Jelenleg a SiC-ipar 150 mm-ről (6 hüvelyk) 200 mm-re (8 hüvelykre) változik. A nagy méretű, kiváló minőségű SiC homoepitaxiális lapkák iránti sürgető kereslet kielégítése érdekében az iparban, 150 mm és 200 mm4H-SiC homoepitaxiális lapkáksikeresen előállították hazai szubsztrátumokon a független fejlesztésű 200 mm-es SiC epitaxiális növesztő berendezéssel. Kidolgoztunk egy 150 mm-es és 200 mm-es homoepitaxiális eljárást, amelyben az epitaxiális növekedési sebesség nagyobb lehet, mint 60 um/h. Miközben megfelel a nagy sebességű epitaxiának, az epitaxiális ostya minősége kiváló. A vastagság egyenletessége 150 mm és 200 mmSiC epitaxiális lapkák1,5%-on belül szabályozható, a koncentráció egyenletessége kisebb, mint 3%, a végzetes hiba sűrűsége kisebb, mint 0,3 részecske/cm2, és az epitaxiális felületi érdesség négyzetes Ra kisebb, mint 0,15 nm, és az összes magfolyamat-indikátor az iparág haladó szintjét.
Szilícium-karbid (SiC)a harmadik generációs félvezető anyagok egyik képviselője. Jellemzői: nagy áttörési térerő, kiváló hővezető képesség, nagy elektrontelítési sodródási sebesség és erős sugárzásállóság. Jelentősen kibővítette az erősáramú eszközök energiafeldolgozó kapacitását, és megfelel a következő generációs teljesítményelektronikai berendezések szolgáltatási követelményeinek a nagy teljesítményű, kis méretű, magas hőmérsékletű, magas sugárzási és egyéb extrém körülmények között működő eszközökhöz. Csökkentheti a helyet, az energiafogyasztást és a hűtési igényt. Forradalmi változásokat hozott az új energetikai járművek, a vasúti közlekedés, az intelligens hálózatok és más területeken. Ezért a szilícium-karbid félvezetőket ideális anyagként ismerik el, amely a nagy teljesítményű elektronikai eszközök következő generációját fogja vezetni. Az elmúlt években a harmadik generációs félvezetőipar fejlesztését szolgáló nemzetpolitikai támogatásnak köszönhetően Kínában alapvetően befejeződött a 150 mm-es SiC eszközipari rendszer kutatás-fejlesztése és kivitelezése, az ipari lánc biztonsága alapvetően garantált. Ezért az iparág fókusza fokozatosan a költségkontrollra és a hatékonyság javítására helyeződött át. Amint az 1. táblázatban látható, a 150 mm-eshez képest a 200 mm-es SiC-nek magasabb az élkihasználtsága, és az egyedi lapka chipek teljesítménye körülbelül 1,8-szorosára növelhető. A technológia kifejlődése után egyetlen chip gyártási költsége 30%-kal csökkenthető. A 200 mm-es technológiai áttörés közvetlen eszköze a „költségek csökkentésének és a hatékonyság növelésének”, és ez a kulcsa annak is, hogy hazám félvezetőipara „párhuzamosan működjön”, vagy akár „vezessen”.
Eltérő az Si-eszköz folyamatától,SiC félvezető tápegységekmindegyiket feldolgozzák és előkészítik, sarokkőként epitaxiális rétegekkel. Az epitaxiális lapkák elengedhetetlen alapanyagok a SiC tápegységekhez. Az epitaxiális réteg minősége közvetlenül meghatározza az eszköz hozamát, költsége a chipgyártási költség 20%-át teszi ki. Ezért az epitaxiális növekedés lényeges köztes láncszem a SiC tápegységekben. Az epitaxiális folyamat szintjének felső határát epitaxiális berendezés határozza meg. Jelenleg a 150 mm-es SiC epitaxiális berendezések lokalizációs foka Kínában viszonylag magas, de a 200 mm-es általános elrendezés ugyanakkor elmarad a nemzetközi szinttől. Ezért a hazai harmadik generációs félvezetőipar fejlesztése érdekében a nagyméretű, jó minőségű epitaxiális anyaggyártás sürgős szükségleteinek és szűk keresztmetszeti problémáinak megoldása érdekében jelen írás bemutatja a hazámban sikeresen kifejlesztett 200 mm-es SiC epitaxiális berendezést, és tanulmányozza az epitaxiális folyamatot. Az eljárási paraméterek, például a folyamat hőmérséklete, a vivőgáz áramlási sebessége, a C/Si arány stb. optimalizálásával a koncentráció egyenletessége <3%, a vastagság egyenetlensége <1,5%, az érdesség Ra <0,2 nm és a végzetes hibasűrűség <0,3 szemcse /cm2 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák egymástól függetlenül fejlesztett 200 mm-es szilícium-karbid epitaxiális kemencével kapnak. A berendezés folyamatszintje kielégíti a minőségi SiC erőmű-előkészítés igényeit.
