Trenutno se industrija SiC-a transformira sa 150 mm (6 inča) na 200 mm (8 inča). Kako bi se zadovoljila hitna potražnja za velikim, visokokvalitetnim SiC homoepitaksijalnim pločicama u industriji, 150 mm i 200 mm4H-SiC homoepitaksijalne pločiceuspješno su pripremljeni na domaćim supstratima koristeći neovisno razvijenu opremu za epitaksijalni rast od 200 mm SiC. Razvijen je homoepitaksijalni postupak prikladan za 150 mm i 200 mm, u kojem epitaksijalna stopa rasta može biti veća od 60 um/h. Iako zadovoljava brzu epitaksiju, kvaliteta epitaksijalne pločice je izvrsna. Ujednačenost debljine 150 mm i 200 mmSiC epitaksijalne pločicemože se kontrolirati unutar 1,5%, ujednačenost koncentracije manja je od 3%, gustoća fatalnih defekata manja je od 0,3 čestice/cm2, a korijen srednjeg kvadrata epitaksijalne površinske hrapavosti Ra manji je od 0,15 nm, a svi pokazatelji procesa jezgre su na napredni stupanj industrije.
silicijev karbid (SiC)jedan je od predstavnika poluvodičkih materijala treće generacije. Ima karakteristike visoke jakosti probojnog polja, izvrsne toplinske vodljivosti, velike brzine zasićenja elektrona i jake otpornosti na zračenje. Uvelike je proširio kapacitet obrade energije energetskih uređaja i može zadovoljiti zahtjeve usluge sljedeće generacije energetske elektroničke opreme za uređaje velike snage, male veličine, visoke temperature, visokog zračenja i drugih ekstremnih uvjeta. Može smanjiti prostor, smanjiti potrošnju energije i smanjiti potrebe za hlađenjem. Donio je revolucionarne promjene u nova energetska vozila, željeznički prijevoz, pametne mreže i druga područja. Stoga su poluvodiči od silicijevog karbida prepoznati kao idealan materijal koji će predvoditi sljedeću generaciju elektroničkih uređaja velike snage. Posljednjih godina, zahvaljujući podršci nacionalne politike za razvoj industrije poluvodiča treće generacije, istraživanje i razvoj te izgradnja sustava industrije uređaja od 150 mm SiC u osnovi su dovršeni u Kini, a sigurnost industrijskog lanca je u osnovi zajamčeno. Stoga se fokus industrije postupno pomaknuo na kontrolu troškova i poboljšanje učinkovitosti. Kao što je prikazano u tablici 1, u usporedbi sa 150 mm, 200 mm SiC ima veću stopu iskorištenja ruba, a izlaz čipova s jednom pločicom može se povećati za oko 1,8 puta. Nakon što tehnologija sazrije, troškovi proizvodnje jednog čipa mogu se smanjiti za 30%. Tehnološki iskorak od 200 mm izravno je sredstvo za "smanjenje troškova i povećanje učinkovitosti", a također je ključ za industriju poluvodiča moje zemlje da "teče paralelno" ili čak "vodi".
Za razliku od procesa Si uređaja,SiC poluvodički energetski uređajisvi su obrađeni i pripremljeni s epitaksijalnim slojevima kao kamenom temeljcem. Epitaksijalne pločice osnovni su materijali za SiC energetske uređaje. Kvaliteta epitaksijalnog sloja izravno određuje iskoristivost uređaja, a njegova cijena čini 20% cijene proizvodnje čipa. Stoga je epitaksijalni rast bitna međukarika u SiC energetskim uređajima. Gornja granica razine epitaksijalnog procesa određena je epitaksijalnom opremom. Trenutačno je stupanj lokalizacije epitaksijalne opreme SiC od 150 mm u Kini relativno visok, ali ukupni raspored od 200 mm zaostaje za međunarodnom razinom u isto vrijeme. Stoga, kako bi se riješile hitne potrebe i problemi uskih grla proizvodnje epitaksijalnih materijala velike veličine, visoke kvalitete za razvoj domaće industrije poluvodiča treće generacije, ovaj rad predstavlja 200 mm SiC epitaksijalnu opremu uspješno razvijenu u mojoj zemlji, i proučava epitaksijski proces. Optimiziranjem procesnih parametara kao što su procesna temperatura, brzina protoka plina nosača, omjer C/Si itd., ujednačenost koncentracije <3%, neujednačenost debljine <1,5%, hrapavost Ra <0,2 nm i gustoća fatalnih defekata <0,3 zrna /cm2 SiC epitaksijalnih ploča od 150 mm i 200 mm s neovisno razvijenim epitaksijalom od 200 mm silicij karbida dobivaju se peći. Razina procesa opreme može zadovoljiti potrebe visokokvalitetne pripreme energetskih uređaja od SiC-a.
