تحقیق در مورد کوره اپیتاکسیال SiC 8 اینچی و فرآیند هماپیتاکسیال-Ⅰ

در حال حاضر، صنعت SiC از 150 میلی متر (6 اینچ) به 200 میلی متر (8 اینچ) در حال تبدیل شدن است. به منظور پاسخگویی به تقاضای فوری برای ویفرهای هومواپیتاکسیال SiC با اندازه بزرگ و با کیفیت بالا در صنعت، 150 میلی متر و 200 میلی مترویفرهای هومواپیتاکسیال 4H-SiCبا استفاده از تجهیزات رشد اپیتاکسیال SiC 200 میلی متری به طور مستقل بر روی بسترهای خانگی با موفقیت آماده شدند. یک فرآیند هماپیتاکسیال مناسب برای 150 میلی‌متر و 200 میلی‌متر ایجاد شد که در آن نرخ رشد همپایه‌ای می‌تواند بیش از 60 میکرومتر در ساعت باشد. در حالی که با اپیتاکسی با سرعت بالا مطابقت دارد، کیفیت ویفر اپیتاکسیال عالی است. یکنواختی ضخامت 150 میلی متر و 200 میلی مترویفرهای اپیتاکسیال SiCرا می توان در 1.5٪ کنترل کرد، یکنواختی غلظت کمتر از 3٪، چگالی نقص کشنده کمتر از 0.3 ذرات بر سانتی متر مربع است، و ریشه زبری سطح همپایی میانگین مربع Ra کمتر از 0.15 نانومتر است، و همه شاخص های فرآیند اصلی در سطح پیشرفته صنعت

کاربید سیلیکون (SiC)یکی از نمایندگان نسل سوم مواد نیمه هادی است. دارای ویژگی های قدرت میدان شکست بالا، هدایت حرارتی عالی، سرعت رانش اشباع الکترون زیاد و مقاومت در برابر تشعشع قوی است. این ظرفیت پردازش انرژی دستگاه های قدرت را بسیار افزایش داده است و می تواند نیازهای خدمات نسل بعدی تجهیزات الکترونیکی قدرت را برای دستگاه هایی با قدرت بالا، اندازه کوچک، دمای بالا، تشعشع بالا و سایر شرایط شدید برآورده کند. این می تواند فضا را کاهش دهد، مصرف برق را کاهش دهد و نیازهای خنک کننده را کاهش دهد. این تغییرات انقلابی را در وسایل نقلیه انرژی جدید، حمل و نقل ریلی، شبکه های هوشمند و سایر زمینه ها به ارمغان آورده است. بنابراین، نیمه هادی های کاربید سیلیکون به عنوان ماده ایده آلی شناخته شده اند که نسل بعدی دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا را رهبری می کند. در سال های اخیر، به لطف حمایت سیاست ملی برای توسعه صنعت نیمه هادی نسل سوم، تحقیق و توسعه و ساخت سیستم صنعت دستگاه 150 میلی متری SiC اساساً در چین تکمیل شده است و امنیت زنجیره صنعتی اساسا تضمین شده است. بنابراین، تمرکز صنعت به تدریج به سمت کنترل هزینه و بهبود کارایی معطوف شده است. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، در مقایسه با 150 میلی متر، 200 میلی متر SiC دارای نرخ استفاده از لبه بالاتری است و خروجی تراشه های تک ویفر را می توان حدود 1.8 برابر افزایش داد. پس از بلوغ فناوری، هزینه ساخت یک تراشه واحد را می توان تا 30 درصد کاهش داد. پیشرفت فناوری 200 میلی‌متر وسیله‌ای مستقیم برای «کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری» است و همچنین کلید صنعت نیمه‌رسانای کشور من است که «موازی» یا حتی «پیشرو» باشد.

