Praegu on ränikarbiidi tööstus muutumas 150 mm (6 tolli) asemel 200 mm (8 tolli). Et rahuldada tööstuses kiiret nõudlust suurte ja kvaliteetsete SiC homoepitaksiaalsete vahvlite järele, 150 mm ja 200 mm4H-SiC homoepitaksiaalsed vahvlidvalmistati edukalt kodumaistel substraatidel, kasutades iseseisvalt välja töötatud 200 mm SiC epitaksiaalset kasvuseadet. Töötati välja 150 mm ja 200 mm jaoks sobiv homoepitaksiaalne protsess, mille puhul epitaksiaalne kasvukiirus võib olla suurem kui 60 um/h. Kiire epitaksiaga vastamisel on epitaksiaalse vahvli kvaliteet suurepärane. Paksuse ühtlus 150 mm ja 200 mmSiC epitaksiaalsed vahvlidsaab reguleerida 1,5% piires, kontsentratsiooni ühtlus on alla 3%, surmava defekti tihedus on väiksem kui 0,3 osakest/cm2 ja epitaksiaalse pinna kareduse ruutkeskmine Ra on väiksem kui 0,15 nm ning kõik põhiprotsessi indikaatorid on tööstuse kõrgtase.
Ränikarbiid (SiC)on üks kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide esindajatest. Sellel on kõrge läbilöögivälja tugevus, suurepärane soojusjuhtivus, suur elektronide küllastumise triivikiirus ja tugev kiirgustakistus. See on oluliselt laiendanud toiteseadmete energiatöötlusvõimsust ja suudab vastata järgmise põlvkonna jõuelektroonikaseadmete teenindusnõuetele suure võimsusega, väikese suurusega, kõrge temperatuuri, kõrge kiirguse ja muude äärmuslike tingimustega seadmete jaoks. See võib vähendada ruumi, vähendada energiatarbimist ja vähendada jahutusvajadust. See on toonud kaasa revolutsioonilised muudatused uutes energiasõidukites, raudteetranspordis, arukates võrkudes ja muudes valdkondades. Seetõttu on ränikarbiidist pooljuhte tunnustatud ideaalse materjalina, mis juhib järgmise põlvkonna suure võimsusega elektroonikaseadmeid. Viimastel aastatel on tänu riiklikule poliitilisele toetusele kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstuse arendamiseks Hiinas põhimõtteliselt lõppenud 150 mm ränikarbiidi seadmete tööstussüsteemi uurimis- ja arendustegevus ning ehitus ning tööstusketi turvalisus on põhimõtteliselt garanteeritud. Seetõttu on tööstuse fookus järk-järgult nihkunud kulude kontrollile ja tõhususe parandamisele. Nagu on näidatud tabelis 1, on 200 mm SiC-ga võrreldes 150 mm-ga kõrgem servakasutusaste ja üksikute vahvlikiipide toodangut saab suurendada umbes 1,8 korda. Pärast tehnoloogia küpsemist saab ühe kiibi tootmiskulusid vähendada 30%. 200 mm tehnoloogiline läbimurre on otsene vahend "kulude vähendamiseks ja tõhususe suurendamiseks" ning see on ka minu kodumaa pooljuhtide tööstuse võti "paralleelseks" või isegi "juhtimiseks".
Si seadme protsessist erinev,SiC pooljuhtjõuseadmedon kõik töödeldud ja valmistatud, kasutades nurgakivina epitaksiaalseid kihte. Epitaksiaalplaadid on ränidioksiidi toiteseadmete olulised põhimaterjalid. Epitaksiaalse kihi kvaliteet määrab otseselt seadme tootlikkuse ja selle maksumus moodustab 20% kiibi tootmiskuludest. Seetõttu on epitaksiaalne kasv SiC toiteseadmete oluline vahelüli. Epitaksiaalse protsessi taseme ülempiir määratakse epitaksiaalseadmetega. Praegu on Hiinas 150 mm ränidioksiidi epitaksiaalseadmete lokaliseerimisaste suhteliselt kõrge, kuid üldine 200 mm paigutus jääb samal ajal rahvusvahelisest tasemest maha. Seetõttu tutvustatakse selles artiklis kodumaise kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstuse arendamiseks mõeldud suurte ja kvaliteetsete epitaksiaalmaterjalide tootmise pakiliste vajaduste ja kitsaskohtade lahendamiseks minu riigis edukalt välja töötatud 200 mm SiC epitaksiaalseadmeid, ja uurib epitaksiaalset protsessi. Optimeerides protsessi parameetreid, nagu protsessi temperatuur, kandegaasi voolukiirus, C/Si suhe jne, kontsentratsiooni ühtlus <3%, paksuse ebaühtlus <1,5%, karedus Ra <0,2 nm ja surmava defekti tihedus <0,3 tera /cm2 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalplaatidest sõltumatult välja töötatud 200 mm ränikarbiidi epitaksiaalahjuga saadakse. Seadmete protsessi tase suudab rahuldada kvaliteetse SiC toiteseadme ettevalmistamise vajadusi.
