હાલમાં, SiC ઉદ્યોગ 150 mm (6 ઇંચ) થી 200 mm (8 ઇંચ) માં પરિવર્તિત થઈ રહ્યો છે. ઉદ્યોગમાં મોટા કદના, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા SiC હોમોપીટેક્સિયલ વેફર્સની તાત્કાલિક માંગને પહોંચી વળવા માટે, 150mm અને 200mm4H-SiC હોમોપીટેક્સિયલ વેફર્સસ્વતંત્ર રીતે વિકસિત 200mm SiC એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ સાધનોનો ઉપયોગ કરીને સ્થાનિક સબસ્ટ્રેટ પર સફળતાપૂર્વક તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા. 150mm અને 200mm માટે યોગ્ય હોમોપીટેક્સિયલ પ્રક્રિયા વિકસાવવામાં આવી હતી, જેમાં એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ દર 60um/h કરતાં વધુ હોઈ શકે છે. હાઇ-સ્પીડ એપિટેક્સીને મળતી વખતે, એપિટેક્સિયલ વેફરની ગુણવત્તા ઉત્તમ છે. 150 મીમી અને 200 મીમીની જાડાઈની એકરૂપતાSiC એપિટેક્સિયલ વેફર્સ1.5% ની અંદર નિયંત્રિત કરી શકાય છે, એકાગ્રતા એકરૂપતા 3% કરતા ઓછી છે, જીવલેણ ખામી ઘનતા 0.3 કણો/cm2 કરતા ઓછી છે, અને એપિટેક્સિયલ સપાટીની રફનેસ રુટ સરેરાશ ચોરસ Ra 0.15nm કરતાં ઓછી છે, અને તમામ મુખ્ય પ્રક્રિયા સૂચકાંકો છે. ઉદ્યોગનું અદ્યતન સ્તર.
સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC)ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના પ્રતિનિધિઓમાંનું એક છે. તે ઉચ્ચ ભંગાણ ક્ષેત્રની શક્તિ, ઉત્તમ થર્મલ વાહકતા, મોટા ઇલેક્ટ્રોન સંતૃપ્તિ ડ્રિફ્ટ વેગ અને મજબૂત રેડિયેશન પ્રતિકારની લાક્ષણિકતાઓ ધરાવે છે. તેણે પાવર ડિવાઈસની એનર્જી પ્રોસેસિંગ ક્ષમતાને ખૂબ જ વિસ્તૃત કરી છે અને ઉચ્ચ પાવર, નાના કદ, ઉચ્ચ તાપમાન, ઉચ્ચ કિરણોત્સર્ગ અને અન્ય આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓવાળા ઉપકરણો માટે પાવર ઈલેક્ટ્રોનિક સાધનોની આગામી પેઢીની સેવા જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકે છે. તે જગ્યા ઘટાડી શકે છે, પાવર વપરાશ ઘટાડી શકે છે અને ઠંડકની જરૂરિયાતો ઘટાડી શકે છે. તે નવા ઉર્જા વાહનો, રેલ પરિવહન, સ્માર્ટ ગ્રીડ અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં ક્રાંતિકારી ફેરફારો લાવ્યા છે. તેથી, સિલિકોન કાર્બાઇડ સેમિકન્ડક્ટર્સ આદર્શ સામગ્રી તરીકે ઓળખાયા છે જે ઉચ્ચ-પાવર પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોની આગામી પેઢીનું નેતૃત્વ કરશે. તાજેતરના વર્ષોમાં, ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગના વિકાસ માટે રાષ્ટ્રીય નીતિના સમર્થન માટે આભાર, 150 mm SiC ઉપકરણ ઉદ્યોગ સિસ્ટમનું સંશોધન અને વિકાસ અને બાંધકામ મૂળભૂત રીતે ચીનમાં પૂર્ણ થયું છે, અને ઔદ્યોગિક સાંકળની સુરક્ષામાં વધારો થયો છે. મૂળભૂત રીતે ખાતરી આપવામાં આવી છે. તેથી, ઉદ્યોગનું ધ્યાન ધીમે ધીમે ખર્ચ નિયંત્રણ અને કાર્યક્ષમતા સુધારણા તરફ વળ્યું છે. કોષ્ટક 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, 150 mm ની સરખામણીમાં, 200 mm SiC પાસે એજ યુટિલાઇઝેશન રેટ વધારે છે, અને સિંગલ વેફર ચિપ્સનું આઉટપુટ લગભગ 1.8 ગણો વધારી શકાય છે. ટેક્નોલોજી પરિપક્વ થયા પછી, એક ચિપની ઉત્પાદન કિંમત 30% સુધી ઘટાડી શકાય છે. 200 mm ની તકનીકી પ્રગતિ એ "ખર્ચ ઘટાડવા અને કાર્યક્ષમતા વધારવા"નું સીધું માધ્યમ છે અને તે મારા દેશના સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ માટે "સમાંતર ચલાવવા" અથવા તો "લીડ" માટે પણ ચાવીરૂપ છે.
