Obecnie przemysł SiC przechodzi ze 150 mm (6 cali) na 200 mm (8 cali). Aby sprostać pilnemu zapotrzebowaniu na wielkogabarytowe, wysokiej jakości płytki homoepitaksyjne SiC w przemyśle, 150 mm i 200 mmPłytki homoepitaksjalne 4H-SiCzostały z powodzeniem przygotowane na podłożach domowych przy użyciu niezależnie opracowanego sprzętu do epitaksjalnego wzrostu SiC 200 mm. Opracowano proces homoepitaksjalny odpowiedni dla 150 mm i 200 mm, w którym szybkość wzrostu epitaksjalnego może być większa niż 60 µm/h. Jakość płytek epitaksjalnych jest doskonała, spełniając wymagania epitaksji o dużej prędkości. Jednorodność grubości 150 mm i 200 mmPłytki epitaksjalne SiCmożna kontrolować w zakresie 1,5%, jednorodność stężenia jest mniejsza niż 3%, gęstość defektów krytycznych jest mniejsza niż 0,3 cząstek/cm2, a średnia kwadratowa chropowatości epitaksjalnej powierzchni Ra jest mniejsza niż 0,15 nm, a wszystkie wskaźniki procesu podstawowego są na poziomie zaawansowany poziom branży.
Węglik krzemu (SiC)jest jednym z przedstawicieli materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji. Charakteryzuje się wysokim natężeniem pola przebicia, doskonałą przewodnością cieplną, dużą prędkością dryfu nasycenia elektronów i dużą odpornością na promieniowanie. Znacząco rozszerzył możliwości przetwarzania energii urządzeń zasilających i może spełnić wymagania serwisowe nowej generacji sprzętu energoelektronicznego dla urządzeń o dużej mocy, małych rozmiarach, wysokiej temperaturze, wysokim promieniowaniu i innych ekstremalnych warunkach. Może zmniejszyć przestrzeń, zmniejszyć zużycie energii i zmniejszyć wymagania dotyczące chłodzenia. Przyniósł rewolucyjne zmiany w nowych pojazdach energetycznych, transporcie kolejowym, inteligentnych sieciach i innych dziedzinach. Dlatego półprzewodniki z węglika krzemu zostały uznane za idealny materiał, który będzie liderem nowej generacji urządzeń elektronicznych dużej mocy. W ostatnich latach, dzięki wsparciu polityki krajowej na rzecz rozwoju przemysłu półprzewodników trzeciej generacji, w Chinach w zasadzie zakończono prace badawczo-rozwojowe i budowę systemu przemysłowego urządzeń SiC 150 mm, a bezpieczeństwo łańcucha przemysłowego wzrosło w zasadzie gwarantowane. Dlatego uwaga branży stopniowo przesuwała się na kontrolę kosztów i poprawę wydajności. Jak pokazano w tabeli 1, w porównaniu ze 150 mm, 200 mm SiC ma wyższy stopień wykorzystania krawędzi, a wydajność pojedynczych chipów waflowych można zwiększyć około 1,8 razy. Gdy technologia dojrzeje, koszt produkcji pojedynczego chipa można obniżyć o 30%. Przełom technologiczny w postaci 200 mm jest bezpośrednim sposobem na „obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności”, a także jest kluczem do tego, aby przemysł półprzewodników w moim kraju „działał równolegle”, a nawet „przewodził”.
Różni się od procesu urządzenia Si,Półprzewodnikowe urządzenia zasilające SiCwszystkie są przetwarzane i przygotowywane z warstwami epitaksjalnymi jako kamieniem węgielnym. Płytki epitaksjalne są niezbędnymi podstawowymi materiałami do urządzeń zasilających SiC. Jakość warstwy epitaksjalnej bezpośrednio determinuje wydajność urządzenia, a jej koszt stanowi 20% kosztu wytworzenia chipa. Dlatego wzrost epitaksjalny jest istotnym ogniwem pośrednim w urządzeniach zasilających SiC. Górną granicę poziomu procesu epitaksjalnego wyznaczają urządzenia epitaksjalne. Obecnie stopień lokalizacji sprzętu epitaksjalnego SiC 150 mm w Chinach jest stosunkowo wysoki, ale ogólny układ 200 mm pozostaje jednocześnie w tyle za poziomem międzynarodowym. Dlatego też, aby rozwiązać pilne potrzeby i problemy z wąskimi gardłami w produkcji wielkogabarytowych, wysokiej jakości materiałów epitaksjalnych na rzecz rozwoju krajowego przemysłu półprzewodników trzeciej generacji, w tym artykule przedstawiono sprzęt epitaksjalny SiC 200 mm opracowany z powodzeniem w moim kraju, i bada proces epitaksjalny. Optymalizując parametry procesu, takie jak temperatura procesu, natężenie przepływu gazu nośnego, stosunek C/Si itp., jednorodność stężenia <3%, niejednorodność grubości <1,5%, chropowatość Ra <0,2 nm i śmiertelna gęstość defektów <0,3 ziaren /cm2 Otrzymuje się płytki epitaksjalne SiC o średnicy 150 mm i 200 mm z niezależnie opracowanym piecem epitaksjalnym z węglika krzemu o średnicy 200 mm. Poziom procesu sprzętowego może zaspokoić potrzeby przygotowania wysokiej jakości urządzeń zasilających SiC.
