oboustranně leštěný SiC substrát vyrobený společností Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) a ethylen (C2H4) jsou použity jako hlavní růstové zdroje v procesním experimentu, z nichž TCS a C2H4 jsou použity jako zdroj křemíku a zdroj uhlíku, jako n- se používá vysoce čistý dusík (N2). typ dopingového zdroje a vodík (H2) se používá jako ředicí plyn a nosný plyn. Teplotní rozsah epitaxního procesu je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesní tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa a průtok nosného plynu H2 je 100–140 l/min.
1.3 Testování a charakterizace epitaxních plátků
Fourierův infračervený spektrometr (výrobce zařízení Thermalfisher, model iS50) a tester koncentrace rtuťové sondy (výrobce zařízení Semilab, model 530L) byly použity k charakterizaci průměru a distribuce tloušťky epitaxní vrstvy a koncentrace dopingu; tloušťka a koncentrace dopingu každého bodu v epitaxní vrstvě byly stanoveny odebráním bodů podél čáry průměru protínající normální čáru hlavního referenčního okraje pod úhlem 45° ve středu plátku s odstraněním okraje 5 mm. U 150mm waferu bylo odebráno 9 bodů podél přímky s jedním průměrem (dva průměry byly na sebe kolmé) a pro 200mm wafer bylo odebráno 21 bodů, jak je znázorněno na obrázku 2. Mikroskop atomární síly (výrobce zařízení Bruker, model Dimension Icon) byl použit k výběru oblastí 30 μm × 30 μm ve středové oblasti a oblasti okraje (odstranění 5 mm okraje) epitaxní plát pro testování drsnosti povrchu epitaxní vrstvy; defekty epitaxní vrstvy byly měřeny pomocí testeru povrchových defektů (výrobce zařízení China Electronics The 3D imager byl charakterizován radarovým senzorem (model Mars 4410 pro) od Kefenghua.
Čas odeslání: září 04-2024