Si ઉપકરણ પ્રક્રિયાથી અલગ,SiC સેમિકન્ડક્ટર પાવર ઉપકરણોબધા પર પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે અને પાયાના પથ્થર તરીકે એપિટેક્સિયલ સ્તરો સાથે તૈયાર કરવામાં આવે છે. એપિટેક્સિયલ વેફર્સ એ SiC પાવર ઉપકરણો માટે આવશ્યક મૂળભૂત સામગ્રી છે. એપિટેક્સિયલ સ્તરની ગુણવત્તા સીધી ઉપકરણની ઉપજને નિર્ધારિત કરે છે, અને તેની કિંમત ચિપ ઉત્પાદન ખર્ચના 20% જેટલો છે. તેથી, એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ એ SiC પાવર ઉપકરણોમાં આવશ્યક મધ્યવર્તી કડી છે. એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા સ્તરની ઉપલી મર્યાદા એપિટેક્સિયલ સાધનો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. હાલમાં, ચીનમાં 150mm SiC એપિટેક્સિયલ સાધનોની સ્થાનિકીકરણની ડિગ્રી પ્રમાણમાં ઊંચી છે, પરંતુ 200mmનું એકંદર લેઆઉટ તે જ સમયે આંતરરાષ્ટ્રીય સ્તરથી પાછળ છે. તેથી, સ્થાનિક ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગના વિકાસ માટે મોટા-કદના, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા એપિટેક્સિયલ સામગ્રીના ઉત્પાદનની તાત્કાલિક જરૂરિયાતો અને અડચણ સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટે, આ પેપર મારા દેશમાં સફળતાપૂર્વક વિકસિત 200 mm SiC એપિટાક્સિયલ સાધનોનો પરિચય આપે છે, અને એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ કરે છે. પ્રક્રિયા તાપમાન, વાહક ગેસ પ્રવાહ દર, C/Si ગુણોત્તર, વગેરે જેવા પ્રક્રિયા પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કરીને, સાંદ્રતા એકરૂપતા <3%, જાડાઈ બિન-એકરૂપતા <1.5%, રફનેસ Ra <0.2 nm અને જીવલેણ ખામી ઘનતા <0.3 અનાજ /cm2 નું 150 mm અને 200 mm SiC એપિટેક્સિયલ વેફર્સ સાથે સ્વતંત્ર રીતે વિકસિત 200 મીમી સિલિકોન કાર્બાઇડ એપિટેક્સિયલ ફર્નેસ મેળવવામાં આવે છે. સાધન પ્રક્રિયા સ્તર ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી SiC પાવર ઉપકરણની તૈયારીની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકે છે.
1 પ્રયોગ
1.1 ના સિદ્ધાંતSiC એપિટેક્સિયલપ્રક્રિયા
4H-SiC હોમોપીટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પ્રક્રિયામાં મુખ્યત્વે 2 મુખ્ય પગલાઓનો સમાવેશ થાય છે, એટલે કે, 4H-SiC સબસ્ટ્રેટનું ઉચ્ચ-તાપમાન ઇન-સીટુ એચીંગ અને સજાતીય રાસાયણિક વરાળ જમા કરવાની પ્રક્રિયા. સબસ્ટ્રેટ ઇન-સીટુ એચિંગનો મુખ્ય હેતુ વેફર પોલિશિંગ, રેસિડ્યુઅલ પોલિશિંગ લિક્વિડ, કણો અને ઓક્સાઈડ લેયર પછી સબસ્ટ્રેટના સબસર્ફેસ ડેમેજને દૂર કરવાનો છે અને ઈચિંગ દ્વારા સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર નિયમિત એટોમિક સ્ટેપ સ્ટ્રક્ચર બનાવી શકાય છે. ઇન-સીટુ એચીંગ સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોજન વાતાવરણમાં કરવામાં આવે છે. વાસ્તવિક પ્રક્રિયાની જરૂરિયાતો અનુસાર, થોડી માત્રામાં સહાયક ગેસ પણ ઉમેરી શકાય છે, જેમ કે હાઇડ્રોજન ક્લોરાઇડ, પ્રોપેન, ઇથિલિન અથવા સિલેન. ઇન-સીટુ હાઇડ્રોજન એચીંગનું તાપમાન સામાન્ય રીતે 1 600 ℃ ઉપર હોય છે, અને એચીંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરનું દબાણ સામાન્ય રીતે 2×104 Pa ની નીચે નિયંત્રિત થાય છે.