1 Eksperyment
1.1 ZasadaEpitaksjalny SiCproces
Proces wzrostu homoepitaksjalnego 4H-SiC obejmuje głównie 2 kluczowe etapy, a mianowicie trawienie in situ podłoża 4H-SiC w wysokiej temperaturze oraz jednorodny proces chemicznego osadzania z fazy gazowej. Głównym celem trawienia podłoża in situ jest usunięcie podpowierzchniowych uszkodzeń podłoża po polerowaniu płytek, pozostałości płynu polerskiego, cząstek i warstwy tlenku, a na powierzchni podłoża można utworzyć regularną strukturę schodkową poprzez trawienie. Trawienie in-situ zwykle przeprowadza się w atmosferze wodoru. Zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami procesu można również dodać niewielką ilość gazu pomocniczego, takiego jak chlorowodór, propan, etylen lub silan. Temperatura trawienia wodorowego in situ zazwyczaj przekracza 1 600℃, a ciśnienie w komorze reakcyjnej podczas procesu trawienia jest na ogół kontrolowane poniżej 2×104 Pa.
Po aktywowaniu powierzchni podłoża poprzez trawienie in situ, zostaje ono poddane procesowi chemicznego osadzania z fazy gazowej w wysokiej temperaturze, czyli źródła wzrostu (takiego jak etylen/propan, TCS/silan), źródła domieszkowania (źródło domieszki typu n, azot , źródło domieszki typu p TMAl) i gaz pomocniczy, taki jak chlorowodór, są transportowane do komory reakcyjnej przez duży przepływ gazu nośnego (zwykle wodoru). Po reakcji gazu w wysokotemperaturowej komorze reakcyjnej część prekursora wchodzi w reakcję chemiczną i adsorbuje się na powierzchni płytki, w wyniku czego powstaje monokrystaliczna, jednorodna warstwa epitaksjalna 4H-SiC o określonym stężeniu domieszki, określonej grubości i wyższej jakości na powierzchni podłoża przy użyciu monokrystalicznego podłoża 4H-SiC jako matrycy. Po latach badań technicznych technologia homoepitaksjalna 4H-SiC zasadniczo dojrzała i jest szeroko stosowana w produkcji przemysłowej. Najpowszechniej stosowana na świecie technologia homoepitaksjalna 4H-SiC ma dwie typowe cechy:
(1) Stosując pozaosiowe (względem płaszczyzny kryształu <0001>, w kierunku kryształu <11-20>) ukośnie wycięte podłoże jako szablon, otrzymuje się monokrystaliczną warstwę epitaksjalną 4H-SiC o wysokiej czystości bez zanieczyszczeń osadzany na podłożu w formie wzrostu krokowego. Wczesny wzrost homoepitaksjalny 4H-SiC wykorzystywał do wzrostu dodatnie podłoże krystaliczne, to znaczy płaszczyznę <0001> Si. Gęstość stopni atomowych na powierzchni dodatniego podłoża krystalicznego jest niska, a tarasy są szerokie. Podczas procesu epitaksji łatwo zachodzi dwuwymiarowy wzrost zarodkowania, w wyniku którego powstaje kryształ 3C SiC (3C-SiC). Dzięki cięciu pozaosiowemu na powierzchnię podłoża 4H-SiC <0001> można wprowadzić stopnie atomowe o dużej gęstości i wąskiej szerokości tarasu, a zaadsorbowany prekursor może skutecznie osiągnąć pozycję stopnia atomowego przy stosunkowo niskiej energii powierzchniowej poprzez dyfuzję powierzchniową . Na tym etapie pozycja wiązania atom prekursorowy/grupa molekularna jest wyjątkowa, więc w trybie wzrostu przepływu schodkowego warstwa epitaksjalna może doskonale odziedziczyć sekwencję układania podwójnej warstwy atomowej Si-C podłoża, tworząc pojedynczy kryształ z tym samym kryształem faza jako podłoże.
