V súčasnosti sa priemysel SiC transformuje zo 150 mm (6 palcov) na 200 mm (8 palcov). Aby sme uspokojili naliehavý dopyt po veľkých, vysokokvalitných SiC homoepitaxiálnych doštičkách v priemysle, 150 mm a 200 mm4H-SiC homoepitaxiálne doštičkyboli úspešne pripravené na domácich substrátoch pomocou nezávisle vyvinutého 200 mm SiC epitaxného rastového zariadenia. Bol vyvinutý homoepitaxný proces vhodný pre 150 mm a 200 mm, v ktorom môže byť rýchlosť epitaxného rastu väčšia ako 60 um/h. Pri splnení vysokorýchlostnej epitaxie je kvalita epitaxnej doštičky vynikajúca. Rovnomernosť hrúbky 150 mm a 200 mmSiC epitaxné doštičkymožno regulovať v rozmedzí 1,5 %, rovnomernosť koncentrácie je menšia ako 3 %, hustota fatálnych defektov je menšia ako 0,3 častice/cm2 a stredná kvadrátna hodnota drsnosti povrchu epitaxiálneho povrchu je menšia ako 0,15 nm a všetky ukazovatele jadrového procesu sú na pokročilá úroveň priemyslu.
Karbid kremíka (SiC)je jedným zo zástupcov polovodičových materiálov tretej generácie. Má vlastnosti vysokej intenzity prierazného poľa, vynikajúcej tepelnej vodivosti, veľkej rýchlosti driftu saturácie elektrónov a silnej odolnosti voči žiareniu. Výrazne rozšíril kapacitu spracovania energie energetických zariadení a dokáže splniť servisné požiadavky ďalšej generácie výkonových elektronických zariadení pre zariadenia s vysokým výkonom, malými rozmermi, vysokou teplotou, vysokým žiarením a inými extrémnymi podmienkami. Môže znížiť priestor, znížiť spotrebu energie a znížiť požiadavky na chladenie. Priniesol revolučné zmeny do nových energetických vozidiel, železničnej dopravy, inteligentných sietí a ďalších oblastí. Preto sa polovodiče z karbidu kremíka stali uznávanými ako ideálny materiál, ktorý povedie ďalšiu generáciu vysokovýkonných elektronických zariadení. V posledných rokoch sa vďaka podpore národnej politiky pre rozvoj polovodičového priemyslu tretej generácie v Číne v podstate dokončil výskum, vývoj a konštrukcia priemyselného systému zariadení SiC 150 mm a bezpečnosť priemyselného reťazca sa zlepšila. bola v podstate zaručená. Preto sa ťažisko priemyslu postupne presunulo na kontrolu nákladov a zvyšovanie efektívnosti. Ako je uvedené v tabuľke 1, v porovnaní so 150 mm má 200 mm SiC vyššiu mieru využitia hrán a výstup jednotlivých plátkových čipov sa môže zvýšiť približne 1,8-krát. Keď technológia dospeje, výrobné náklady na jeden čip sa môžu znížiť o 30 %. Technologický prielom 200 mm je priamym prostriedkom „zníženia nákladov a zvyšovania efektívnosti“ a pre polovodičový priemysel v mojej krajine je tiež kľúčom „bežať paralelne“ alebo dokonca „viesť“.
Na rozdiel od procesu zariadenia Si,SiC polovodičové výkonové zariadeniavšetky sú spracované a pripravené s epitaxnými vrstvami ako základným kameňom. Epitaxné doštičky sú základnými základnými materiálmi pre napájacie zariadenia SiC. Kvalita epitaxnej vrstvy priamo určuje výťažnosť zariadenia a jeho cena predstavuje 20 % nákladov na výrobu čipu. Preto je epitaxný rast základným medzičlánkom v SiC napájacích zariadeniach. Horná hranica úrovne epitaxného procesu je určená epitaxným zariadením. V súčasnosti je stupeň lokalizácie 150 mm SiC epitaxného zariadenia v Číne relatívne vysoký, ale celkové rozloženie 200 mm zároveň zaostáva za medzinárodnou úrovňou. Preto, aby sa vyriešili naliehavé potreby a problémy s prekážkou pri výrobe veľkých a vysokokvalitných epitaxných materiálov pre rozvoj domáceho priemyslu polovodičov tretej generácie, tento dokument predstavuje 200 mm epitaxné zariadenie SiC úspešne vyvinuté v mojej krajine, a študuje epitaxný proces. Optimalizáciou parametrov procesu, ako je teplota procesu, prietok nosného plynu, pomer C/Si atď., rovnomernosť koncentrácie <3 %, nerovnomernosť hrúbky <1,5 %, drsnosť Ra <0,2 nm a hustota fatálnych defektov <0,3 zrna Získali sa 150 mm a 200 mm SiC epitaxné plátky s nezávisle vyvinutou 200 mm epitaxiálnou pecou z karbidu kremíka. Úroveň procesu zariadenia môže spĺňať potreby vysokokvalitnej prípravy výkonových zariadení SiC.