1 Kísérlet
1.1 ElveSiC epitaxiálisfolyamat
A 4H-SiC homoepitaxiális növekedési folyamat főként 2 kulcslépést foglal magában, nevezetesen a 4H-SiC szubsztrát magas hőmérsékletű in situ maratását és a homogén kémiai gőzleválasztási eljárást. A hordozó in situ maratásának fő célja, hogy az ostyapolírozás után eltávolítsa az aljzat felszín alatti károsodását, a maradék polírozó folyadékot, a részecskéket és az oxidréteget, és maratással szabályos atomlépcsős szerkezet alakítható ki az alapfelületen. Az in situ maratást általában hidrogénatmoszférában végzik. Az aktuális eljárási követelményeknek megfelelően kis mennyiségű segédgáz is adagolható, például hidrogén-klorid, propán, etilén vagy szilán. Az in situ hidrogénmaratás hőmérséklete általában 1600 ℃ felett van, és a reakciókamra nyomását általában 2×104 Pa alá szabályozzák a maratási folyamat során.
Miután a szubsztrátum felülete in situ maratással aktiválódik, belép a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztási folyamatba, azaz a növekedési forrásba (például etilén/propán, TCS/szilán), adalékforrás (n-típusú adalékforrás nitrogén) , p-típusú adalékforrás TMAl), és a segédgáz, például a hidrogén-klorid nagy mennyiségű vivőgázon (általában hidrogénen) keresztül jut a reakciókamrába. Miután a gáz a magas hőmérsékletű reakciókamrában reagál, a prekurzor egy része kémiai reakcióba lép és adszorbeálódik az ostya felületén, és egy kristályos homogén 4H-SiC epitaxiális réteg jön létre, amely meghatározott adalékolási koncentrációval, fajlagos vastagsággal és magasabb minőséggel rendelkezik. a hordozó felületén, sablonként az egykristályos 4H-SiC szubsztrátot használva. Évekig tartó műszaki kutatás után a 4H-SiC homoepitaxiális technológia alapvetően kiforrott és széles körben használatos az ipari termelésben. A világon legszélesebb körben használt 4H-SiC homoepitaxiális technológiának két jellemző tulajdonsága van:
(1) A tengelyen kívüli (a <0001> kristálysíkhoz viszonyítva, a <11-20> kristályirány felé) ferde vágott szubsztrátot sablonként használva egy nagy tisztaságú egykristályos 4H-SiC epitaxiális réteget készítünk szennyeződések nélkül. lépésenkénti növekedési módban lerakódik az aljzatra. A korai 4H-SiC homoepitaxiális növekedés pozitív kristályszubsztrátot, azaz a <0001> Si síkot használt a növekedéshez. A pozitív kristályhordozó felületén az atomlépcsők sűrűsége alacsony, a teraszok szélesek. A kétdimenziós gócképződés könnyen előfordulhat az epitaxiás folyamat során, és így 3C kristály SiC (3C-SiC) keletkezik. Tengelyen kívüli vágással a 4H-SiC <0001> szubsztrát felületére nagy sűrűségű, keskeny terasz szélességű atomlépcsők vezethetők be, és az adszorbeált prekurzor a felületi diffúzió révén viszonylag alacsony felületi energiával hatékonyan érheti el az atomlépcsős pozíciót. . A lépésben a prekurzor atom/molekulacsoport kötési pozíciója egyedi, így a lépcsős áramlási növekedési módban az epitaxiális réteg tökéletesen örökölheti a szubsztrát Si-C kettős atomos rétegének egymásra épülési szekvenciáját, hogy egy kristályt képezzen ugyanazzal a kristállyal. fázis, mint a szubsztrát.
