Sa kasalukuyan, ang industriya ng SiC ay nagbabago mula 150 mm (6 pulgada) hanggang 200 mm (8 pulgada). Upang matugunan ang kagyat na pangangailangan para sa malalaking sukat, mataas na kalidad na SiC homoepitaxial wafer sa industriya, 150mm at 200mm4H-SiC homoepitaxial wafersay matagumpay na inihanda sa mga domestic substrate gamit ang independiyenteng binuo na 200mm SiC epitaxial growth equipment. Isang homoepitaxial na proseso na angkop para sa 150mm at 200mm ay binuo, kung saan ang epitaxial growth rate ay maaaring higit sa 60um/h. Habang nakakatugon sa high-speed epitaxy, ang kalidad ng epitaxial wafer ay mahusay. Ang kapal pagkakapareho ng 150 mm at 200 mmSiC epitaxial wafersay maaaring kontrolin sa loob ng 1.5%, ang pagkakapareho ng konsentrasyon ay mas mababa sa 3%, ang nakamamatay na depekto density ay mas mababa sa 0.3 particles/cm2, at ang epitaxial surface roughness root mean square Ra ay mas mababa sa 0.15nm, at lahat ng core process indicator ay nasa ang advanced na antas ng industriya.
Silicon Carbide (SiC)ay isa sa mga kinatawan ng ikatlong henerasyong materyales ng semiconductor. Ito ay may mga katangian ng mataas na breakdown field strength, mahusay na thermal conductivity, malaking electron saturation drift velocity, at malakas na radiation resistance. Lubos nitong pinalawak ang kapasidad sa pagpoproseso ng enerhiya ng mga power device at maaaring matugunan ang mga kinakailangan sa serbisyo ng susunod na henerasyon ng power electronic equipment para sa mga device na may mataas na kapangyarihan, maliit na sukat, mataas na temperatura, mataas na radiation at iba pang matinding kundisyon. Maaari itong bawasan ang espasyo, bawasan ang pagkonsumo ng kuryente at bawasan ang mga kinakailangan sa paglamig. Nagdala ito ng mga rebolusyonaryong pagbabago sa mga bagong sasakyang pang-enerhiya, transportasyon ng tren, mga smart grid at iba pang larangan. Samakatuwid, ang mga semiconductor ng silicon carbide ay kinilala bilang ang perpektong materyal na mangunguna sa susunod na henerasyon ng mga high-power na elektronikong aparato. Sa nakalipas na mga taon, salamat sa suporta sa pambansang patakaran para sa pagpapaunlad ng ikatlong henerasyong industriya ng semiconductor, ang pananaliksik at pagpapaunlad at pagtatayo ng 150 mm SiC device industry system ay karaniwang nakumpleto sa Tsina, at ang seguridad ng industriyal na kadena ay may ay karaniwang garantisadong. Samakatuwid, ang pokus ng industriya ay unti-unting lumipat sa kontrol sa gastos at pagpapabuti ng kahusayan. Tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 1, kumpara sa 150 mm, ang 200 mm SiC ay may mas mataas na rate ng paggamit ng gilid, at ang output ng mga single wafer chips ay maaaring tumaas ng humigit-kumulang 1.8 beses. Matapos ang teknolohiya ay tumanda, ang gastos sa pagmamanupaktura ng isang chip ay maaaring mabawasan ng 30%. Ang teknolohikal na pambihirang tagumpay ng 200 mm ay isang direktang paraan ng "pagbabawas ng mga gastos at pagtaas ng kahusayan", at ito rin ang susi para sa industriya ng semiconductor ng aking bansa na "magpatakbo ng parallel" o maging "lead".
Iba sa proseso ng Si device,SiC semiconductor power deviceang lahat ay pinoproseso at inihanda na may mga epitaxial layer bilang pundasyon. Ang mga epitaxial wafer ay mahahalagang pangunahing materyales para sa mga SiC power device. Direktang tinutukoy ng kalidad ng epitaxial layer ang yield ng device, at ang gastos nito ay 20% ng gastos sa paggawa ng chip. Samakatuwid, ang paglago ng epitaxial ay isang mahalagang intermediate na link sa mga aparatong kapangyarihan ng SiC. Ang pinakamataas na limitasyon ng antas ng proseso ng epitaxial ay tinutukoy ng kagamitang epitaxial. Sa kasalukuyan, ang antas ng lokalisasyon ng 150mm SiC epitaxial na kagamitan sa China ay medyo mataas, ngunit ang kabuuang layout ng 200mm ay nahuhuli sa internasyonal na antas sa parehong oras. Samakatuwid, upang malutas ang mga kagyat na pangangailangan at mga problema sa bottleneck ng malalaking sukat, mataas na kalidad na pagmamanupaktura ng epitaxial material para sa pagpapaunlad ng domestic third-generation semiconductor na industriya, ipinakilala ng papel na ito ang 200 mm SiC epitaxial equipment na matagumpay na binuo sa aking bansa, at pinag-aaralan ang proseso ng epitaxial. Sa pamamagitan ng pag-optimize ng mga parameter ng proseso tulad ng temperatura ng proseso, rate ng daloy ng gas ng carrier, ratio ng C/Si, atbp., ang pagkakapareho ng konsentrasyon <3%, hindi pagkakapareho ng kapal <1.5%, pagkamagaspang Ra <0.2 nm at density ng depekto ng fatal <0.3 butil /cm2 ng 150 mm at 200 mm SiC epitaxial wafers na may independiyenteng binuo na 200 mm silicon carbide epitaxial furnace ay nakuha. Maaaring matugunan ng antas ng proseso ng kagamitan ang mga pangangailangan ng paghahanda ng de-kalidad na SiC power device.
