Tällä hetkellä piikarbiditeollisuus on muuttumassa 150 mm:stä (6 tuumasta) 200 mm:iin (8 tuumaa). Vastatakseen suurikokoisten, korkealaatuisten SiC homoepitaksiaalisten kiekkojen kiireelliseen kysyntään teollisuudessa, 150 mm ja 200 mm4H-SiC homoepitaksiaaliset kiekotvalmistettiin onnistuneesti kotimaisille substraateille käyttämällä itsenäisesti kehitettyä 200 mm SiC epitaksiaalista kasvulaitteistoa. Kehitettiin 150 mm ja 200 mm:lle sopiva homoepitaksiaalinen prosessi, jossa epitaksiaalinen kasvunopeus voi olla suurempi kuin 60 um/h. Nopean epitaksian täyttäessä epitaksiaalisen kiekon laatu on erinomainen. Paksuuden tasaisuus 150 mm ja 200 mmSiC epitaksiaaliset kiekotvoidaan säätää 1,5 %:n sisällä, pitoisuuden tasaisuus on alle 3 %, kohtalokkaan vian tiheys on alle 0,3 hiukkasta/cm2 ja epitaksiaalisen pinnan karheuden neliökeskiarvo Ra on alle 0,15 nm, ja kaikki ydinprosessin indikaattorit ovat alan edistynyt taso.
Piikarbidi (SiC)on yksi kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalien edustajista. Sillä on korkea läpilyöntikentän voimakkuus, erinomainen lämmönjohtavuus, suuri elektronien kyllästymisnopeus ja vahva säteilyvastus. Se on laajentanut huomattavasti teholaitteiden energiankäsittelykapasiteettia ja voi täyttää seuraavan sukupolven tehoelektroniikkalaitteiden palveluvaatimukset laitteille, joissa on suuri teho, pieni koko, korkea lämpötila, korkea säteily ja muut äärimmäiset olosuhteet. Se voi vähentää tilaa, vähentää virrankulutusta ja vähentää jäähdytysvaatimuksia. Se on tuonut vallankumouksellisia muutoksia uusiin energia-ajoneuvoihin, rautatieliikenteeseen, älykkäisiin verkkoihin ja muille aloille. Siksi piikarbidipuolijohteet on tunnustettu ihanteelliseksi materiaaliksi, joka johtaa seuraavan sukupolven suuritehoisia sähkölaitteita. Kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuuden kehittämisen kansallisen poliittisen tuen ansiosta 150 mm:n piikarbidin laiteteollisuusjärjestelmän tutkimus-, kehitys- ja rakentaminen on viime vuosina pääosin saatu päätökseen Kiinassa ja teollisuusketjun turvallisuus on periaatteessa taattu. Siksi alan painopiste on vähitellen siirtynyt kustannusten hallintaan ja tehokkuuden parantamiseen. Kuten taulukosta 1 näkyy, verrattuna 150 mm:iin, 200 mm:n SiC:llä on korkeampi reunan käyttöaste, ja yksittäisten kiekkosirujen tuotantoa voidaan lisätä noin 1,8-kertaiseksi. Teknologian kypsymisen jälkeen yhden sirun valmistuskustannuksia voidaan vähentää 30 %. 200 mm:n tekninen läpimurto on suora keino "vähentää kustannuksia ja lisätä tehokkuutta", ja se on myös kotimaani puolijohdeteollisuudelle avain "rinnakkaiselle" tai jopa "johtamiselle".
Erilainen kuin Si-laiteprosessi,SiC-puolijohdeteholaitteetovat kaikki käsitelty ja valmistettu epitaksiaalisilla kerroksilla kulmakivenä. Epitaksiaaliset kiekot ovat olennaisia perusmateriaaleja piikarbiditeholaitteille. Epitaksiaalikerroksen laatu määrää suoraan laitteen tuoton, ja sen hinta on 20 % sirun valmistuskustannuksista. Siksi epitaksiaalinen kasvu on olennainen välilinkki SiC-teholaitteissa. Epitaksisen prosessin tason yläraja määräytyy epitaksilaitteiston avulla. Tällä hetkellä 150 mm:n SiC-epitaksiaalisten laitteiden lokalisointiaste Kiinassa on suhteellisen korkea, mutta 200 mm:n yleinen asettelu on samalla jäljessä kansainvälisestä tasosta. Siksi tässä artikkelissa esitellään kotimaassani onnistuneesti kehitetyt 200 mm:n piikarbidiepitaksiaalilaitteet, jotta voidaan ratkaista kiireelliset tarpeet ja pullonkaulaongelmat, jotka liittyvät suurikokoisten, korkealaatuisten epitaksimateriaalien valmistukseen kotimaisen kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuuden kehittämiseen. ja tutkii epitaksiaalista prosessia. Optimoimalla prosessiparametreja, kuten prosessin lämpötila, kantokaasun virtausnopeus, C/Si-suhde jne., konsentraation tasaisuus <3%, paksuuden epätasaisuus <1,5%, karheus Ra <0,2 nm ja kohtalokas virhetiheys <0,3 rakeita /cm2 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalisia kiekkoja, joissa on itsenäisesti kehitetty 200 mm piikarbidi-epitaksiaalinen uuni saadaan. Laiteprosessitaso pystyy vastaamaan korkealaatuisen piikarbiditeholaitteiden valmistelun tarpeisiin.