متفاوت از فرآیند دستگاه Si،دستگاه های قدرت نیمه هادی SiCهمه با لایه های همپایی به عنوان سنگ بنا پردازش و آماده می شوند. ویفرهای اپیتاکسیال مواد اولیه اساسی برای دستگاه های قدرت SiC هستند. کیفیت لایه اپیتاکسیال به طور مستقیم بازده دستگاه را تعیین می کند و هزینه آن 20 درصد از هزینه ساخت تراشه را تشکیل می دهد. بنابراین، رشد اپیتاکسیال یک پیوند میانی ضروری در دستگاه های قدرت SiC است. حد بالایی سطح فرآیند اپیتاکسیال توسط تجهیزات اپیتاکسیال تعیین می شود. در حال حاضر، درجه محلی سازی تجهیزات اپیتاکسیال SiC 150 میلی متری در چین نسبتاً بالا است، اما طرح کلی 200 میلی متر در همان زمان از سطح بین المللی عقب تر است. بنابراین، به منظور حل نیازهای فوری و مشکلات گلوگاه تولید مواد اپیتاکسیال با اندازه بزرگ و با کیفیت بالا برای توسعه صنعت نیمه هادی نسل سوم داخلی، این مقاله تجهیزات اپیتاکسیال 200 میلی متری SiC را که با موفقیت در کشور من توسعه یافته معرفی می کند. و فرآیند اپیتاکسیال را مطالعه می کند. با بهینه سازی پارامترهای فرآیند مانند دمای فرآیند، نرخ جریان گاز حامل، نسبت C/Si و غیره، یکنواختی غلظت <3٪، ضخامت غیر یکنواخت <1.5٪، زبری Ra <0.2 نانومتر و چگالی نقص کشنده <0.3 دانه /cm2 از ویفرهای اپیتاکسیال SiC 150 میلی متر و 200 میلی متر با کوره اپیتاکسیال کاربید سیلیکون 200 میلی متری توسعه یافته مستقل به دست می آید. سطح فرآیند تجهیزات می تواند نیازهای آماده سازی دستگاه قدرت SiC با کیفیت بالا را برآورده کند.

1 آزمایش

1.1 اصلاپیتاکسیال SiCفرآیند
فرآیند رشد هماپیتاکسیال 4H-SiC عمدتاً شامل 2 مرحله کلیدی است، یعنی حکاکی در محل با دمای بالا از بستر 4H-SiC و فرآیند رسوب شیمیایی بخار همگن. هدف اصلی از اچینگ درجا، حذف آسیب زیرسطحی زیرلایه پس از پرداخت ویفر، مایع پولیش باقیمانده، ذرات و لایه اکسیدی است و می توان با اچ کردن، یک ساختار پله اتمی منظم بر روی سطح بستر ایجاد کرد. اچ در محل معمولاً در اتمسفر هیدروژنی انجام می شود. با توجه به نیازهای فرآیند واقعی، مقدار کمی گاز کمکی نیز می توان اضافه کرد، مانند کلرید هیدروژن، پروپان، اتیلن یا سیلان. دمای حکاکی هیدروژنی در محل عموماً بالای 1600 ℃ است و فشار محفظه واکنش معمولاً در طول فرآیند اچ کردن کمتر از 2×104 Pa کنترل می شود.