1 Katse
1.1 PõhimõteSiC epitaksiaalneprotsessi
4H-SiC homoepitaksiaalne kasvuprotsess sisaldab peamiselt kahte peamist etappi, nimelt 4H-SiC substraadi in situ söövitamist kõrgel temperatuuril ja homogeenset keemilist aurustamise-sadestamise protsessi. Substraadi in situ söövitamise põhieesmärk on eemaldada pärast vahvli poleerimist aluspinna kahjustused, poleerimisvedeliku jäägid, osakesed ja oksiidikiht ning söövitamise teel saab substraadi pinnale moodustada korrapärase aatomiastmelise struktuuri. In situ söövitamine toimub tavaliselt vesiniku atmosfääris. Vastavalt tegelikele protsessinõuetele võib lisada ka väikese koguse abigaasi, näiteks vesinikkloriidi, propaani, etüleeni või silaani. In situ vesiniku söövitamise temperatuur on üldiselt üle 1 600 ℃ ja reaktsioonikambri rõhku reguleeritakse söövitusprotsessi ajal tavaliselt alla 2 × 104 Pa.
Pärast substraadi pinna aktiveerimist in situ söövitamise teel siseneb see kõrge temperatuuriga keemilise aurustamise-sadestamise protsessi, st kasvuallikasse (nagu etüleen/propaan, TCS/silaan), dopinguallikasse (n-tüüpi dopinguallika lämmastik). , p-tüüpi dopinguallikas TMAl) ja abigaas, nagu vesinikkloriid, transporditakse reaktsioonikambrisse läbi suure kandegaasi (tavaliselt vesiniku) voolu. Pärast gaasi reageerimist kõrgtemperatuurses reaktsioonikambris reageerib osa prekursorist keemiliselt ja adsorbeerub vahvli pinnal ning moodustub ühekristalliline homogeenne 4H-SiC epitaksiaalkiht, millel on spetsiifiline dopingukontsentratsioon, eripaksus ja kõrgem kvaliteet. substraadi pinnale, kasutades mallina ühekristallilist 4H-SiC substraati. Pärast aastatepikkust tehnilist uurimist on 4H-SiC homoepitaksiaaltehnoloogia põhimõtteliselt küpseks saanud ja seda kasutatakse laialdaselt tööstuslikus tootmises. Maailmas kõige laialdasemalt kasutataval 4H-SiC homoepitaksiaalsel tehnoloogial on kaks tüüpilist omadust:
(1) Kasutades mallina teljevälist (kristallitasandi <0001> suhtes, <11-20> suunas) kaldu lõigatud substraati, saadakse kõrge puhtusastmega ühekristalliline 4H-SiC lisanditeta epitaksiaalkiht. ladestatakse substraadile astmelise voolu kasvurežiimi kujul. Varajane 4H-SiC homoepitaksiaalne kasv kasutas kasvuks positiivset kristallsubstraati, st <0001> Si tasapinda. Aatomiastmete tihedus positiivse kristallsubstraadi pinnal on madal ja terrassid laiad. Kahemõõtmeline tuumade kasv on epitaksiprotsessi käigus lihtne, et moodustada 3C-kristalli SiC (3C-SiC). Teljevälise lõikamise teel saab 4H-SiC <0001> substraadi pinnale viia suure tihedusega kitsa terrassi laiusega aatomiastmeid ja adsorbeeritud prekursor võib pinna difusiooni kaudu suhteliselt madala pinnaenergiaga tõhusalt jõuda aatomiastme asendisse. . Etapil on prekursori aatomi/molekulaarse rühma sidumispositsioon ainulaadne, nii et astmelise voolu kasvurežiimis võib epitaksiaalne kiht suurepäraselt pärida substraadi Si-C kahe aatomikihi virnastamisjärjestuse, moodustades sama kristalliga üksikkristalli. faasi substraadina.