1 Eksperimentirajte
1.1 NačeloSiC epitaksijalniproces
Proces homoepitaksijalnog rasta 4H-SiC uglavnom uključuje 2 ključna koraka, naime, visokotemperaturno jetkanje 4H-SiC supstrata na licu mjesta i homogeni proces kemijskog taloženja iz pare. Glavna svrha jetkanja supstrata na licu mjesta je uklanjanje oštećenja ispod površine supstrata nakon poliranja pločice, zaostale tekućine za poliranje, čestica i oksidnog sloja, a pravilna struktura atomskih koraka može se formirati na površini supstrata jetkanjem. Jetkanje na licu mjesta obično se provodi u atmosferi vodika. Prema stvarnim zahtjevima procesa, može se dodati i mala količina pomoćnog plina, kao što je klorovodik, propan, etilen ili silan. Temperatura in situ jetkanja vodikom općenito je iznad 1 600 ℃, a tlak u reakcijskoj komori općenito se kontrolira ispod 2×104 Pa tijekom procesa jetkanja.
Nakon što se površina supstrata aktivira nagrizanjem na licu mjesta, ona ulazi u proces visokotemperaturnog kemijskog taloženja iz pare, to jest, izvor rasta (kao što je etilen/propan, TCS/silan), izvor dopinga (izvor dopinga n-tipa dušik , izvor dopinga p-tipa TMAl), a pomoćni plin kao što je klorovodik transportiraju se u reakcijsku komoru kroz veliki protok plina nosača (obično vodik). Nakon što plin reagira u visokotemperaturnoj reakcijskoj komori, dio prekursora kemijski reagira i adsorbira se na površini pločice, te se formira monokristalni homogeni 4H-SiC epitaksijalni sloj s specifičnom koncentracijom dopinga, specifičnom debljinom i višom kvalitetom na površini supstrata koristeći monokristalni 4H-SiC supstrat kao predložak. Nakon godina tehničkog istraživanja, 4H-SiC homoepitaksijalna tehnologija je u osnovi sazrela i naširoko se koristi u industrijskoj proizvodnji. Najraširenija 4H-SiC homoepitaksijalna tehnologija u svijetu ima dvije tipične karakteristike:
(1) Upotrebom koso rezanog supstrata izvan osi (u odnosu na <0001> kristalnu ravninu, prema <11-20> kristalnom smjeru) kao predloška, monokristalni 4H-SiC epitaksijalni sloj visoke čistoće bez nečistoća nanesena na podlogu u obliku step-flow načina rasta. Rani 4H-SiC homoepitaksijalni rast koristio je pozitivni kristalni supstrat, to jest <0001> Si ravninu za rast. Gustoća atomskih stepenica na površini pozitivnog kristalnog supstrata je mala, a terase su široke. Dvodimenzionalni rast nukleacije lako se događa tijekom procesa epitaksije kako bi se formirao 3C kristal SiC (3C-SiC). Rezanjem izvan osi, atomske stepenice visoke gustoće, uske širine terase mogu se uvesti na površinu 4H-SiC <0001> supstrata, a adsorbirani prekursor može učinkovito doseći položaj atomske stepenice s relativno niskom površinskom energijom kroz površinsku difuziju . U koraku, položaj vezivanja prekursorskog atoma/molekularne skupine je jedinstven, tako da u načinu rasta koraka protoka, epitaksijalni sloj može savršeno naslijediti Si-C dvostruki atomski slijed slaganja slojeva supstrata kako bi se formirao monokristal s istim kristalom fazu kao supstrat.