1 Experiment
1.1 PrincípSiC epitaxnéproces
Proces homoepitaxiálneho rastu 4H-SiC zahŕňa hlavne 2 kľúčové kroky, a to vysokoteplotné in-situ leptanie substrátu 4H-SiC a proces homogénneho chemického nanášania pár. Hlavným účelom leptania substrátu in situ je odstrániť podpovrchové poškodenie substrátu po leštení plátku, zvyškovú leštiacu kvapalinu, častice a vrstvu oxidu a na povrchu substrátu je možné leptaním vytvoriť pravidelnú štruktúru atómového kroku. Leptanie in situ sa zvyčajne vykonáva vo vodíkovej atmosfére. Podľa aktuálnych požiadaviek procesu sa môže pridať aj malé množstvo pomocného plynu, ako je chlorovodík, propán, etylén alebo silán. Teplota in-situ vodíkového leptania je vo všeobecnosti vyššia ako 1 600 °C a tlak v reakčnej komore sa počas procesu leptania zvyčajne riadi pod 2 x 104 Pa.
Potom, čo je povrch substrátu aktivovaný leptaním in situ, vstupuje do procesu vysokoteplotného chemického nanášania pár, to znamená do zdroja rastu (ako je etylén/propán, TCS/silán), dopingového zdroja (dopingový zdroj dusíka typu n , dopingový zdroj typu p TMAl) a pomocný plyn, ako je chlorovodík, sa transportujú do reakčnej komory cez veľký prúd nosného plynu (zvyčajne vodíka). Po reakcii plynu vo vysokoteplotnej reakčnej komore časť prekurzora chemicky zreaguje a adsorbuje sa na povrchu plátku a vytvorí sa monokryštalická homogénna 4H-SiC epitaxná vrstva so špecifickou koncentráciou dopingu, špecifickou hrúbkou a vyššou kvalitou. na povrchu substrátu s použitím monokryštálového 4H-SiC substrátu ako šablóny. Po rokoch technického skúmania homoepitaxiálna technológia 4H-SiC v podstate dozrela a je široko používaná v priemyselnej výrobe. Najpoužívanejšia 4H-SiC homoepitaxiálna technológia na svete má dve typické vlastnosti:
(1) Pomocou šikmo rezaného substrátu mimo osi (vzhľadom na kryštálovú rovinu <0001> v smere kryštálov <11-20>) ako šablóny sa vytvorí vysoko čistá monokryštálová 4H-SiC epitaxná vrstva bez nečistôt. nanesené na substrát vo forme rastového režimu krokového toku. Skorý homoepitaxiálny rast 4H-SiC používal na rast pozitívny kryštálový substrát, to znamená rovinu <0001> Si. Hustota atómových stupňov na povrchu substrátu pozitívneho kryštálu je nízka a terasy sú široké. Počas epitaxného procesu sa ľahko vyskytuje dvojrozmerný nukleačný rast za vzniku 3C kryštálového SiC (3C-SiC). Rezaním mimo osi možno na povrch substrátu 4H-SiC <0001> zaviesť atómové kroky s vysokou hustotou a úzkymi šírkami terasy a adsorbovaný prekurzor môže účinne dosiahnuť polohu atómového kroku s relatívne nízkou povrchovou energiou prostredníctvom povrchovej difúzie. . V tomto kroku je väzbová poloha prekurzorového atómu / molekulovej skupiny jedinečná, takže v režime rastu krokového toku môže epitaxná vrstva dokonale zdediť sekvenciu stohovania dvojitej atómovej vrstvy Si-C substrátu, aby vytvorila jediný kryštál s rovnakým kryštálom. fázu ako substrát.