(2) Szybki wzrost epitaksjalny osiąga się poprzez wprowadzenie źródła krzemu zawierającego chlor. W konwencjonalnych systemach chemicznego osadzania z fazy gazowej SiC głównymi źródłami wzrostu są silan i propan (lub etylen). W procesie zwiększania szybkości wzrostu poprzez zwiększanie natężenia przepływu źródła wzrostu, w miarę ciągłego wzrostu równowagowego ciśnienia cząstkowego składnika krzemowego, łatwo jest tworzyć klastry krzemu poprzez jednorodne zarodkowanie w fazie gazowej, co znacznie zmniejsza stopień wykorzystania źródło krzemu. Tworzenie się klastrów krzemowych znacznie ogranicza poprawę szybkości wzrostu epitaksjalnego. Jednocześnie skupiska krzemu mogą zakłócać skokowy wzrost przepływu i powodować zarodkowanie defektów. Aby uniknąć jednorodnego zarodkowania fazy gazowej i zwiększyć szybkość wzrostu epitaksjalnego, wprowadzenie źródeł krzemu na bazie chloru jest obecnie główną metodą zwiększania szybkości wzrostu epitaksjalnego 4H-SiC.
1,2 200 mm (8 cali) sprzęt epitaksjalny SiC i warunki procesu
Wszystkie eksperymenty opisane w tym artykule przeprowadzono na kompatybilnym monolitycznym, poziomym sprzęcie epitaksjalnym SiC z gorącymi ściankami o średnicy 150/200 mm (6/8 cala), opracowanym niezależnie przez 48. Instytut Chińskiej Grupy Technologii Elektronicznej. Piec epitaksjalny umożliwia w pełni automatyczny załadunek i rozładunek płytek. Figura 1 to schematyczny diagram wewnętrznej struktury komory reakcyjnej urządzenia epitaksjalnego. Jak pokazano na rysunku 1, zewnętrzną ścianą komory reakcyjnej jest dzwon kwarcowy z międzywarstwą chłodzoną wodą, a wnętrze dzwonu to komora reakcyjna o wysokiej temperaturze, która składa się z termoizolacyjnego filcu węglowego o wysokiej czystości specjalna wnęka grafitowa, obrotowa podstawa unosząca się w powietrzu grafitowym itp. Cały dzwon kwarcowy pokryty jest cylindryczną cewką indukcyjną, a komora reakcyjna wewnątrz dzwonu jest podgrzewana elektromagnetycznie przez zasilacz indukcyjny średniej częstotliwości. Jak pokazano na rysunku 1 (b), gaz nośny, gaz reakcyjny i gaz domieszkujący przepływają przez powierzchnię płytki w poziomym przepływie laminarnym od góry komory reakcyjnej do dołu komory reakcyjnej i są odprowadzane z ogona końcówka gazowa. Aby zapewnić konsystencję wafla, wafel unoszony na pływającej podstawie jest w trakcie procesu zawsze obracany.
Podłoże użyte w eksperymencie to dostępne w handlu podłoże SiC 150 mm, 200 mm (6 cali, 8 cali) <1120> pod kątem 4°, przewodzące 4H-SiC typu n, dwustronnie polerowane podłoże SiC, produkowane przez Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilan (SiHCl3, TCS) i etylen (C2H4) stosuje się jako główne źródła wzrostu w eksperymencie procesowym, spośród których TCS i C2H4 stosuje się odpowiednio jako źródła krzemu i źródło węgla, azot o wysokiej czystości (N2) stosuje się jako n- źródło domieszkujące, a jako gaz rozcieńczający i gaz nośny stosuje się wodór (H2). Zakres temperatur procesu epitaksjalnego wynosi 1 600 ~1 660 ℃, ciśnienie procesu wynosi 8×103 ~12×103 Pa, a natężenie przepływu gazu nośnego H2 wynosi 100～140 l/min.
1.3 Badanie i charakterystyka płytek epitaksjalnych
Do scharakteryzowania średniej i rozkładu grubości warstwy epitaksjalnej oraz stężenia domieszki wykorzystano spektrometr podczerwieni Fouriera (producent sprzętu Thermalfisher, model iS50) oraz tester stężenia sondy rtęciowej (producent sprzętu Semilab, model 530L). Grubość i stężenie domieszkowania każdego punktu warstwy epitaksjalnej określono poprzez pobranie punktów wzdłuż linii średnicy przecinającej linię normalną głównej krawędzi odniesienia pod kątem 45° w środku płytki z usunięciem krawędzi o 5 mm. Dla płytki o średnicy 150 mm pobrano 9 punktów wzdłuż linii jednej średnicy (dwie średnice były do siebie prostopadłe), a dla płytki o średnicy 200 mm pobrano 21 punktów, jak pokazano na rysunku 2. Mikroskop sił atomowych (producent sprzętu) Bruker, model Dimension Icon) zastosowano do wybrania obszarów o wymiarach 30 µm×30 µm w obszarze środkowym oraz w obszarze brzegowym (usunięcie krawędzi o 5 mm) epitaksjalnego płytka do badania chropowatości powierzchni warstwy epitaksjalnej; Do pomiaru wad warstwy epitaksjalnej wykorzystano tester defektów powierzchniowych (producent sprzętu China Electronics). Kamera 3D charakteryzowała się czujnikiem radarowym (model Mars 4410 pro) firmy Kefenghua.
Czas publikacji: 04 września 2024 r