Trenutno se industrija SiC spreminja s 150 mm (6 palcev) na 200 mm (8 palcev). Da bi zadostili nujnemu povpraševanju po velikih, visokokakovostnih homoepitaksialnih rezinah SiC v industriji, 150 mm in 200 mm4H-SiC homoepitaksialne rezineso bili uspešno pripravljeni na domačih substratih z uporabo neodvisno razvite opreme za epitaksialno rast 200 mm SiC. Razvit je bil homoepitaksialni postopek, primeren za 150 mm in 200 mm, pri katerem je lahko epitaksialna hitrost rasti večja od 60 um/h. Medtem ko ustreza hitri epitaksiji, je kakovost epitaksialnih rezin odlična. Enakomernost debeline 150 mm in 200 mmSiC epitaksialne rezineje mogoče nadzorovati v okviru 1,5 %, enakomernost koncentracije je manjša od 3 %, gostota smrtnih napak je manjša od 0,3 delcev/cm2, povprečna kvadratna vrednost epitaksialne površinske hrapavosti Ra je manjša od 0,15 nm, vsi indikatorji osnovnega procesa pa so pri napredna raven industrije.
Silicijev karbid (SiC)je eden od predstavnikov polprevodniških materialov tretje generacije. Ima značilnosti visoke razgradne poljske jakosti, odlične toplotne prevodnosti, velike hitrosti odnašanja nasičenosti elektronov in močne odpornosti proti sevanju. Močno je razširil zmogljivost obdelave energije napajalnih naprav in lahko izpolni storitvene zahteve naslednje generacije močnostne elektronske opreme za naprave z veliko močjo, majhnostjo, visoko temperaturo, visokim sevanjem in drugimi ekstremnimi pogoji. Lahko zmanjša prostor, zmanjša porabo energije in zmanjša zahteve po hlajenju. Prinesel je revolucionarne spremembe v nova energetska vozila, železniški promet, pametna omrežja in druga področja. Zato so polprevodniki iz silicijevega karbida postali prepoznani kot idealen material, ki bo vodil naslednjo generacijo visokozmogljivih elektronskih naprav. V zadnjih letih so bili zaradi podpore nacionalne politike za razvoj polprevodniške industrije tretje generacije na Kitajskem v bistvu zaključeni raziskave, razvoj in izgradnja 150-mm SiC industrijskega sistema naprav, varnost industrijske verige pa je v osnovi zagotovljena. Zato se je fokus industrije postopoma preusmeril na nadzor stroškov in izboljšanje učinkovitosti. Kot je prikazano v tabeli 1, ima 200 mm SiC v primerjavi s 150 mm višjo stopnjo izkoriščenosti robov, proizvodnja čipov z enojno rezino pa se lahko poveča za približno 1,8-krat. Ko tehnologija dozori, se lahko proizvodni stroški enega samega čipa znižajo za 30 %. Tehnološki preboj 200 mm je neposredno sredstvo za "zmanjšanje stroškov in povečanje učinkovitosti", prav tako pa je ključno, da polprevodniška industrija moje države "teče vzporedno" ali celo "vodi".
Drugačen od postopka naprave Si,SiC polprevodniške močnostne napraveso vsi obdelani in pripravljeni z epitaksialnimi plastmi kot temeljnim kamnom. Epitaksialne rezine so bistveni osnovni materiali za napajalne naprave SiC. Kakovost epitaksialne plasti neposredno določa izkoristek naprave, njeni stroški pa predstavljajo 20 % stroškov izdelave čipa. Zato je epitaksialna rast bistvena vmesna povezava v močnostnih napravah SiC. Zgornjo mejo stopnje epitaksialnega procesa določa epitaksialna oprema. Trenutno je stopnja lokalizacije 150 mm SiC epitaksialne opreme na Kitajskem razmeroma visoka, vendar splošna postavitev 200 mm hkrati zaostaja za mednarodno ravnjo. Zato, da bi rešili nujne potrebe in težave z ozkimi grli proizvodnje velikih, visokokakovostnih epitaksialnih materialov za razvoj domače polprevodniške industrije tretje generacije, ta članek predstavlja 200 mm SiC epitaksialno opremo, ki je bila uspešno razvita v moji državi, in proučuje epitaksialni proces. Z optimizacijo procesnih parametrov, kot so procesna temperatura, hitrost pretoka nosilnega plina, razmerje C/Si itd., enakomernost koncentracije <3%, neenakomernost debeline <1,5%, hrapavost Ra <0,2 nm in gostota smrtnih napak <0,3 zrna /cm2 150 mm in 200 mm epitaksialnih rezin SiC z neodvisno razvitim 200 mm epitaksialnim silicijevim karbidom peči dobimo. Raven procesa opreme lahko zadovolji potrebe po visokokakovostni pripravi napajalne naprave SiC.
