ปัจจุบัน อุตสาหกรรม SiC กำลังเปลี่ยนจาก 150 มม. (6 นิ้ว) เป็น 200 มม. (8 นิ้ว) เพื่อตอบสนองความต้องการเร่งด่วนสำหรับเวเฟอร์ SiC homoepitaxial ขนาดใหญ่และมีคุณภาพสูงในอุตสาหกรรม 150 มม. และ 200 มม.เวเฟอร์โฮโมอีพิแอกเชียล 4H-SiCได้รับการจัดเตรียมอย่างประสบความสำเร็จบนพื้นผิวในประเทศโดยใช้อุปกรณ์การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นอย่างอิสระ กระบวนการโฮโมอีพิแทกเซียลที่เหมาะสำหรับขนาด 150 มม. และ 200 มม. ได้รับการพัฒนาขึ้น ซึ่งอัตราการเติบโตของเยื่อบุผิวสามารถมากกว่า 60 ไมโครเมตรต่อชั่วโมง ในขณะที่พบกับ epitaxy ความเร็วสูง คุณภาพเวเฟอร์ epitaxis นั้นยอดเยี่ยม มีความหนาสม่ำเสมอ 150 มม. และ 200 มมเวเฟอร์ SiC epitaxisสามารถควบคุมได้ภายใน 1.5% ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นน้อยกว่า 3% ความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงน้อยกว่า 0.3 อนุภาค/cm2 และความหยาบของพื้นผิวเยื่อบุผิวเฉลี่ยรากสี่เหลี่ยม Ra น้อยกว่า 0.15 นาโนเมตร และตัวบ่งชี้กระบวนการหลักทั้งหมดอยู่ที่ ระดับขั้นสูงของอุตสาหกรรม
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นหนึ่งในตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม มันมีลักษณะของความแรงของสนามสลายสูง, การนำความร้อนที่ดีเยี่ยม, ความเร็วดริฟท์ความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนขนาดใหญ่ และความต้านทานการแผ่รังสีที่แข็งแกร่ง ได้ขยายความสามารถในการประมวลผลพลังงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างมาก และสามารถตอบสนองความต้องการบริการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังรุ่นต่อไปสำหรับอุปกรณ์ที่มีกำลังสูง ขนาดเล็ก อุณหภูมิสูง การแผ่รังสีสูง และสภาวะที่รุนแรงอื่น ๆ สามารถลดพื้นที่ ลดการใช้พลังงาน และลดความต้องการในการทำความเย็น โดยได้นำการเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่มาสู่ยานยนต์พลังงานใหม่ การขนส่งทางรถไฟ กริดอัจฉริยะ และสาขาอื่นๆ ดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงได้รับการยอมรับว่าเป็นวัสดุในอุดมคติที่จะนำไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงรุ่นต่อไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ต้องขอบคุณนโยบายระดับชาติที่สนับสนุนการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม การวิจัยและพัฒนาและการสร้างระบบอุตสาหกรรมอุปกรณ์ SiC ขนาด 150 มม. จึงเสร็จสมบูรณ์โดยทั่วไปในประเทศจีน และความปลอดภัยของห่วงโซ่อุตสาหกรรมได้ ได้รับการรับประกันโดยทั่วไปแล้ว ดังนั้นจุดเน้นของอุตสาหกรรมจึงค่อยๆ เปลี่ยนไปสู่การควบคุมต้นทุนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ ดังที่แสดงในตารางที่ 1 เมื่อเปรียบเทียบกับ 150 มม. SiC 200 มม. มีอัตราการใช้ขอบที่สูงกว่า และเอาต์พุตของชิปเวเฟอร์เดี่ยวสามารถเพิ่มขึ้นได้ประมาณ 1.8 เท่า หลังจากที่เทคโนโลยีเติบโตเต็มที่ ต้นทุนการผลิตของชิปตัวเดียวจะลดลง 30% ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีขนาด 200 มม. เป็นวิธีโดยตรงในการ "ลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ" และยังเป็นกุญแจสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศของฉันในการ "ดำเนินธุรกิจแบบคู่ขนาน" หรือแม้แต่ "เป็นผู้นำ"