સબસ્ટ્રેટ સપાટી ઇન-સીટુ એચીંગ દ્વારા સક્રિય થયા પછી, તે ઉચ્ચ-તાપમાનની રાસાયણિક વરાળ જમા કરવાની પ્રક્રિયામાં પ્રવેશ કરે છે, એટલે કે, વૃદ્ધિ સ્ત્રોત (જેમ કે ઇથિલિન/પ્રોપેન, TCS/સિલેન), ડોપિંગ સ્ત્રોત (એન-ટાઇપ ડોપિંગ સ્ત્રોત નાઇટ્રોજન) , પી-ટાઇપ ડોપિંગ સ્ત્રોત TMAL), અને હાઇડ્રોજન ક્લોરાઇડ જેવા સહાયક ગેસને પ્રતિક્રિયામાં વહન કરવામાં આવે છે. વાહક ગેસ (સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોજન) ના મોટા પ્રવાહ દ્વારા ચેમ્બર. ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરમાં ગેસ પ્રતિક્રિયા આપે છે તે પછી, પૂર્વવર્તી ભાગ રાસાયણિક રીતે પ્રતિક્રિયા આપે છે અને વેફર સપાટી પર શોષી લે છે, અને ચોક્કસ ડોપિંગ સાંદ્રતા, ચોક્કસ જાડાઈ અને ઉચ્ચ ગુણવત્તા સાથે સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સજાતીય 4H-SiC એપિટેક્સિયલ સ્તર રચાય છે. નમૂના તરીકે સિંગલ-ક્રિસ્ટલ 4H-SiC સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ કરીને સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર. વર્ષોના ટેકનિકલ સંશોધન પછી, 4H-SiC હોમોપીટેક્સિયલ ટેક્નોલોજી મૂળભૂત રીતે પરિપક્વ થઈ છે અને તેનો ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. વિશ્વમાં સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી 4H-SiC હોમોપીટેક્સિયલ ટેક્નોલોજીમાં બે લાક્ષણિક લાક્ષણિકતાઓ છે:
(1) એક ટેમ્પલેટ તરીકે ત્રાંસી કટ સબસ્ટ્રેટ (<0001> ક્રિસ્ટલ પ્લેનથી સંબંધિત, <11-20> ક્રિસ્ટલ દિશા તરફ) નો ઉપયોગ કરીને, અશુદ્ધિઓ વિના ઉચ્ચ-શુદ્ધતા સિંગલ-ક્રિસ્ટલ 4H-SiC એપિટેક્સિયલ સ્તર છે. સ્ટેપ-ફ્લો ગ્રોથ મોડના રૂપમાં સબસ્ટ્રેટ પર જમા થાય છે. પ્રારંભિક 4H-SiC હોમોપીટેક્સિયલ વૃદ્ધિમાં હકારાત્મક ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ થતો હતો, એટલે કે, વૃદ્ધિ માટે <0001> Si પ્લેન. સકારાત્મક ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર અણુ પગલાંની ઘનતા ઓછી છે અને ટેરેસ પહોળા છે. 3C ક્રિસ્ટલ SiC (3C-SiC) બનાવવા માટે એપિટાક્સી પ્રક્રિયા દરમિયાન દ્વિ-પરિમાણીય ન્યુક્લિએશન વૃદ્ધિ થવી સરળ છે. 4H-SiC <0001> સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર ઑફ-એક્સિસ કટીંગ દ્વારા, ઉચ્ચ-ઘનતા, સાંકડી ટેરેસ પહોળાઈના અણુ પગલાઓ રજૂ કરી શકાય છે, અને શોષિત પુરોગામી સપાટીના પ્રસાર દ્વારા પ્રમાણમાં ઓછી સપાટીની ઊર્જા સાથે અસરકારક રીતે અણુ પગલાની સ્થિતિ સુધી પહોંચી શકે છે. . સ્ટેપ પર, પુરોગામી અણુ/મોલેક્યુલર ગ્રુપ બોન્ડિંગ પોઝિશન અનન્ય છે, તેથી સ્ટેપ ફ્લો ગ્રોથ મોડમાં, એપિટેક્સિયલ લેયર સમાન સ્ફટિક સાથે સિંગલ ક્રિસ્ટલ બનાવવા માટે સબસ્ટ્રેટના Si-C ડબલ એટોમિક લેયર સ્ટેકીંગ સિક્વન્સને સંપૂર્ણ રીતે વારસામાં મેળવી શકે છે. સબસ્ટ્રેટ તરીકે તબક્કો.
