For tiden transformerer SiC-industrien fra 150 mm (6 tommer) til 200 mm (8 tommer). For å møte den presserende etterspørselen etter store, høykvalitets SiC homeepitaksiale wafere i industrien, 150 mm og 200 mm4H-SiC homoepitaksiale wafereble med suksess preparert på husholdningssubstrater ved å bruke det uavhengig utviklede 200 mm SiC epitaksiale vekstutstyret. En homoepitaksial prosess egnet for 150 mm og 200 mm ble utviklet, der epitaksial veksthastighet kan være større enn 60 um/t. Mens den møter høyhastighets-epitaksien, er den epitaksiale waferkvaliteten utmerket. Tykkelsen jevnhet på 150 mm og 200 mmSiC epitaksiale waferekan kontrolleres innenfor 1,5 %, konsentrasjonens ensartethet er mindre enn 3 %, den dødelige defekttettheten er mindre enn 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overflateruheten roten Ra er mindre enn 0,15 nm, og alle kjerneprosessindikatorer er på det avanserte nivået i bransjen.
Silisiumkarbid (SiC)er en av representantene for tredjegenerasjons halvledermaterialer. Den har egenskapene til høy nedbrytningsfeltstyrke, utmerket termisk ledningsevne, stor elektronmetningsdrifthastighet og sterk strålingsmotstand. Det har kraftig utvidet energibehandlingskapasiteten til kraftenheter og kan møte servicekravene til neste generasjon kraftelektronisk utstyr for enheter med høy effekt, liten størrelse, høy temperatur, høy stråling og andre ekstreme forhold. Det kan redusere plass, redusere strømforbruket og redusere kjølebehov. Det har brakt revolusjonerende endringer til nye energikjøretøyer, jernbanetransport, smarte nett og andre felt. Derfor har silisiumkarbidhalvledere blitt anerkjent som det ideelle materialet som vil lede neste generasjon av elektroniske enheter med høy effekt. De siste årene, takket være den nasjonale politiske støtten for utviklingen av tredjegenerasjons halvlederindustri, har forskning og utvikling og konstruksjon av 150 mm SiC-enhetsindustrisystemet i hovedsak blitt fullført i Kina, og sikkerheten til industrikjeden har vært i utgangspunktet garantert. Derfor har bransjens fokus gradvis skiftet til kostnadskontroll og effektivisering. Som vist i tabell 1, sammenlignet med 150 mm, har 200 mm SiC en høyere kantutnyttelsesgrad, og produksjonen av enkeltwaferbrikker kan økes med omtrent 1,8 ganger. Etter at teknologien modnes, kan produksjonskostnaden for en enkelt brikke reduseres med 30 %. Det teknologiske gjennombruddet på 200 mm er et direkte middel for å "redusere kostnader og øke effektiviteten", og det er også nøkkelen for mitt lands halvlederindustri å "kjøre parallelt" eller til og med "lede".
Forskjellig fra Si-enhetsprosessen,SiC halvlederkraftenheterer alle bearbeidet og preparert med epitaksiale lag som hjørnestein. Epitaksiale wafere er essensielle basismaterialer for SiC-kraftenheter. Kvaliteten på det epitaksiale laget bestemmer direkte utbyttet av enheten, og kostnaden utgjør 20% av produksjonskostnaden for brikken. Derfor er epitaksial vekst en viktig mellomledd i SiC-kraftenheter. Den øvre grensen for epitaksielt prosessnivå bestemmes av epitaksielt utstyr. For tiden er lokaliseringsgraden for 150 mm SiC epitaksialutstyr i Kina relativt høy, men den generelle utformingen på 200 mm henger samtidig etter det internasjonale nivået. Derfor, for å løse de presserende behovene og flaskehalsproblemene ved produksjon av epitaksialt materiale i stor størrelse, av høy kvalitet for utviklingen av den innenlandske tredjegenerasjons halvlederindustrien, introduserer denne artikkelen 200 mm SiC epitaksialutstyret som er utviklet med suksess i mitt land, og studerer den epitaksiale prosessen. Ved å optimalisere prosessparametrene som prosesstemperatur, bæregass-strømningshastighet, C/Si-forhold, etc., konsentrasjonsuniformitet <3 %, tykkelsesujevnhet <1,5 %, ruhet Ra <0,2 nm og fatal defekttetthet <0,3 korn /cm2 av 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere med uavhengig utviklet 200 mm silisiumkarbid epitaksial ovn oppnås. Utstyrsprosessnivået kan møte behovene til høykvalitets SiC-kraftenhetsforberedelse.