1 Kokeilu
1.1 PeriaateSiC epitaksiaalinenkäsitellä
4H-SiC-homoepitaksiaalinen kasvuprosessi sisältää pääasiassa 2 avainvaihetta, nimittäin 4H-SiC-substraatin korkean lämpötilan in situ -etsauksen ja homogeenisen kemiallisen höyrypinnoitusprosessin. Substraatin in situ -etsauksen päätarkoitus on poistaa alustan pintavauriot kiekkojen kiillotuksen jälkeen, jäännöskiillotusneste, hiukkaset ja oksidikerros, ja alustan pinnalle voidaan muodostaa säännöllinen atomiporrasrakenne syövyttämällä. In situ -etsaus suoritetaan yleensä vetyatmosfäärissä. Varsinaisten prosessivaatimusten mukaan voidaan lisätä myös pieni määrä apukaasua, kuten kloorivetyä, propaania, eteeniä tai silaania. In situ vetyetsauksen lämpötila on yleensä yli 1 600 ℃, ja reaktiokammion painetta ohjataan yleensä alle 2 × 104 Pa syövytysprosessin aikana.
Kun alustan pinta on aktivoitu in situ -etsauksella, se siirtyy korkean lämpötilan kemialliseen höyrypinnoitusprosessiin, eli kasvulähteeseen (kuten eteeni/propaani, TCS/silaani), seostuslähteeseen (n-tyypin seostuslähdetyppi , p-tyyppinen seostuslähde TMAl) ja apukaasu, kuten kloorivety, kuljetetaan reaktiokammioon suuren kantokaasuvirran (yleensä vety) kautta. Kun kaasu reagoi korkean lämpötilan reaktiokammiossa, osa prekursorista reagoi kemiallisesti ja adsorboituu kiekon pintaan, jolloin muodostuu yksikiteinen homogeeninen 4H-SiC epitaksiaalinen kerros, jolla on tietty seostuspitoisuus, ominaispaksuus ja korkeampi laatu. substraatin pinnalle käyttämällä yksikiteistä 4H-SiC-substraattia mallineena. Vuosien teknisen tutkimuksen jälkeen 4H-SiC-homoepitaksiaalinen tekniikka on periaatteessa kypsynyt ja sitä käytetään laajalti teollisessa tuotannossa. Maailman laajimmin käytetyllä 4H-SiC homoepitaksiaalisella tekniikalla on kaksi tyypillistä ominaisuutta:
(1) Käyttämällä akselin ulkopuolista (suhteessa <0001> kidetasoon, kohti <11-20> kidesuuntaa) vinosti leikattua substraattia mallineena, saadaan erittäin puhdas yksikiteinen 4H-SiC epitaksiaalinen kerros ilman epäpuhtauksia. kerrostetaan substraatille askelvirtauskasvatusmuodossa. Varhaisessa 4H-SiC:n homoepitaksiaalisessa kasvussa käytettiin positiivista kidesubstraattia, eli <0001> Si-tasoa kasvuun. Positiivisen kidealustan pinnalla olevien atomiaskelmien tiheys on pieni ja terassit leveät. Kaksiulotteinen nukleaatiokasvu on helppo tapahtua epitaksiprosessin aikana, jolloin muodostuu 3C-kiteinen SiC (3C-SiC). Akselin ulkopuolisella leikkauksella 4H-SiC <0001> -substraatin pinnalle voidaan tuoda tiheitä, kapeita terassin leveitä atomiaskeleita ja adsorboitu prekursori voi tehokkaasti saavuttaa atomiaskelaseman suhteellisen alhaisella pintaenergialla pintadiffusion kautta. . Vaiheessa esiasteatomin/molekyyliryhmän sidoskohta on ainutlaatuinen, joten vaihevirtauskasvutilassa epitaksiaalinen kerros voi täydellisesti periä substraatin Si-C-kaksoisatomikerroksen pinoamissekvenssin muodostaen yksittäiskiteen, jossa on sama kide. faasi substraattina.