แตกต่างจากกระบวนการอุปกรณ์ Siอุปกรณ์ไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์ SiCทั้งหมดได้รับการประมวลผลและเตรียมโดยชั้นเอปิเทกเซียลเป็นรากฐานสำคัญ เวเฟอร์อีปิแอกเซียลเป็นวัสดุพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟ SiC คุณภาพของชั้น epitaxis จะกำหนดผลผลิตของอุปกรณ์โดยตรง และต้นทุนจะคิดเป็น 20% ของต้นทุนการผลิตชิป ดังนั้นการเจริญเติบโตของ epitax จึงเป็นลิงค์ระดับกลางที่สำคัญในอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC ขีดจำกัดบนของระดับกระบวนการเอปิแอกเซียลถูกกำหนดโดยอุปกรณ์เอพิแอกเซียล ปัจจุบัน ระดับการแปลของอุปกรณ์ epitaxial SiC ขนาด 150 มม. ในประเทศจีนค่อนข้างสูง แต่รูปแบบโดยรวมของ 200 มม. ยังช้ากว่าระดับสากลในเวลาเดียวกัน ดังนั้น เพื่อที่จะแก้ปัญหาความต้องการเร่งด่วนและปัญหาคอขวดของการผลิตวัสดุเอพิแทกเซียลขนาดใหญ่และมีคุณภาพสูงสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามในประเทศ บทความนี้จะแนะนำอุปกรณ์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นอย่างประสบความสำเร็จในประเทศของฉัน และศึกษากระบวนการเอพิแทกเซียล โดยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสม เช่น อุณหภูมิกระบวนการ อัตราการไหลของก๊าซตัวพา อัตราส่วน C/Si ฯลฯ ความสม่ำเสมอของความเข้มข้น <3% ความหนาไม่สม่ำเสมอ <1.5% ความหยาบ Ra <0.2 นาโนเมตร และความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรง <0.3 เม็ด /cm2 ของเวเฟอร์ SiC เอพิแอกเชียล 150 มม. และ 200 มม. พร้อมด้วยเตาเอพิแอกเชียลซิลิคอนคาร์ไบด์ที่พัฒนาอย่างอิสระขนาด 200 มม. ระดับกระบวนการอุปกรณ์สามารถตอบสนองความต้องการของการเตรียมอุปกรณ์จ่ายไฟ SiC คุณภาพสูง
1 การทดลอง
1.1 หลักการของSiC เอพิแทกเซียลกระบวนการ
กระบวนการเจริญเติบโตแบบโฮโมอีพิแทกเซียลของ 4H-SiC ส่วนใหญ่ประกอบด้วย 2 ขั้นตอนสำคัญ กล่าวคือ การกัดซับสเตรต 4H-SiC ในแหล่งกำเนิดที่อุณหภูมิสูง และกระบวนการสะสมไอสารเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกัน วัตถุประสงค์หลักของการแกะสลักพื้นผิวในแหล่งกำเนิดคือการขจัดความเสียหายใต้พื้นผิวของพื้นผิวหลังจากการขัดแผ่นเวเฟอร์ ของเหลวขัดเงาที่ตกค้าง อนุภาคและชั้นออกไซด์ และโครงสร้างขั้นตอนอะตอมมิกปกติสามารถเกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ได้โดยการแกะสลัก การกัดกรดในแหล่งกำเนิดมักดำเนินการในบรรยากาศไฮโดรเจน ตามข้อกำหนดของกระบวนการจริง สามารถเติมก๊าซเสริมจำนวนเล็กน้อยได้ เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ โพรเพน เอทิลีน หรือไซเลน โดยทั่วไปอุณหภูมิของการกัดไฮโดรเจนในแหล่งกำเนิดจะสูงกว่า 1 600 ℃ และโดยทั่วไปความดันของห้องปฏิกิริยาจะถูกควบคุมต่ำกว่า 2 × 104 Pa ในระหว่างกระบวนการกัด
หลังจากที่พื้นผิวของซับสเตรตถูกกระตุ้นโดยการกัดในแหล่งกำเนิด มันจะเข้าสู่กระบวนการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง ซึ่งก็คือ แหล่งที่มาของการเจริญเติบโต (เช่น เอทิลีน/โพรเพน, TCS/ไซเลน) แหล่งกำเนิดของสารกระตุ้น (ไนโตรเจนที่มาจากสารโด๊ปชนิด n , แหล่งกำเนิดสารโด๊ปชนิด p TMAl) และก๊าซเสริม เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ จะถูกขนส่งไปยังห้องปฏิกิริยาผ่านก๊าซพาหะจำนวนมาก (โดยปกติคือไฮโดรเจน) หลังจากที่ก๊าซทำปฏิกิริยาในห้องปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง ส่วนหนึ่งของสารตั้งต้นจะทำปฏิกิริยาทางเคมีและดูดซับบนพื้นผิวเวเฟอร์ และเกิดชั้น epitaxis 4H-SiC