1 eksperiment
1.1 Prinsippet forSiC epitaksialbehandle
Den 4H-SiC-homoepitaksiale vekstprosessen inkluderer hovedsakelig 2 nøkkeltrinn, nemlig høytemperatur in-situ etsing av 4H-SiC-substrat og homogen kjemisk dampavsetningsprosess. Hovedformålet med substrat in-situ etsing er å fjerne undergrunnsskaden av substratet etter waferpolering, gjenværende poleringsvæske, partikler og oksidlag, og en vanlig atomisk trinnstruktur kan dannes på substratoverflaten ved etsing. In-situ etsing utføres vanligvis i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske prosesskravene kan også en liten mengde hjelpegass tilsettes, slik som hydrogenklorid, propan, etylen eller silan. Temperaturen for in-situ hydrogenetsing er generelt over 1 600 ℃, og trykket i reaksjonskammeret er generelt kontrollert under 2×104 Pa under etseprosessen.
Etter at substratoverflaten er aktivert ved in-situ etsing, går den inn i høytemperatur kjemisk dampavsetningsprosess, det vil si vekstkilden (som etylen/propan, TCS/silan), dopingkilde (n-type dopingkilde nitrogen) , p-type dopingkilde TMAl), og hjelpegass som hydrogenklorid transporteres til reaksjonskammeret gjennom en stor strøm av bæregass (vanligvis hydrogen). Etter at gassen reagerer i høytemperaturreaksjonskammeret, reagerer en del av forløperen kjemisk og adsorberer på waferoverflaten, og det dannes et enkrystall homogent 4H-SiC epitaksialt lag med en spesifikk dopingkonsentrasjon, spesifikk tykkelse og høyere kvalitet. på substratoverflaten ved å bruke enkeltkrystall 4H-SiC-substratet som mal. Etter år med teknisk utforskning har 4H-SiC homeepitaxial-teknologien i utgangspunktet modnet og er mye brukt i industriell produksjon. Den mest brukte 4H-SiC homeepitaxial teknologien i verden har to typiske egenskaper:
(1) Ved å bruke et av-aksen (i forhold til <0001> krystallplanet, mot <11-20> krystallretningen) skrått kuttet substrat som mal, er et høyrent enkeltkrystall 4H-SiC epitaksielt lag uten urenheter avsatt på underlaget i form av step-flow-vekstmodus. Tidlig 4H-SiC homoepitaksial vekst brukte et positivt krystallsubstrat, det vil si <0001> Si-planet for vekst. Tettheten av atomtrinn på overflaten av det positive krystallsubstratet er lav og terrassene er brede. Todimensjonal nukleasjonsvekst er lett å oppstå under epitaksiprosessen for å danne 3C krystall SiC (3C-SiC). Ved skjæring utenfor aksen kan atomtrinn med høy tetthet, smal terrassebredde introduseres på overflaten av 4H-SiC <0001>-substratet, og den adsorberte forløperen kan effektivt nå atomtrinnposisjonen med relativt lav overflateenergi gjennom overflatediffusjon . På trinnet er forløperatom/molekylgruppebindingsposisjonen unik, så i trinnstrømsvekstmodusen kan det epitaksiale laget perfekt arve Si-C dobbeltatomlagstablingssekvensen til substratet for å danne en enkelt krystall med samme krystall fase som underlag.