(2) હાઇ-સ્પીડ એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ ક્લોરિન ધરાવતા સિલિકોન સ્ત્રોતની રજૂઆત દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. પરંપરાગત SiC રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન સિસ્ટમ્સમાં, સિલેન અને પ્રોપેન (અથવા ઇથિલિન) વૃદ્ધિના મુખ્ય સ્ત્રોત છે. વૃદ્ધિના સ્ત્રોત પ્રવાહ દરમાં વધારો કરીને વૃદ્ધિ દર વધારવાની પ્રક્રિયામાં, સિલિકોન ઘટકનું સંતુલન આંશિક દબાણ સતત વધતું જાય છે, સજાતીય ગેસ તબક્કા ન્યુક્લિએશન દ્વારા સિલિકોન ક્લસ્ટરો બનાવવાનું સરળ છે, જે નોંધપાત્ર રીતે ઉપયોગ દર ઘટાડે છે. સિલિકોન સ્ત્રોત. સિલિકોન ક્લસ્ટરોની રચના એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ દરના સુધારણાને મોટા પ્રમાણમાં મર્યાદિત કરે છે. તે જ સમયે, સિલિકોન ક્લસ્ટર સ્ટેપ ફ્લો વૃદ્ધિને ખલેલ પહોંચાડી શકે છે અને ખામી ન્યુક્લિએશનનું કારણ બની શકે છે. સજાતીય ગેસ તબક્કાના ન્યુક્લિએશનને ટાળવા અને એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ દરને વધારવા માટે, 4H-SiC ના એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ દરને વધારવા માટે હાલમાં ક્લોરિન-આધારિત સિલિકોન સ્ત્રોતોનો પરિચય એ મુખ્ય પ્રવાહની પદ્ધતિ છે.
1.2 200 mm (8-inch) SiC એપિટેક્સિયલ સાધનો અને પ્રક્રિયાની સ્થિતિ
આ પેપરમાં વર્ણવેલ તમામ પ્રયોગો 150/200 mm (6/8-ઇંચ) સુસંગત મોનોલિથિક હોરીઝોન્ટલ હોટ વોલ SiC એપિટેક્સિયલ ઇક્વિપમેન્ટ પર હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા જે 48મી ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ચાઇના ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ટેક્નોલોજી ગ્રુપ કોર્પોરેશન દ્વારા સ્વતંત્ર રીતે વિકસિત કરવામાં આવ્યા હતા. એપિટેક્સિયલ ફર્નેસ સંપૂર્ણપણે ઓટોમેટિક વેફર લોડિંગ અને અનલોડિંગને સપોર્ટ કરે છે. આકૃતિ 1 એ એપિટેક્સિયલ સાધનોના પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરની આંતરિક રચનાનું એક યોજનાકીય આકૃતિ છે. આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરની બહારની દિવાલ એ વોટર-કૂલ્ડ ઇન્ટરલેયર સાથે ક્વાર્ટઝ બેલ છે, અને બેલની અંદર એક ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિક્રિયા ચેમ્બર છે, જે થર્મલ ઇન્સ્યુલેશન કાર્બન ફીલ્ડ, ઉચ્ચ-શુદ્ધતાથી બનેલું છે. ખાસ ગ્રેફાઇટ કેવિટી, ગ્રેફાઇટ ગેસ-ફ્લોટિંગ ફરતો આધાર, વગેરે. સમગ્ર ક્વાર્ટઝ ઘંટડી નળાકાર ઇન્ડક્શન કોઇલ, અને બેલની અંદરની પ્રતિક્રિયા ચેમ્બર મધ્યમ-આવર્તન ઇન્ડક્શન પાવર સપ્લાય દ્વારા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિકલી ગરમ થાય છે. આકૃતિ 1 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, વાહક ગેસ, પ્રતિક્રિયા ગેસ અને ડોપિંગ ગેસ આડી લેમિનર પ્રવાહમાં વેફર સપાટી દ્વારા પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરના અપસ્ટ્રીમથી પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરના ડાઉનસ્ટ્રીમ તરફ વહે છે અને પૂંછડીમાંથી વિસર્જન થાય છે. ગેસ અંત. વેફરની અંદર સુસંગતતા સુનિશ્ચિત કરવા માટે, એર ફ્લોટિંગ બેઝ દ્વારા વહન કરવામાં આવતી વેફર પ્રક્રિયા દરમિયાન હંમેશા ફેરવવામાં આવે છે.