(2) Nopea epitaksiaalinen kasvu saavutetaan lisäämällä klooria sisältävää piilähdettä. Perinteisissä piikarbidin kemiallisissa höyrypinnoitusjärjestelmissä silaani ja propaani (tai eteeni) ovat tärkeimmät kasvun lähteet. Kun kasvunopeutta nostetaan kasvattamalla kasvulähteen virtausnopeutta, piikomponentin tasapainon osapaineen kasvaessa edelleen, on helppo muodostaa piiklustereita homogeenisella kaasufaasin ydintämisellä, mikä vähentää merkittävästi piikomponentin käyttöastetta. piin lähde. Piiklustereiden muodostuminen rajoittaa suuresti epitaksiaalisen kasvunopeuden paranemista. Samanaikaisesti piiklusterit voivat häiritä askelvirtauksen kasvua ja aiheuttaa virheen muodostumista. Homogeenisen kaasufaasin nukleoitumisen välttämiseksi ja epitaksiaalisen kasvunopeuden lisäämiseksi klooripohjaisten piilähteiden käyttöönotto on tällä hetkellä yleisin menetelmä 4H-SiC:n epitaksiaalisen kasvunopeuden lisäämiseksi.
1,2 200 mm (8 tuuman) piikarbidin epitaksilaitteisto ja prosessiolosuhteet
Kaikki tässä asiakirjassa kuvatut kokeet suoritettiin 150/200 mm (6/8 tuuman) yhteensopivalla monoliittisella vaakasuuntaisella kuumaseinämäisellä SiC-epitaksiaalisella laitteistolla, jonka 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation oli itsenäisesti kehittänyt. Epitaksiaalinen uuni tukee täysin automaattista kiekkojen lataamista ja purkamista. Kuvio 1 on kaaviokuva epitaksiaalilaitteiston reaktiokammion sisäisestä rakenteesta. Kuten kuvasta 1 näkyy, reaktiokammion ulkoseinä on kvartsikello, jossa on vesijäähdytteinen välikerros, ja kellon sisäpuoli on korkean lämpötilan reaktiokammio, joka koostuu lämpöeristetystä hiilihuovasta, erittäin puhtaasta. erityinen grafiittiontelo, grafiittikaasulla kelluva pyörivä alusta jne. Koko kvartsikello on peitetty sylinterimäisellä induktiokelalla, ja reaktio kellon sisällä oleva kammio lämmitetään sähkömagneettisesti keskitaajuisella induktiovirtalähteellä. Kuten kuvassa 1 (b) esitetään, kantokaasu, reaktiokaasu ja seostuskaasu virtaavat kaikki kiekon pinnan läpi vaakasuorana laminaarivirtauksena reaktiokammion ylävirrasta reaktiokammion alavirtaan ja poistetaan pyrstöstä. kaasupää. Tasaisuuden varmistamiseksi kiekon sisällä ilmakelluvan pohjan kantamaa kiekkoa pyöritetään aina prosessin aikana.
Kokeessa käytetty substraatti on kaupallinen 150 mm, 200 mm (6 tuumaa, 8 tuumaa) <1120> suuntainen 4° kulmasta poikkeava johtava n-tyypin 4H-SiC kaksipuolinen kiillotettu SiC-substraatti, jota valmistaa Shanxi Shuoke Crystal. Trikloorisilaania (SiHCl3, TCS) ja eteeniä (C2H4) käytetään pääasiallisina kasvulähteinä prosessikokeessa, joista TCS:ää ja C2H4:ää käytetään piin lähteenä ja C2H4:ää vastaavasti, erittäin puhdasta typpeä (N2) käytetään n- tyyppistä seostuslähdettä, ja vetyä (H2) käytetään laimennuskaasuna ja kantokaasuna. Epitaksisen prosessin lämpötila-alue on 1 600 ~ 1 660 ℃, prosessipaine on 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ja H2-kantokaasun virtausnopeus on 100 - 140 l/min.
1.3 Epitaksiaalisten kiekkojen testaus ja karakterisointi
Fourier-infrapunaspektrometriä (laitevalmistaja Thermalfisher, malli iS50) ja elohopeanetsin konsentraatiomittaria (laitevalmistaja Semilab, malli 530L) käytettiin karakterisoimaan epitaksiaalisen kerrospaksuuden ja dopingpitoisuuden keskiarvo ja jakauma; kunkin pisteen paksuus ja seostuspitoisuus epitaksiaalisessa kerroksessa määritettiin ottamalla halkaisijaviivaa pitkin pisteitä, jotka leikkaavat päävertailureunan normaalin linjan 45°:ssa kiekon keskellä 5 mm:n reunan poiston jälkeen. 150 mm:n kiekosta otettiin 9 pistettä yhtä halkaisijaviivaa pitkin (kaksi halkaisijaa olivat kohtisuorassa toisiinsa nähden) ja 200 mm:n kiekosta 21 pistettä, kuten kuvassa 2. Atomivoimamikroskooppi (laitteen valmistaja) Bruker, malli Dimension Icon) käytettiin valitsemaan 30 μm × 30 μm alueita keskialueelta ja reuna-alueelta (5 mm reunan poisto). epitaksiaaltolevy epitaksikerroksen pinnan karheuden testaamiseksi; epitaksiaalikerroksen viat mitattiin pintavikojen testerillä (laitevalmistaja China Electronics 3D-kuvauslaitteen luonnehdittiin Kefenghuan tutka-anturilla (malli Mars 4410 pro).
Postitusaika: 04.09.2024