ที่เป็นเนื้อเดียวกันผลึกเดี่ยวที่มีความเข้มข้นของสารเติมแต่งเฉพาะ ความหนาจำเพาะ และคุณภาพที่สูงขึ้นจะเกิดขึ้น บนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์โดยใช้วัสดุพิมพ์ 4H-SiC แบบผลึกเดี่ยวเป็นเทมเพลต หลังจากการสำรวจทางเทคนิคเป็นเวลาหลายปี เทคโนโลยี 4H-SiC homoepitaxial ได้เจริญเต็มที่โดยพื้นฐานแล้วและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตภาคอุตสาหกรรม เทคโนโลยีโฮโมอีพิแอกเชียล 4H-SiC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลกมีลักษณะทั่วไปสองประการ:
(1) การใช้วัสดุพิมพ์นอกแกน (สัมพันธ์กับระนาบคริสตัล <0001> ไปทางทิศทางคริสตัล <11-20>) วัสดุพิมพ์แบบตัดเฉียงเป็นเทมเพลต ชั้น epitaxial ผลึกเดี่ยว 4H-SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยไม่มีสิ่งเจือปน ที่สะสมอยู่บนพื้นผิวในรูปแบบของโหมดการเติบโตแบบขั้นตอน การเจริญเติบโตแบบโฮโมอีพิแทกเซียลของ 4H-SiC ในช่วงต้นใช้ซับสเตรตคริสตัลที่เป็นบวก นั่นคือระนาบ Si <0001> สำหรับการเจริญเติบโต ความหนาแน่นของขั้นอะตอมบนพื้นผิวของซับสเตรตคริสตัลที่เป็นบวกนั้นต่ำและขั้นบันไดก็กว้าง การเติบโตของนิวเคลียสสองมิตินั้นเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการ epitaxy เพื่อสร้างผลึก 3C SiC (3C-SiC) ด้วยการตัดนอกแกน ทำให้สามารถแนะนำขั้นตอนอะตอมมิกที่มีความกว้างของระเบียงที่มีความหนาแน่นสูงและแคบได้บนพื้นผิวของซับสเตรต 4H-SiC <0001> และสารตั้งต้นที่ถูกดูดซับสามารถเข้าถึงตำแหน่งสเต็ปอะตอมมิกได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยพลังงานพื้นผิวที่ค่อนข้างต่ำผ่านการแพร่กระจายของพื้นผิว . ในขั้นตอน ตำแหน่งพันธะของอะตอมของสารตั้งต้น/กลุ่มโมเลกุลจะไม่ซ้ำกัน ดังนั้นในโหมดการเจริญเติบโตของการไหลของขั้นตอน ชั้นอีปิแอกเซียลสามารถสืบทอดลำดับการเรียงซ้อนของชั้นอะตอมมิกคู่ Si-C ของซับสเตรตได้อย่างสมบูรณ์แบบเพื่อสร้างผลึกเดี่ยวที่มีผลึกเดียวกัน เฟสเป็นสารตั้งต้น
(2) การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวด้วยความเร็วสูงทำได้โดยการแนะนำแหล่งซิลิกอนที่มีคลอรีน ในระบบการสะสมไอสารเคมี SiC ทั่วไป ไซเลนและโพรเพน (หรือเอทิลีน) เป็นแหล่งการเติบโตหลัก ในกระบวนการเพิ่มอัตราการเติบโตโดยการเพิ่มอัตราการไหลของแหล่งการเจริญเติบโต เนื่องจากความดันบางส่วนของสมดุลของส่วนประกอบซิลิกอนยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะสร้างกลุ่มซิลิกอนโดยนิวเคลียสของเฟสก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งจะช่วยลดอัตราการใช้ประโยชน์ของ แหล่งซิลิคอน การก่อตัวของกระจุกซิลิคอนจำกัดการปรับปรุงอัตราการเติบโตของเยื่อบุผิวอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน กลุ่มซิลิคอนสามารถรบกวนการเติบโตของการไหลของขั้นตอนและทำให้เกิดข้อบกพร่องของนิวเคลียส เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดนิวเคลียสของเฟสก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกันและเพิ่มอัตราการเติบโตของเยื่อบุผิว ปัจจุบันการนำแหล่งซิลิกอนที่มีคลอรีนเป็นส่วนประกอบหลักมาเป็นวิธีการหลักในการเพิ่มอัตราการเติบโตของเยื่อบุผิวของ 4H-SiC
1.2 อุปกรณ์ SiC เอพิแทกเซียลขนาด 200 มม. (8 นิ้ว) และสภาวะกระบวนการ