پس از فعال شدن سطح زیرلایه توسط اچینگ درجا، وارد فرآیند رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا می شود، یعنی منبع رشد (مانند اتیلن/پروپان، TCS/سیلان)، منبع دوپینگ (نیتروژن منبع دوپینگ نوع n) ، منبع دوپینگ نوع p TMAl) و گاز کمکی مانند کلرید هیدروژن از طریق جریان بزرگی از گاز حامل (معمولاً هیدروژن) به محفظه واکنش منتقل می شوند. پس از واکنش گاز در محفظه واکنش در دمای بالا، بخشی از پیش ماده واکنش شیمیایی می دهد و روی سطح ویفر جذب می شود و یک لایه همگن 4H-SiC تک بلوری با غلظت دوپینگ خاص، ضخامت خاص و کیفیت بالاتر تشکیل می شود. روی سطح بستر با استفاده از بستر تک کریستالی 4H-SiC به عنوان یک الگو. پس از سال‌ها کاوش فنی، فناوری هماپیتاکسیال 4H-SiC اساساً به بلوغ رسیده است و به طور گسترده در تولید صنعتی استفاده می‌شود. پرکاربردترین فناوری هماپیتاکسیال 4H-SiC در جهان دارای دو ویژگی معمولی است:
(1) با استفاده از یک زیرلایه برش مورب خارج از محور (نسبت به صفحه کریستالی <0001>، به سمت جهت کریستالی <11-20>)، یک لایه اپیتاکسیال 4H-SiC تک کریستالی با خلوص بالا بدون ناخالصی است. به شکل حالت رشد پلکانی بر روی بستر رسوب می کند. رشد اولیه هماپیتاکسی 4H-SiC از یک بستر کریستالی مثبت، یعنی صفحه <0001> Si برای رشد استفاده می کرد. چگالی پله های اتمی روی سطح بستر کریستال مثبت کم و تراس ها وسیع هستند. رشد هسته دو بعدی به راحتی در طی فرآیند اپیتاکسی رخ می دهد تا سی سی سی سی کریستالی 3C (3C-SiC) تشکیل شود. با برش خارج از محور، می توان پله های اتمی با چگالی بالا و عرض تراس باریک را بر روی سطح بستر 4H-SiC <0001> معرفی کرد و پیش ماده جذب شده می تواند به طور موثر به موقعیت پله اتمی با انرژی سطح نسبتاً کم از طریق انتشار سطح برسد. . در مرحله، موقعیت پیوند پیشرو اتم/گروه مولکولی منحصربه‌فرد است، بنابراین در حالت رشد جریان پله‌ای، لایه همپایی می‌تواند به طور کامل دنباله انباشته لایه اتمی دو لایه Si-C از بستر را به ارث ببرد تا یک کریستال منفرد با کریستال یکسان تشکیل دهد. فاز به عنوان بستر
(2) رشد اپیتاکسیال با سرعت بالا با معرفی منبع سیلیکونی حاوی کلر حاصل می شود. در سیستم های رسوب بخار شیمیایی SiC معمولی، سیلان و پروپان (یا اتیلن) ​​منابع اصلی رشد هستند. در فرآیند افزایش نرخ رشد با افزایش سرعت جریان منبع رشد، با ادامه افزایش فشار جزئی تعادلی جزء سیلیکون، تشکیل خوشه‌های سیلیکونی با هسته‌زایی فاز گازی همگن به راحتی امکان‌پذیر است، که به طور قابل توجهی نرخ بهره‌برداری از سیلیکون را کاهش می‌دهد. منبع سیلیکون تشکیل خوشه های سیلیکونی تا حد زیادی بهبود نرخ رشد اپیتاکسیال را محدود می کند. در عین حال، خوشه های سیلیکونی می توانند رشد جریان پله را مختل کرده و باعث ایجاد هسته زایی شوند. به منظور جلوگیری از هسته‌زایی فاز گازی همگن و افزایش نرخ رشد اپیتاکسیال، معرفی منابع سیلیکونی مبتنی بر کلر در حال حاضر روش اصلی برای افزایش نرخ رشد اپیتاکسیال 4H-SiC است.