પ્રયોગમાં વપરાતો સબસ્ટ્રેટ કોમર્શિયલ 150 મીમી, 200 મીમી (6 ઇંચ, 8 ઇંચ) <1120> દિશા 4°ઓફ-એંગલ વાહક n-ટાઈપ 4H-SiC ડબલ-સાઇડ પોલિશ્ડ SiC સબસ્ટ્રેટ છે જે શાંક્સી શુઓક ક્રિસ્ટલ દ્વારા ઉત્પાદિત છે. ટ્રાઇક્લોરોસિલેન (SiHCl3, TCS) અને ઇથિલિન (C2H4) નો ઉપયોગ પ્રક્રિયા પ્રયોગમાં મુખ્ય વૃદ્ધિ સ્ત્રોત તરીકે થાય છે, જેમાંથી TCS અને C2H4 અનુક્રમે સિલિકોન સ્ત્રોત અને કાર્બન સ્ત્રોત તરીકે વપરાય છે, ઉચ્ચ-શુદ્ધતા નાઇટ્રોજન (N2) નો ઉપયોગ n- તરીકે થાય છે. પ્રકાર ડોપિંગ સ્ત્રોત, અને હાઇડ્રોજન (H2) નો ઉપયોગ મંદન ગેસ અને વાહક ગેસ તરીકે થાય છે. એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયાની તાપમાન શ્રેણી 1 600 ~ 1 660 ℃ છે, પ્રક્રિયા દબાણ 8×103 ~ 12×103 Pa છે, અને H2 વાહક ગેસ પ્રવાહ દર 100～140 L/min છે.
1.3 એપિટેક્સિયલ વેફર પરીક્ષણ અને લાક્ષણિકતા
ફોરિયર ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોમીટર (ઉપકરણ ઉત્પાદક થર્મલફિશર, મોડેલ iS50) અને પારો પ્રોબ એકાગ્રતા પરીક્ષક (ઉપકરણ ઉત્પાદક સેમિલબ, મોડલ 530L) નો ઉપયોગ એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ અને ડોપિંગ સાંદ્રતાના સરેરાશ અને વિતરણને દર્શાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો; એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં દરેક બિંદુની જાડાઈ અને ડોપિંગ સાંદ્રતા 5 મીમી ધાર દૂર કરીને વેફરના કેન્દ્રમાં 45° પર મુખ્ય સંદર્ભ ધારની સામાન્ય રેખાને છેદતી વ્યાસ રેખા સાથે બિંદુઓ લઈને નક્કી કરવામાં આવી હતી. 150 મીમી વેફર માટે, એક વ્યાસની રેખા સાથે 9 પોઈન્ટ લેવામાં આવ્યા હતા (બે વ્યાસ એકબીજાને લંબરૂપ હતા), અને 200 મીમી વેફર માટે, 21 પોઈન્ટ લેવામાં આવ્યા હતા, આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. એક અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપ (ઉપકરણ ઉત્પાદક Bruker, મોડલ ડાયમેન્શન આઇકોન) નો ઉપયોગ મધ્ય વિસ્તારમાં 30 μm×30 μm વિસ્તારો પસંદ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. અને એપિટેક્સિયલ લેયરની સપાટીની ખરબચડી ચકાસવા માટે એપિટેક્સિયલ વેફરનો કિનારી વિસ્તાર (5 mm ધાર દૂર કરવો); સપાટીની ખામી પરીક્ષક (ઉપકરણ ઉત્પાદક ચાઇના ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ધ 3D ઇમેજરને કેફેન્ગુઆના રડાર સેન્સર (મોડલ માર્સ 4410 પ્રો) દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું હતું.
પોસ્ટ સમય: સપ્ટે-04-2024