การทดลองที่อธิบายไว้ในบทความนี้ทั้งหมดดำเนินการบนอุปกรณ์ SiC ผนังร้อนแนวนอนเสาหินแนวนอนที่รองรับขนาด 150/200 มม. (6/8 นิ้ว) ซึ่งพัฒนาโดยอิสระโดยสถาบัน 48th of China Electronics Technology Group Corporation เตาปิดผิวรองรับการโหลดและขนถ่ายแผ่นเวเฟอร์อัตโนมัติเต็มรูปแบบ รูปที่ 1 เป็นแผนผังของโครงสร้างภายในของห้องปฏิกิริยาของอุปกรณ์เอพิแทกเซียล ดังแสดงในรูปที่ 1 ผนังด้านนอกของห้องปฏิกิริยาเป็นระฆังควอทซ์ที่มี interlayer ระบายความร้อนด้วยน้ำ และด้านในของระฆังเป็นห้องปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง ซึ่งประกอบด้วยความรู้สึกคาร์บอนฉนวนกันความร้อน มีความบริสุทธิ์สูง ช่องกราไฟท์พิเศษ ฐานหมุนที่ลอยด้วยแก๊สกราไฟท์ ฯลฯ ระฆังควอทซ์ทั้งหมดถูกหุ้มด้วยขดลวดเหนี่ยวนำทรงกระบอก และห้องปฏิกิริยาภายในระฆังจะถูกให้ความร้อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าโดยแหล่งจ่ายไฟเหนี่ยวนำความถี่ปานกลาง ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) ก๊าซตัวพา ก๊าซปฏิกิริยา และก๊าซโด๊ป ล้วนไหลผ่านพื้นผิวเวเฟอร์ในรูปแบบลามินาร์แนวนอนจากต้นน้ำของห้องปฏิกิริยาไปยังปลายน้ำของห้องปฏิกิริยา และถูกปล่อยออกจากส่วนท้าย ปลายแก๊ส เพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอภายในเวเฟอร์ เวเฟอร์ที่บรรทุกโดยฐานลอยอากาศจะถูกหมุนเสมอในระหว่างกระบวนการ
วัสดุพิมพ์ที่ใช้ในการทดลองคือวัสดุพิมพ์ SiC ขัดเงาสองด้านขนาด 150 มม., 200 มม. (6 นิ้ว, 8 นิ้ว) เชิงพาณิชย์ที่มีทิศทาง 4°off-angle n-type 4H-SiC ที่ผลิตโดย Shanxi Shuoke Crystal ไตรคลอโรซิเลน (SiHCl3, TCS) และเอทิลีน (C2H4) ถูกใช้เป็นแหล่งการเจริญเติบโตหลักในการทดลองกระบวนการ โดยที่ TCS และ C2H4 ถูกใช้เป็นแหล่งซิลิคอนและแหล่งคาร์บอนตามลำดับ ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง (N2) ถูกใช้เป็น n- ประเภทแหล่งกำเนิดยาสลบ และไฮโดรเจน (H2) ถูกใช้เป็นก๊าซเจือจางและก๊าซพาหะ ช่วงอุณหภูมิของกระบวนการเอพิแทกเซียลคือ 1 600 ~1 660 ℃ ความดันกระบวนการคือ 8×103 ~12×103 Pa และอัตราการไหลของก๊าซตัวพา H2 คือ 100~140 ลิตร/นาที
1.3 การทดสอบและการกำหนดลักษณะเฉพาะของเวเฟอร์แบบอีปิแอกเซียล
ฟูริเยร์อินฟราเรดสเปกโตรมิเตอร์ (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Thermalfisher รุ่น iS50) และเครื่องทดสอบความเข้มข้นของโพรบปรอท (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Semilab รุ่น 530L) ถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะค่าเฉลี่ยและการกระจายของความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลและความเข้มข้นของสารต้องห้าม ความหนาและความเข้มข้นของสารต้องห้ามของแต่ละจุดในชั้นอีพิแทกเซียลถูกกำหนดโดยการนำจุดไปตามเส้นเส้นผ่านศูนย์กลางที่ตัดกับเส้นปกติของขอบอ้างอิงหลักที่ 45° ที่กึ่งกลางของเวเฟอร์โดยเอาขอบออก 5 มม. สำหรับเวเฟอร์ขนาด 150 มม. จะมีการถ่าย 9 จุดตามแนวเส้นเส้นผ่านศูนย์กลางเดียว (เส้นผ่านศูนย์กลาง 2 เส้นตั้งฉากกัน) และสำหรับเวเฟอร์ขนาด 200 มม. จะมีการถ่าย 21 จุด ดังแสดงในรูปที่ 2 กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Bruker ไอคอนมิติแบบจำลอง) ถูกนำมาใช้เพื่อเลือกพื้นที่ 30 μm × 30 μm ในพื้นที่กึ่งกลางและพื้นที่ขอบ (การลบขอบ 5 มม.) ของเวเฟอร์ epitaxis เพื่อทดสอบความหยาบผิวของชั้น epitaxis ข้อบกพร่องของชั้น epitaxis นั้นวัดโดยใช้เครื่องทดสอบข้อบกพร่องที่พื้นผิว (ผู้ผลิตอุปกรณ์ China Electronics เครื่องสร้างภาพ 3 มิติมีลักษณะเฉพาะด้วยเซ็นเซอร์เรดาร์ (รุ่น Mars 4410 pro) จาก Kefenghua
เวลาโพสต์: Sep-04-2024