Šiuo metu SiC pramonė keičiasi nuo 150 mm (6 colių) iki 200 mm (8 colių). Siekiant patenkinti neatidėliotiną didelio dydžio, aukštos kokybės SiC homoepitaksinių plokštelių poreikį pramonėje, 150 mm ir 200 mm4H-SiC homoepitaksinės plokštelėsbuvo sėkmingai paruošti ant buitinių substratų, naudojant nepriklausomai sukurtą 200 mm SiC epitaksinio augimo įrangą. Sukurtas homoepitaksinis procesas, tinkamas 150 mm ir 200 mm, kurio metu epitaksinis augimo greitis gali būti didesnis nei 60 um/h. Nors atitinka didelės spartos epitaksiją, epitaksinės plokštelės kokybė yra puiki. Storio vienodumas 150 mm ir 200 mmSiC epitaksinės plokštelėsgali būti kontroliuojamas per 1,5%, koncentracijos tolygumas yra mažesnis nei 3%, mirtino defekto tankis yra mažesnis nei 0,3 dalelių/cm2, o epitaksinio paviršiaus šiurkštumo kvadratinis vidutinis Ra yra mažesnis nei 0,15 nm, o visi pagrindinio proceso rodikliai yra pažangus pramonės lygis.
Silicio karbidas (SiC)yra vienas iš trečiosios kartos puslaidininkinių medžiagų atstovų. Jis pasižymi dideliu skilimo lauko stiprumu, puikiu šilumos laidumu, dideliu elektronų prisotinimo dreifo greičiu ir dideliu atsparumu spinduliuotei. Tai labai išplėtė galios įrenginių energijos apdorojimo pajėgumus ir gali patenkinti naujos kartos galios elektroninės įrangos, skirtos didelės galios, mažo dydžio, aukštos temperatūros, didelės spinduliuotės ir kitų ekstremalių sąlygų prietaisams, aptarnavimo reikalavimus. Tai gali sumažinti erdvę, sumažinti energijos suvartojimą ir sumažinti aušinimo poreikį. Tai atnešė revoliucinius pokyčius naujose energetinėse transporto priemonėse, geležinkelių transporte, išmaniuosiuose tinkluose ir kitose srityse. Todėl silicio karbido puslaidininkiai buvo pripažinti kaip ideali medžiaga, kuri taps naujos kartos didelės galios elektroninių prietaisų pagrindu. Pastaraisiais metais dėl nacionalinės politikos paramos trečiosios kartos puslaidininkių pramonės plėtrai Kinijoje iš esmės buvo baigti 150 mm SiC įrenginių pramonės sistemos tyrimai, plėtra ir statyba, o pramonės grandinės saugumas buvo užtikrintas. iš esmės buvo garantuotas. Todėl pramonės dėmesys palaipsniui perėjo į sąnaudų kontrolę ir efektyvumo didinimą. Kaip parodyta 1 lentelėje, palyginti su 150 mm, 200 mm SiC turi didesnį kraštų panaudojimo koeficientą, o vienos plokštelės lustų išeiga gali būti padidinta maždaug 1,8 karto. Technologijai subrendus, vieno lusto gamybos sąnaudos gali būti sumažintos 30%. Technologinis 200 mm proveržis yra tiesioginė priemonė „sumažinti sąnaudas ir padidinti efektyvumą“, be to, tai yra raktas į mano šalies puslaidininkių pramonę „greitai“ ar net „pirmauti“.
Skirtingai nuo Si įrenginio proceso,SiC puslaidininkiniai galios įrenginiaiVisi yra apdoroti ir paruošti naudojant epitaksinius sluoksnius kaip kertinį akmenį. Epitaksinės plokštelės yra pagrindinės SiC maitinimo įrenginių medžiagos. Epitaksinio sluoksnio kokybė tiesiogiai lemia įrenginio išeigą, o jo kaina sudaro 20% lusto gamybos sąnaudų. Todėl epitaksinis augimas yra esminė tarpinė SiC maitinimo įrenginių grandis. Viršutinė epitaksinio proceso lygio riba nustatoma epitaksine įranga. Šiuo metu 150 mm SiC epitaksinės įrangos lokalizacijos laipsnis Kinijoje yra gana aukštas, tačiau bendras 200 mm išdėstymas atsilieka nuo tarptautinio lygio. Todėl, siekiant išspręsti neatidėliotinus didelių, aukštos kokybės epitaksinių medžiagų gamybos poreikius ir problemas, skirtas vidaus trečiosios kartos puslaidininkių pramonės plėtrai, šiame darbe pristatoma mano šalyje sėkmingai sukurta 200 mm SiC epitaksinė įranga, ir tiria epitaksinį procesą. Optimizavus proceso parametrus, tokius kaip proceso temperatūra, nešančiųjų dujų srautas, C/Si santykis ir kt., koncentracijos vienodumas <3%, storio netolygumas <1,5%, šiurkštumas Ra <0,2 nm ir mirtino defekto tankis <0,3 grūdelių /cm2 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinės plokštelės su nepriklausomai sukurta 200 mm silicio karbido epitaksine krosnele yra gaunami. Įrangos proceso lygis gali patenkinti aukštos kokybės SiC maitinimo įrenginio paruošimo poreikius.