(2) Epitaksijalni rast velike brzine postiže se uvođenjem izvora silicija koji sadrži klor. U konvencionalnim SiC sustavima kemijskog taloženja iz pare, silan i propan (ili etilen) glavni su izvori rasta. U procesu povećanja brzine rasta povećanjem brzine protoka izvora rasta, kako ravnotežni parcijalni tlak komponente silicija nastavlja rasti, lako je formirati klastere silicija homogenom nukleacijom plinovite faze, što značajno smanjuje stopu iskorištenja izvor silicija. Formiranje silicijevih klastera uvelike ograničava poboljšanje epitaksijalne brzine rasta. U isto vrijeme, nakupine silicija mogu poremetiti rast strujanja i uzrokovati nukleaciju defekta. Kako bi se izbjegla homogena nukleacija plinovite faze i povećala epitaksijalna stopa rasta, uvođenje izvora silicija na bazi klora trenutno je glavna metoda za povećanje epitaksijalne stope rasta 4H-SiC.
1.2 SiC epitaksijalna oprema od 200 mm (8 inča) i procesni uvjeti
Svi eksperimenti opisani u ovom radu provedeni su na 150/200 mm (6/8-inča) kompatibilnoj monolitnoj SiC epitaksijalnoj opremi s horizontalnim vrućim zidom koju je neovisno razvio 48. Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaksijalna peć podržava potpuno automatsko punjenje i pražnjenje pločica. Slika 1 je shematski dijagram unutarnje strukture reakcijske komore epitaksijalne opreme. Kao što je prikazano na slici 1, vanjska stijenka reakcijske komore je kvarcno zvono s vodeno hlađenim međuslojem, a unutrašnjost zvona je visokotemperaturna reakcijska komora, koja se sastoji od termoizolacijskog ugljičnog pusta, visoke čistoće specijalna grafitna šupljina, grafitna plinska lebdeća rotirajuća baza itd. Cijelo kvarcno zvono prekriveno je cilindričnom indukcijskom zavojnicom, a reakcijska komora unutar zvona se elektromagnetski zagrijava srednjofrekventnim indukcijskim napajanjem. Kao što je prikazano na slici 1 (b), plin nosilac, reakcijski plin i plin za dopiranje svi teku kroz površinu ploče u horizontalnom laminarnom toku od uzvodno od reakcijske komore do nizvodno od reakcijske komore i ispuštaju se iz repa plinski kraj. Kako bi se osigurala konzistencija unutar vafla, vafl koji nosi zračna plutajuća baza uvijek se rotira tijekom procesa.
Supstrat korišten u eksperimentu je komercijalni 150 mm, 200 mm (6 inča, 8 inča) <1120> smjera 4° izvan kuta vodljivi n-tip 4H-SiC dvostrano polirani SiC supstrat proizveden od Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilan (SiHCl3, TCS) i etilen (C2H4) koriste se kao glavni izvori rasta u procesnom eksperimentu, među kojima se TCS i C2H4 koriste kao izvor silicija odnosno izvor ugljika, dušik visoke čistoće (N2) koristi se kao n- tip izvora dopinga, a vodik (H2) se koristi kao plin za razrjeđivanje i plin nositelj. Raspon temperature epitaksijalnog procesa je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesni tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, a brzina protoka plina nosača H2 je 100 ~ 140 L/min.
1.3 Ispitivanje i karakterizacija epitaksijalne ploče
Fourierov infracrveni spektrometar (proizvođač opreme Thermalfisher, model iS50) i ispitivač koncentracije sa živinom sondom (proizvođač opreme Semilab, model 530L) korišteni su za karakterizaciju srednje vrijednosti i distribucije debljine epitaksijalnog sloja i koncentracije dopinga; debljina i koncentracija dopinga svake točke u epitaksijalnom sloju određene su uzimanjem točaka duž linije promjera koja siječe normalnu liniju glavnog referentnog ruba pod 45° u središtu pločice s uklanjanjem ruba od 5 mm. Za pločicu od 150 mm uzeto je 9 točaka duž jedne linije promjera (dva su promjera bila okomita jedan na drugi), a za pločicu od 200 mm uzeta je 21 točka, kao što je prikazano na slici 2. Mikroskop atomske sile (proizvođač opreme Bruker, model Dimension Icon) korišten je za odabir područja od 30 μm × 30 μm u središnjem području i rubnom području (5 mm uklanjanje rubova) epitaksijalna pločica za ispitivanje hrapavosti površine epitaksijalnog sloja; defekti epitaksijalnog sloja izmjereni su pomoću uređaja za ispitivanje površinskih defekata (proizvođač opreme China Electronics. 3D slikovni uređaj karakteriziran je radarskim senzorom (model Mars 4410 pro) tvrtke Kefenghua.
Vrijeme objave: 4. rujna 2024