(2) Kiire epitaksiaalne kasv saavutatakse kloori sisaldava räniallika sisseviimisega. Tavalistes ränikarbiidi keemilise aurustamise-sadestamise süsteemides on peamised kasvuallikad silaan ja propaan (või etüleen). Kasvukiiruse suurendamise protsessis kasvuallika voolukiiruse suurendamise teel, kuna ränikomponendi tasakaaluline osarõhk kasvab jätkuvalt, on homogeense gaasifaasi tuumastamise teel lihtne moodustada räni klastreid, mis vähendab oluliselt räni komponendi kasutusmäära. räni allikas. Räni klastrite moodustumine piirab oluliselt epitaksiaalse kasvu kiiruse paranemist. Samal ajal võivad räni klastrid häirida astmevoo kasvu ja põhjustada defektide tekkimist. Homogeense gaasifaasi tuuma moodustumise vältimiseks ja epitaksiaalse kasvukiiruse suurendamiseks on klooripõhiste räniallikate kasutuselevõtt praegu 4H-SiC epitaksiaalse kasvukiiruse suurendamise peamine meetod.
1,2 200 mm (8-tolline) SiC epitaksiaalseadmed ja protsessitingimused
Kõik selles artiklis kirjeldatud katsed viidi läbi 150/200 mm (6/8-tollise) ühilduva monoliitse horisontaalse kuumseina SiC epitaksiaalseadmega, mille on sõltumatult välja töötanud Hiina elektroonikatehnoloogia instituut 48. Epitaksiaalne ahi toetab täisautomaatset vahvlite laadimist ja mahalaadimist. Joonisel 1 on skemaatiline diagramm epitaksiaalseadme reaktsioonikambri sisemisest struktuurist. Nagu on näidatud joonisel 1, on reaktsioonikambri välissein vesijahutusega vahekihiga kvartskell ja kella sisemus on kõrge temperatuuriga reaktsioonikamber, mis koosneb kõrge puhtusastmega soojusisolatsioonist süsiniku vildist. spetsiaalne grafiidiõõnsus, grafiidigaasis ujuv pöörlev alus jne. Kogu kvartskell on kaetud silindrilise induktsioonpooliga ja reaktsioon kella sees olevat kambrit soojendatakse elektromagnetiliselt keskmise sagedusega induktsioontoiteallikaga. Nagu on näidatud joonisel fig 1 (b), voolavad kandegaas, reaktsioonigaas ja dopinggaas läbi vahvli pinna horisontaalse laminaarse vooluna reaktsioonikambrist ülesvoolu reaktsioonikambri allavoolu ja väljuvad sabast. gaasi ots. Vahvli konsistentsi tagamiseks pööratakse õhkujuva aluse poolt kantud vahvlit protsessi ajal alati.
Katses kasutatud substraadiks on Shanxi Shuoke Crystal toodetud kaubanduslik 150 mm, 200 mm (6 tolli, 8 tolli) <1120> suunaga 4° nurgast eemale juhtiv n-tüüpi 4H-SiC kahepoolne poleeritud SiC substraat. Protsessi katses kasutatakse peamiste kasvuallikatena triklorosilaani (SiHCl3, TCS) ja etüleeni (C2H4), nende hulgas räniallikana ja süsinikuallikana kasutatakse vastavalt TCS-i ja C2H4, kõrge puhtusastmega lämmastikku (N2) aga n- tüüpi dopinguallikas ning vesinikku (H2) kasutatakse lahjendusgaasina ja kandegaasina. Epitaksiaalse protsessi temperatuurivahemik on 1 600 ~ 1 660 ℃, protsessi rõhk on 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ja H2 kandegaasi voolukiirus on 100 - 140 l/min.
1.3 Epitaksiaalsete plaatide testimine ja iseloomustamine
Epitaksiaalse kihi paksuse ja dopingu kontsentratsiooni keskmise ja jaotuse iseloomustamiseks kasutati Fourier infrapuna spektromeetrit (seadmetootja Thermalfisher, mudel iS50) ja elavhõbeda sondi kontsentratsiooni testrit (seadmetootja Semilab, mudel 530L); epitaksiaalse kihi iga punkti paksus ja dopingukontsentratsioon määrati, võttes punktid piki diameetri joont, mis lõikuvad peamise võrdlusserva normaalset joont 45 ° nurga all vahvli keskel, eemaldades 5 mm serva. 150 mm vahvli puhul võeti 9 punkti mööda ühe läbimõõduga joont (kaks diameetrit olid üksteisega risti) ja 200 mm vahvli puhul 21 punkti, nagu on näidatud joonisel 2. Aatomjõu mikroskoop (seadme tootja Bruker, mudeli Dimension Icon) kasutati 30 μm × 30 μm alade valimiseks keskosas ja servapiirkonnas (5 mm serva eemaldamine). epitaksiaalvahv epitaksiaalse kihi pinnakareduse testimiseks; epitaksiaalse kihi defekte mõõdeti pinnadefektide testriga (seadmetootja China Electronics 3D-kujutist iseloomustas Kefenghua radarsensor (mudel Mars 4410 pro).
Postitusaeg: 04.04.2024