1 Eksperimentas
1.1 PrincipasSiC epitaksinisprocesas
4H-SiC homoepitaksinis augimo procesas daugiausia apima 2 pagrindinius etapus, būtent 4H-SiC substrato ėsdinimą aukštoje temperatūroje in situ ir homogeninį cheminį nusodinimą garais. Pagrindinis substrato in situ ėsdinimo tikslas yra pašalinti pagrindo paviršiaus pažeidimus po plokštelinio poliravimo, poliravimo skysčio likučius, daleles ir oksido sluoksnį, o ėsdinant ant pagrindo paviršiaus gali būti suformuota taisyklinga atominė pakopinė struktūra. In situ ėsdinimas paprastai atliekamas vandenilio atmosferoje. Atsižvelgiant į faktinius proceso reikalavimus, taip pat galima pridėti nedidelį kiekį pagalbinių dujų, tokių kaip vandenilio chloridas, propanas, etilenas arba silanas. Vandenilio ėsdinimo in situ temperatūra paprastai yra aukštesnė nei 1 600 ℃, o ėsdinimo proceso metu reakcijos kameros slėgis paprastai kontroliuojamas žemiau 2 × 104 Pa.
Po to, kai substrato paviršius suaktyvinamas in situ ėsdinimo būdu, jis patenka į aukštos temperatūros cheminio nusodinimo garais procesą, ty į augimo šaltinį (pvz., etileną / propaną, TCS / silaną), dopingo šaltinį (n-tipo dopingo šaltinio azotą). , p-tipo legiravimo šaltinis TMAl) ir pagalbinės dujos, tokios kaip vandenilio chloridas, transportuojamos į reakcijos kamerą per didelį nešančiųjų dujų (dažniausiai vandenilio) srautą. Dujoms sureaguojus aukštos temperatūros reakcijos kameroje, dalis pirmtako chemiškai reaguoja ir adsorbuojasi ant plokštelės paviršiaus ir susidaro vieno kristalo homogeninis 4H-SiC epitaksinis sluoksnis, turintis specifinę dopingo koncentraciją, specifinį storį ir aukštesnę kokybę. ant pagrindo paviršiaus naudojant vienkristalinį 4H-SiC substratą kaip šabloną. Po daugelio metų techninių tyrinėjimų 4H-SiC homoepitaksinė technologija iš esmės subrendo ir yra plačiai naudojama pramoninėje gamyboje. Plačiausiai pasaulyje naudojama 4H-SiC homoepitaksinė technologija turi dvi tipines charakteristikas:
(1) Naudojant ne ašį (palyginti su <0001> kristalo plokštuma, link <11-20> kristalo krypties) įstrižai supjaustytą substratą kaip šabloną, gaunamas labai grynas vieno kristalo 4H-SiC epitaksinis sluoksnis be priemaišų. nusėda ant substrato laipsniško srauto augimo režimu. Ankstyvajam 4H-SiC homoepitaksiniam augimui buvo naudojamas teigiamas kristalų substratas, ty <0001> Si plokštuma augimui. Atominių žingsnių tankis teigiamo kristalo substrato paviršiuje yra mažas, o terasos plačios. Epitaksijos proceso metu lengvai atsiranda dvimatis branduolių augimas, kad susidarytų 3C kristalinis SiC (3C-SiC). Pjaunant ne ašį, ant 4H-SiC <0001> substrato paviršiaus gali būti įvedamos didelio tankio siauros terasos pločio atominės pakopos, o adsorbuotas pirmtakas per paviršiaus difuziją gali efektyviai pasiekti atominės pakopos padėtį su santykinai maža paviršiaus energija. . Žingsnyje pirmtako atomo/molekulinės grupės jungties padėtis yra unikali, todėl laipsniško srauto augimo režimu epitaksinis sluoksnis gali puikiai paveldėti pagrindo Si-C dvigubo atominio sluoksnio klojimo seką, kad susidarytų vienas kristalas su tuo pačiu kristalu. fazė kaip substratas.