تجهیزات اپیتاکسیال SiC 1.2 200 میلی متری (8 اینچی) و شرایط فرآیند
آزمایش‌های توصیف‌شده در این مقاله همگی بر روی تجهیزات همپایی SiC دیوار داغ افقی یکپارچه سازگار با 150/200 میلی‌متر (6/8 اینچ) که به‌طور مستقل توسط 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation توسعه یافته است، انجام شد. کوره اپیتاکسیال از بارگیری و تخلیه ویفر کاملاً اتوماتیک پشتیبانی می کند. شکل 1 یک نمودار شماتیک از ساختار داخلی محفظه واکنش تجهیزات اپیتاکسیال است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، دیواره بیرونی محفظه واکنش یک زنگ کوارتز با یک لایه میانی خنک شده با آب است و داخل زنگ یک محفظه واکنش با دمای بالا است که از نمد کربن عایق حرارتی با خلوص بالا تشکیل شده است. حفره گرافیت ویژه، پایه چرخان شناور گاز گرافیت و غیره. کل زنگ کوارتز با یک سیم پیچ القایی استوانه ای پوشانده شده است و محفظه واکنش داخل زنگ توسط منبع تغذیه القایی با فرکانس متوسط ​​گرم می شود. همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، گاز حامل، گاز واکنش و گاز دوپینگ همگی از طریق سطح ویفر در یک جریان آرام افقی از بالادست محفظه واکنش به پایین دست محفظه واکنش جریان یافته و از دم تخلیه می شوند. انتهای گاز برای اطمینان از سازگاری درون ویفر، ویفر حمل شده توسط پایه شناور هوا همیشه در طول فرآیند می چرخد.

بستر مورد استفاده در این آزمایش یک بستر تجاری 150 میلی‌متری، 200 میلی‌متری (6 اینچ، 8 اینچ) <1120> جهت 4 درجه خارج از زاویه رسانای n نوع 4H-SiC دو طرفه SiC پرداخت شده توسط Shanxi Shuoke Crystal است. تری کلروسیلان (SiHCl3، TCS) و اتیلن (C2H4) به عنوان منابع اصلی رشد در آزمایش فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند، که در این میان از TCS و C2H4 به ترتیب به عنوان منبع سیلیکون و منبع کربن، نیتروژن با خلوص بالا (N2) به عنوان n- استفاده می شود. نوع منبع دوپینگ، و هیدروژن (H2) به عنوان گاز رقیق کننده و گاز حامل استفاده می شود. محدوده دمایی فرآیند اپیتاکسیال 1 600 ~ 1 660 ℃، فشار فرآیند 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa، و نرخ جریان گاز حامل H2 100 ~ 140 L / دقیقه است.

1.3 آزمایش و خصوصیات ویفر اپیتاکسیال
طیف‌سنج مادون قرمز فوریه (سازنده تجهیزات Thermalfisher، مدل iS50) و تستر غلظت پروب جیوه (سازنده تجهیزات Semilab، مدل 530L) برای توصیف میانگین و توزیع ضخامت لایه همپایه و غلظت دوپینگ استفاده شد. ضخامت و غلظت دوپینگ هر نقطه در لایه اپیتاکسیال با گرفتن نقاط در امتداد خط قطری که خط معمولی لبه مرجع اصلی را در 45 درجه در مرکز ویفر با حذف لبه 5 میلی متر قطع می کند، تعیین شد. برای یک ویفر 150 میلی متری، 9 نقطه در امتداد یک خط تک قطری (دو قطر بر هم عمود بر هم بودند) و برای یک ویفر 200 میلی متری، 21 نقطه گرفته شد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. یک میکروسکوپ نیروی اتمی (سازنده تجهیزات) Bruker، مدل Dimension Icon) برای انتخاب نواحی 30 میکرومتر × 30 میکرومتر در ناحیه مرکزی و ناحیه لبه (حذف لبه 5 میلی‌متری) ویفر اپیتاکسیال برای آزمایش زبری سطح لایه اپیتاکسیال استفاده شد. عیوب لایه اپیتاکسیال با استفاده از یک تستر نقص سطح (تولید کننده تجهیزات China Electronics) اندازه گیری شد. تصویرگر سه بعدی توسط یک سنسور رادار (مدل Mars 4410 pro) از Kefenghua مشخص شد.