(2) Høyhastighets epitaksial vekst oppnås ved å introdusere en klorholdig silisiumkilde. I konvensjonelle SiC kjemiske dampavsetningssystemer er silan og propan (eller etylen) de viktigste vekstkildene. I prosessen med å øke veksthastigheten ved å øke vekstkildens strømningshastighet, ettersom likevektspartialtrykket til silisiumkomponenten fortsetter å øke, er det lett å danne silisiumklynger ved homogen gassfasekjernedannelse, noe som betydelig reduserer utnyttelsesgraden av silisium. silisiumkilde. Dannelsen av silisiumklynger begrenser i stor grad forbedringen av den epitaksiale veksthastigheten. Samtidig kan silisiumklynger forstyrre trinnstrømveksten og forårsake defekt kjernedannelse. For å unngå homogen gassfasekjernedannelse og øke den epitaksiale veksthastigheten, er introduksjonen av klorbaserte silisiumkilder for tiden den vanlige metoden for å øke den epitaksiale veksthastigheten til 4H-SiC.
1,2 200 mm (8-tommers) SiC epitaksialt utstyr og prosessforhold
Eksperimentene beskrevet i denne artikkelen ble alle utført på et 150/200 mm (6/8-tommers) kompatibelt monolitisk horisontal SiC-epitaksialt SiC-epitaksialutstyr som er kompatibelt med 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaksialovnen støtter helautomatisk waferlasting og lossing. Figur 1 er et skjematisk diagram av den indre strukturen til reaksjonskammeret til det epitaksiale utstyret. Som vist i figur 1, er ytterveggen av reaksjonskammeret en kvartsklokke med et vannkjølt mellomlag, og innsiden av klokken er et høytemperaturreaksjonskammer, som er sammensatt av varmeisolerende karbonfilt, høy renhet spesielt grafitthulrom, grafittgassflytende roterende base, etc. Hele kvartsklokken er dekket med en sylindrisk induksjonsspole, og reaksjonen kammeret inne i klokken er elektromagnetisk oppvarmet av en middels frekvens induksjonsstrømforsyning. Som vist i figur 1 (b), strømmer bæregassen, reaksjonsgassen og dopingsgassen alle gjennom waferoverflaten i en horisontal laminær strøm fra oppstrøms reaksjonskammeret til nedstrøms reaksjonskammeret og slippes ut fra halen. gass slutt. For å sikre konsistensen i waferen, roteres alltid waferen som bæres av den luftflytende basen under prosessen.
Substratet som ble brukt i eksperimentet er et kommersielt 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4° off-vinkel ledende n-type 4H-SiC dobbeltsidig polert SiC-substrat produsert av Shanxi Shuoke Crystal. Triklorsilan (SiHCl3, TCS) og etylen (C2H4) brukes som hovedvekstkilder i prosessforsøket, blant annet brukes TCS og C2H4 som henholdsvis silisiumkilde og karbonkilde, høyrent nitrogen (N2) brukes som n- type dopingkilde, og hydrogen (H2) brukes som fortynningsgass og bæregass. Temperaturområdet til den epitaksiale prosessen er 1 600 ~ 1 660 ℃, prosesstrykket er 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, og H2-bærergassstrømningshastigheten er 100 ~ 140 l/min.
1.3 Epitaksial wafer testing og karakterisering
Fourier infrarødt spektrometer (utstyrsprodusent Thermalfisher, modell iS50) og kvikksølvsondekonsentrasjonstester (utstyrsprodusent Semilab, modell 530L) ble brukt for å karakterisere gjennomsnittet og fordelingen av epitaksial lagtykkelse og dopingkonsentrasjon; tykkelsen og dopingkonsentrasjonen til hvert punkt i det epitaksiale laget ble bestemt ved å ta punkter langs diameterlinjen som skjærer normallinjen til hovedreferansekanten ved 45° ved midten av skiven med 5 mm kantfjerning. For en 150 mm wafer ble 9 punkter tatt langs en enkelt diameterlinje (to diametre var vinkelrett på hverandre), og for en 200 mm wafer ble det tatt 21 punkter, som vist i figur 2. Et atomkraftmikroskop (utstyrsprodusent Bruker, modell Dimension Icon) ble brukt til å velge 30 μm×30 μm områder i senterområdet og kantområdet (5 mm kant fjerning) av den epitaksiale waferen for å teste overflateruheten til det epitaksiale laget; defektene i det epitaksiale laget ble målt ved hjelp av en overflatedefekttester (utstyrsprodusent China Electronics 3D-bildeapparatet ble karakterisert av en radarsensor (modell Mars 4410 pro) fra Kefenghua.
Innleggstid: Sep-04-2024