1 Preizkus
1.1 NačeloSiC epitaksialnopostopek
Postopek homoepitaksialne rasti 4H-SiC v glavnem vključuje 2 ključna koraka, in sicer visokotemperaturno in situ jedkanje substrata 4H-SiC in postopek homogenega kemičnega naparjevanja. Glavni namen jedkanja substrata na kraju samem je odstraniti podpovršinsko poškodbo substrata po poliranju rezin, ostanke polirne tekočine, delcev in oksidne plasti, z jedkanjem pa se na površini substrata lahko oblikuje običajna atomska stopničasta struktura. Jedkanje na mestu se običajno izvaja v atmosferi vodika. Glede na dejanske zahteve postopka se lahko doda tudi majhna količina pomožnega plina, kot je vodikov klorid, propan, etilen ali silan. Temperatura jedkanja z vodikom in situ je na splošno nad 1600 ℃, tlak v reakcijski komori pa je med postopkom jedkanja na splošno nadzorovan pod 2 × 104 Pa.
Ko je površina substrata aktivirana z jedkanjem in situ, vstopi v postopek visokotemperaturnega nanašanja s kemično paro, to je vir rasti (kot je etilen/propan, TCS/silan), vir dopinga (vir n-tipa doping dušik , dopirni vir p-tipa TMAl) in pomožni plin, kot je vodikov klorid, se prenašata v reakcijsko komoro skozi velik pretok nosilnega plina (običajno vodik). Ko plin reagira v visokotemperaturni reakcijski komori, del prekurzorja kemično reagira in se adsorbira na površini rezine, pri čemer nastane enokristalna homogena epitaksialna plast 4H-SiC s specifično koncentracijo dopinga, specifično debelino in višjo kakovostjo. na površini substrata z uporabo monokristalnega substrata 4H-SiC kot šablone. Po letih tehničnega raziskovanja je homoepitaksialna tehnologija 4H-SiC v bistvu dozorela in se široko uporablja v industrijski proizvodnji. Najbolj razširjena homoepitaksialna tehnologija 4H-SiC na svetu ima dve tipični značilnosti:
(1) Z uporabo zunajosne (glede na <0001> kristalno ravnino, proti <11-20> kristalni smeri) poševno rezanega substrata kot predloge je visoko čista monokristalna 4H-SiC epitaksialna plast brez nečistoč nanesen na substrat v obliki stopenjskega načina rasti. Zgodnja homoepitaksialna rast 4H-SiC je za rast uporabljala pozitivni kristalni substrat, to je ravnino <0001> Si. Gostota atomskih stopnic na površini pozitivnega kristalnega substrata je nizka, terase pa široke. Med postopkom epitaksije se zlahka pojavi dvodimenzionalna rast nukleacije, da se tvori 3C kristal SiC (3C-SiC). Z rezanjem zunaj osi je mogoče na površino substrata 4H-SiC <0001> uvesti atomske korake visoke gostote z ozko terase širine in adsorbirani prekurzor lahko učinkovito doseže položaj atomskega koraka z relativno nizko površinsko energijo s površinsko difuzijo . Na stopnji je vezni položaj prekurzorskega atoma/molekularne skupine edinstven, tako da lahko v stopenjskem načinu rasti epitaksialna plast popolnoma podeduje zaporedje zlaganja dvojne atomske plasti Si-C substrata, da tvori enojni kristal z istim kristalom fazo kot substrat.