(2) Greitas epitaksinis augimas pasiekiamas įvedant chloro turintį silicio šaltinį. Įprastose SiC cheminio garų nusodinimo sistemose pagrindiniai augimo šaltiniai yra silanas ir propanas (arba etilenas). Didinant augimo greitį didinant augimo šaltinio srautą, nes silicio komponento pusiausvyros dalinis slėgis ir toliau didėja, nesunku suformuoti silicio grupes homogeninės dujų fazės branduolio būdu, o tai žymiai sumažina silicio komponento panaudojimo greitį. silicio šaltinis. Silicio grupių susidarymas labai riboja epitaksinio augimo greičio gerinimą. Tuo pačiu metu silicio sankaupos gali sutrikdyti žingsnio srauto augimą ir sukelti defektų susidarymą. Siekiant išvengti homogeninės dujų fazės branduolių susidarymo ir padidinti epitaksinio augimo greitį, chloro pagrindu pagamintų silicio šaltinių įvedimas šiuo metu yra pagrindinis metodas, skirtas padidinti 4H-SiC epitaksinį augimo greitį.
1,2 200 mm (8 colių) SiC epitaksinė įranga ir proceso sąlygos
Visi šiame dokumente aprašyti eksperimentai buvo atlikti naudojant 150/200 mm (6/8 colių) suderinamą monolitinę horizontalią karštosios sienelės SiC epitaksinę įrangą, kurią nepriklausomai sukūrė 48-asis Kinijos elektronikos technologijų grupės institutas. Epitaksinė krosnis palaiko visiškai automatinį plokštelių pakrovimą ir iškrovimą. 1 paveiksle pateikta epitaksinės įrangos reakcijos kameros vidinės struktūros schema. Kaip parodyta 1 paveiksle, reakcijos kameros išorinė sienelė yra kvarcinis varpas su vandeniu aušinamu tarpiniu sluoksniu, o varpo vidus yra aukštos temperatūros reakcijos kamera, sudaryta iš didelio grynumo termoizoliacinio anglies veltinio. speciali grafito ertmė, grafito dujomis plūduriuojantis besisukantis pagrindas ir tt Visas kvarco varpas yra padengtas cilindrine indukcine rite, o reakcija varpo viduje esanti kamera elektromagnetiškai šildoma vidutinio dažnio indukciniu maitinimo šaltiniu. Kaip parodyta 1 paveiksle (b), nešančiosios dujos, reakcijos dujos ir dopingo dujos teka per plokštelės paviršių horizontaliu sluoksniu nuo reakcijos kameros prieš srovę iki reakcijos kameros pasroviui ir išleidžiamos iš uodegos. dujų galas. Siekiant užtikrinti plokštelės vientisumą, oru plaukiojančio pagrindo vaflė proceso metu visada sukasi.
Eksperimente naudojamas komercinis 150 mm, 200 mm (6 colių, 8 colių) <1120> krypties 4° kampu laidus n tipo 4H-SiC dvipusis poliruotas SiC substratas, pagamintas Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilanas (SiHCl3, TCS) ir etilenas (C2H4) naudojami kaip pagrindiniai augimo šaltiniai proceso eksperimente, tarp kurių TCS ir C2H4 naudojami atitinkamai kaip silicio ir anglies šaltinis, didelio grynumo azotas (N2) naudojamas kaip n- tipo legiravimo šaltinis, o vandenilis (H2) naudojamas kaip skiedimo dujos ir nešančiosios dujos. Epitaksinio proceso temperatūros diapazonas yra 1 600 ~ 1 660 ℃, proceso slėgis yra 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, o H2 nešančiųjų dujų srautas yra 100 - 140 l/min.
1.3 Epitaksinės plokštelės bandymas ir apibūdinimas
Epitaksinio sluoksnio storio ir dopingo koncentracijos vidurkiui ir pasiskirstymui charakterizuoti naudotas Furjė infraraudonųjų spindulių spektrometras (įrangos gamintojas Thermalfisher, modelis iS50) ir gyvsidabrio zondo koncentracijos testeris (įrangos gamintojas Semilab, modelis 530L); Kiekvieno epitaksinio sluoksnio taško storis ir dopingo koncentracija buvo nustatyti imant taškus išilgai skersmens linijos, kertančios normalią pagrindinio atskaitos krašto liniją 45° kampu plokštelės centre, pašalinus 5 mm kraštą. 150 mm plokštelei paimti 9 taškai išilgai vieno skersmens linijos (du skersmenys buvo vienas kitam statmenai), o 200 mm plokštelei – 21 taškas, kaip parodyta 2 pav. Atominės jėgos mikroskopas (įrangos gamintojas Bruker, modelio matmenų piktograma) buvo naudojamas 30 μm × 30 μm plotams parinkti centrinėje srityje ir krašto srityje (5 mm krašto pašalinimas). epitaksinė plokštelė, skirta epitaksinio sluoksnio paviršiaus šiurkštumui patikrinti; epitaksinio sluoksnio defektai buvo išmatuoti naudojant paviršiaus defektų testerį (įrangos gamintojas China Electronics The 3D imager buvo charakterizuojamas radaro jutikliu (modelis Mars 4410 pro) iš Kefenghua.
Paskelbimo laikas: 2024-04-04