(2) Vysokorýchlostný epitaxný rast sa dosiahne zavedením zdroja kremíka s obsahom chlóru. V konvenčných systémoch chemického naparovania SiC sú hlavnými zdrojmi rastu silán a propán (alebo etylén). V procese zvyšovania rýchlosti rastu zvýšením prietokovej rýchlosti zdroja rastu, keď sa rovnovážny parciálny tlak kremíkovej zložky neustále zvyšuje, je ľahké vytvárať kremíkové zhluky homogénnou nukleáciou v plynnej fáze, čo výrazne znižuje mieru využitia kremíka. kremíkový zdroj. Tvorba kremíkových zhlukov značne obmedzuje zlepšenie rýchlosti epitaxného rastu. Súčasne môžu zhluky kremíka narušiť rast skokového toku a spôsobiť nukleáciu defektov. Aby sa zabránilo homogénnej nukleácii v plynnej fáze a zvýšila sa rýchlosť epitaxného rastu, zavedenie kremíkových zdrojov na báze chlóru je v súčasnosti hlavnou metódou na zvýšenie rýchlosti epitaxného rastu 4H-SiC.
1,2 200 mm (8 palcov) SiC epitaxné zariadenie a podmienky procesu
Experimenty opísané v tomto dokumente boli všetky uskutočnené na 150/200 mm (6/8 palcov) kompatibilnom monolitickom SiC epitaxnom zariadení s horúcou stenou s teplou stenou nezávisle vyvinutom 48. inštitútom China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxná pec podporuje plne automatické vkladanie a odoberanie plátkov. Obrázok 1 je schematický diagram vnútornej štruktúry reakčnej komory epitaxného zariadenia. Ako je znázornené na obrázku 1, vonkajšia stena reakčnej komory je kremenný zvon s vodou chladenou medzivrstvou a vnútro zvonu je vysokoteplotná reakčná komora, ktorá sa skladá z tepelne izolačnej uhlíkovej plsti, vysokej čistoty. špeciálna grafitová dutina, grafitová plynová plávajúca rotačná základňa atď. Celý kremenný zvon je pokrytý valcovou indukčnou cievkou a reakčná komora vo vnútri zvona je elektromagneticky vyhrievaná strednofrekvenčným indukčným zdrojom. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), nosný plyn, reakčný plyn a dopovací plyn všetky prúdia cez povrch plátku v horizontálnom laminárnom toku z hornej časti reakčnej komory do dolnej časti reakčnej komory a sú vypúšťané z konca. plynový koniec. Aby sa zabezpečila konzistencia oblátky, oblátka nesená vzduchovou plávajúcou základňou sa počas procesu vždy otáča.
Substrát použitý v experimente je komerčný 150 mm, 200 mm (6 palcov, 8 palcov) <1120> smer 4° mimo uhol vodivý n-typ 4H-SiC obojstranne leštený SiC substrát vyrobený spoločnosťou Shanxi Shuoke Crystal. Trichlórsilán (SiHCl3, TCS) a etylén (C2H4) sa používajú ako hlavné rastové zdroje v procesnom experimente, medzi ktorými sa TCS a C2H4 používajú ako zdroj kremíka a zdroj uhlíka, vysoko čistý dusík (N2) sa používa ako n- typu dopingového zdroja a vodík (H2) sa používa ako riediaci plyn a nosný plyn. Teplotný rozsah epitaxného procesu je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesný tlak je 8 x 103 ~ 12 x 103 Pa a prietok nosného plynu H2 je 100 - 140 l/min.
1.3 Testovanie a charakterizácia epitaxných plátkov
Na charakterizáciu priemeru a distribúcie hrúbky epitaxnej vrstvy a koncentrácie dopingu sa použili Fourierov infračervený spektrometer (výrobca zariadenia Thermalfisher, model iS50) a tester koncentrácie ortuťovej sondy (výrobca zariadenia Semilab, model 530L); hrúbka a koncentrácia dopingu každého bodu v epitaxiálnej vrstve sa určili zobratím bodov pozdĺž čiary priemeru pretínajúcej normálnu čiaru hlavného referenčného okraja pod uhlom 45° v strede plátku s odstránením okraja 5 mm. Pre 150 mm doštičku bolo odobraných 9 bodov pozdĺž čiary s jedným priemerom (dva priemery boli na seba kolmé) a pre 200 mm doštičku bolo odobraných 21 bodov, ako je znázornené na obrázku 2. Mikroskop atómovej sily (výrobca zariadenia Bruker, model Dimension Icon) sa použil na výber oblastí 30 um x 30 um v strednej oblasti a okrajovej oblasti (odstránenie okraja 5 mm) epitaxnej doštičky na testovanie drsnosti povrchu epitaxnej vrstvy; defekty epitaxnej vrstvy sa merali pomocou testera povrchových defektov (výrobca zariadenia China Electronics The 3D imager bol charakterizovaný radarovým senzorom (model Mars 4410 pro) od spoločnosti Kefenghua.
Čas odoslania: 04.09.2024