(2) Hitra epitaksialna rast je dosežena z uvedbo vira silicija, ki vsebuje klor. V običajnih sistemih kemičnega naparjevanja SiC sta glavna vira rasti silan in propan (ali etilen). V procesu povečanja stopnje rasti s povečanjem stopnje pretoka vira rasti, ko se ravnovesni parcialni tlak silicijeve komponente še naprej povečuje, je enostavno oblikovati silicijeve grozde s homogeno nukleacijo plinske faze, kar znatno zmanjša stopnjo izkoriščenosti vir silicija. Tvorba silicijevih grozdov močno omejuje izboljšanje epitaksialne stopnje rasti. Hkrati lahko silicijevi grozdi motijo rast stopenjskega toka in povzročijo nukleacijo napak. Da bi se izognili homogeni nukleaciji plinske faze in povečali epitaksialno stopnjo rasti, je uvedba virov silicija na osnovi klora trenutno glavna metoda za povečanje epitaksialne stopnje rasti 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-palčna) SiC epitaksialna oprema in procesni pogoji
Vsi poskusi, opisani v tem dokumentu, so bili izvedeni na 150/200 mm (6/8-palčni) združljivi monolitni horizontalni vroče stenski SiC epitaksialni opremi, ki jo je neodvisno razvil 48. inštitut Kitajske Electronics Technology Group Corporation. Epitaksialna peč podpira popolnoma samodejno polnjenje in praznjenje rezin. Slika 1 je shematski diagram notranje strukture reakcijske komore epitaksialne opreme. Kot je prikazano na sliki 1, je zunanja stena reakcijske komore kremenčev zvon z vodno hlajenim vmesnim slojem, notranjost zvona pa je visokotemperaturna reakcijska komora, ki je sestavljena iz toplotnoizolacijskega ogljikovega filca visoke čistosti. posebna grafitna votlina, grafitno plinsko lebdeča vrtljiva osnova itd. Celoten kvarčni zvon je prekrit s cilindrično indukcijsko tuljavo in reakcijska komora znotraj zvona je elektromagnetno ogrevana s srednjefrekvenčnim indukcijskim virom energije. Kot je prikazano na sliki 1 (b), tečejo nosilni plin, reakcijski plin in dopirni plin skozi površino rezine v vodoravnem laminarnem toku od zgornjega toka reakcijske komore do spodnjega dela reakcijske komore in se odvajajo iz repa plinski konec. Da bi zagotovili konsistenco v rezini, se rezina, ki jo nosi zračna lebdeča podlaga, med postopkom vedno vrti.
Substrat, uporabljen v poskusu, je komercialni 150 mm, 200 mm (6 palcev, 8 palcev) <1120> smeri 4° izven kota prevodnega n-tipa 4H-SiC dvostransko poliranega SiC substrata, ki ga proizvaja Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilan (SiHCl3, TCS) in etilen (C2H4) sta uporabljena kot glavna vira rasti v procesnem poskusu, med katerimi sta TCS in C2H4 uporabljena kot vir silicija oziroma vir ogljika, dušik visoke čistosti (N2) pa je uporabljen kot n- vir dopinga, vodik (H2) pa se uporablja kot plin za redčenje in nosilni plin. Temperaturno območje epitaksialnega procesa je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesni tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, hitrost pretoka nosilnega plina H2 pa je 100 ~ 140 L/min.
1.3 Epitaksialno testiranje in karakterizacija rezin
Fourierjev infrardeči spektrometer (proizvajalec opreme Thermalfisher, model iS50) in merilnik koncentracije živega srebra (proizvajalec opreme Semilab, model 530L) sta bila uporabljena za karakterizacijo srednje vrednosti in porazdelitve debeline epitaksialne plasti in koncentracije dopinga; debelina in koncentracija dopinga vsake točke v epitaksialni plasti sta bili določeni tako, da se vzamejo točke vzdolž črte premera, ki seka normalno črto glavnega referenčnega roba pri 45° v središču rezine s 5 mm odstranitvijo roba. Za 150 mm rezino je bilo vzetih 9 točk vzdolž ene premerne črte (dva premera sta bila pravokotna drug na drugega), za 200 mm rezino pa 21 točk, kot je prikazano na sliki 2. Mikroskop na atomsko silo (proizvajalec opreme) Bruker, model Dimension Icon) je bil uporabljen za izbiro območij velikosti 30 μm × 30 μm v osrednjem območju in obrobnem območju (odstranitev robov 5 mm) epitaksialna rezina za testiranje hrapavosti površine epitaksialne plasti; napake epitaksialne plasti so bile izmerjene s testerjem površinskih napak (proizvajalec opreme China Electronics. 3D-imager je bil označen z radarskim senzorjem (model Mars 4410 pro) podjetja Kefenghua.
Čas objave: sep-04-2024