(2) A nagy sebességű epitaxiális növekedés klórtartalmú szilíciumforrás bevezetésével érhető el. A hagyományos SiC kémiai gőzleválasztási rendszerekben a szilán és a propán (vagy etilén) a fő növekedési forrás. A növekedési sebesség növelése során a növekedési forrás áramlási sebességének növelésével, a szilícium komponens egyensúlyi parciális nyomásának tovább növekszik, homogén gázfázisú gócképződéssel könnyű szilícium klasztereket képezni, ami jelentősen csökkenti a szilícium komponens felhasználási sebességét. szilícium forrás. A szilícium klaszterek kialakulása nagymértékben korlátozza az epitaxiális növekedési sebesség javulását. Ugyanakkor a szilícium klaszterek megzavarhatják a lépcsős áramlási növekedést, és hibás gócképződést okozhatnak. A homogén gázfázisú gócképződés elkerülése és az epitaxiális növekedési sebesség növelése érdekében jelenleg a klór alapú szilíciumforrások bevezetése a fő módszer a 4H-SiC epitaxiális növekedési sebességének növelésére.
1,2 200 mm-es (8 hüvelykes) SiC epitaxiális berendezés és folyamatkörülmények
Az ebben a cikkben leírt kísérleteket egy 150/200 mm-es (6/8 hüvelykes) kompatibilis monolit vízszintes melegfalú SiC epitaxiális berendezésen végezték, amelyet a 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation független fejlesztett ki. Az epitaxiális kemence támogatja a teljesen automatikus ostya be- és kirakodást. Az 1. ábra az epitaxiális berendezés reakciókamrájának belső szerkezetének vázlatos diagramja. Amint az 1. ábrán látható, a reakciókamra külső fala vízhűtéses közbenső réteggel ellátott kvarc harang, a harang belseje pedig egy magas hőmérsékletű reakciókamra, amely hőszigetelő szénfilcből áll, nagy tisztaságú. speciális grafitüreg, grafitgázzal lebegő forgó alap, stb. Az egész kvarcharangot hengeres indukciós tekercs borítja, és a reakció A harang belsejében lévő kamrát egy közepes frekvenciájú indukciós tápegység elektromágnesesen melegíti. Amint az 1(b) ábrán látható, a hordozógáz, a reakciógáz és az adalékgáz mind vízszintes lamináris áramlásban áramlik át az ostya felületén a reakciókamra előtti áramlási irányától a reakciókamra utáni részig, és kiürülnek a farokból. gázvég. Az ostyán belüli konzisztencia érdekében a levegőben lebegő talpon lévő ostyát a folyamat során mindig forgatják.
A kísérletben használt hordozó a Shanxi Shuoke Crystal által gyártott, kereskedelemben kapható 150 mm-es, 200 mm-es (6 hüvelyk, 8 hüvelyk) <1120> irányú, 4°-os szögtől eltérő vezetőképes n-típusú 4H-SiC kétoldalas polírozott SiC hordozó. Az eljárási kísérletben fő növekedési forrásként triklór-szilánt (SiHCl3, TCS) és etilént (C2H4) használnak, amelyek közül szilíciumforrásként TCS-t, illetve szénforrásként C2H4-et, n-ként pedig nagy tisztaságú nitrogént (N2) használnak. típusú adalékforrás, és hidrogént (H2) használnak hígítógázként és vivőgázként. Az epitaxiális folyamat hőmérsékleti tartománya 1 600 ~ 1 660 ℃, a folyamat nyomása 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, a H2 vivőgáz áramlási sebessége 100 - 140 L/perc.
1.3 Epitaxiális lapka tesztelése és jellemzése
Az epitaxiális rétegvastagság és a doppingkoncentráció átlagának és eloszlásának jellemzésére Fourier infravörös spektrométert (berendezésgyártó Thermalfisher, modell iS50) és higanyszondás koncentrációmérőt (berendezésgyártó Semilab, 530L modell) használtunk; az epitaxiális réteg egyes pontjainak vastagságát és adalékolási koncentrációját úgy határoztuk meg, hogy az átmérővonal mentén pontokat vettünk, amelyek az ostya közepén 45°-ban metszik a fő referenciaél normál vonalát 5 mm-es éleltávolítással. Egy 150 mm-es ostya esetében 9 pontot vettünk egyetlen átmérőjű vonal mentén (két átmérő merőleges volt egymásra), a 200 mm-es ostyánál pedig 21 pontot vettünk, ahogy az a 2. ábrán látható. Atomerő-mikroszkóp (berendezésgyártó) Bruker, Dimension Icon modell) a 30 μm × 30 μm-es területek kiválasztására szolgált a középső területen és a peremterületen (5 mm-es él eltávolítása). epitaxiális lapka az epitaxiális réteg felületi érdességének tesztelésére; az epitaxiális réteg hibáit felületi hibatesztelővel (berendezésgyártó China Electronics) mértük A 3D-s képalkotót a Kefenghua radarszenzora (Mars 4410 pro modell) jellemezte.
Feladás időpontja: 2024.04.04