1 Eksperimento
1.1 Prinsipyo ngSiC epitaxialproseso
Ang proseso ng paglago ng 4H-SiC homoepitaxial ay higit sa lahat ay may kasamang 2 pangunahing hakbang, ibig sabihin, mataas na temperatura na in-situ na pag-ukit ng 4H-SiC substrate at homogenous na chemical vapor deposition na proseso. Ang pangunahing layunin ng substrate in-situ etching ay alisin ang pinsala sa ilalim ng lupa ng substrate pagkatapos ng wafer polishing, residual polishing liquid, particles at oxide layer, at isang regular na atomic step structure ay maaaring mabuo sa substrate surface sa pamamagitan ng etching. Ang in-situ etching ay karaniwang isinasagawa sa isang hydrogen na kapaligiran. Ayon sa aktwal na mga kinakailangan sa proseso, ang isang maliit na halaga ng auxiliary gas ay maaari ding idagdag, tulad ng hydrogen chloride, propane, ethylene o silane. Ang temperatura ng in-situ hydrogen etching ay karaniwang higit sa 1 600 ℃, at ang presyon ng reaction chamber ay karaniwang kinokontrol sa ibaba 2×104 Pa sa panahon ng proseso ng pag-ukit.
Matapos ma-activate ang substrate surface sa pamamagitan ng in-situ etching, pumapasok ito sa high-temperature chemical vapor deposition process, iyon ay, ang growth source (tulad ng ethylene/propane, TCS/silane), doping source (n-type doping source nitrogen , p-type doping source TMAl), at auxiliary gas tulad ng hydrogen chloride ay dinadala sa reaction chamber sa pamamagitan ng malaking daloy ng carrier gas (karaniwan ay hydrogen). Pagkatapos mag-react ang gas sa high-temperature reaction chamber, ang bahagi ng precursor ay tumutugon sa kemikal at nag-adsorb sa ibabaw ng wafer, at nabuo ang isang single-crystal homogeneous na 4H-SiC epitaxial layer na may partikular na doping concentration, partikular na kapal, at mas mataas na kalidad. sa ibabaw ng substrate gamit ang single-crystal 4H-SiC substrate bilang isang template. Pagkatapos ng mga taon ng teknikal na paggalugad, ang 4H-SiC homoepitaxial na teknolohiya ay karaniwang lumago at malawakang ginagamit sa pang-industriyang produksyon. Ang pinakakaraniwang ginagamit na 4H-SiC homoepitaxial na teknolohiya sa mundo ay may dalawang tipikal na katangian:
(1) Gamit ang isang off-axis (na may kaugnayan sa <0001> crystal plane, patungo sa <11-20> crystal na direksyon) oblique cut substrate bilang template, isang high-purity single-crystal 4H-SiC epitaxial layer na walang mga impurities ay idineposito sa substrate sa anyo ng step-flow growth mode. Ang maagang 4H-SiC homoepitaxial growth ay gumamit ng positibong kristal na substrate, iyon ay, ang <0001> Si plane para sa paglaki. Ang density ng mga atomic na hakbang sa ibabaw ng positibong kristal na substrate ay mababa at ang mga terrace ay malawak. Ang two-dimensional na paglaki ng nucleation ay madaling mangyari sa panahon ng proseso ng epitaxy upang bumuo ng 3C crystal SiC (3C-SiC). Sa pamamagitan ng off-axis cutting, ang high-density, makitid na terrace na lapad ng mga atomic na hakbang ay maaaring ipakilala sa ibabaw ng 4H-SiC <0001> substrate, at ang adsorbed precursor ay maaaring epektibong maabot ang atomic step position na may medyo mababang surface energy sa pamamagitan ng surface diffusion . Sa hakbang, ang precursor atom/molecular group bonding position ay natatangi, kaya sa step flow growth mode, ang epitaxial layer ay maaaring perpektong magmana ng Si-C double atomic layer stacking sequence ng substrate upang bumuo ng isang kristal na may parehong kristal phase bilang substrate.
(2) Ang high-speed epitaxial growth ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapakilala ng chlorine-containing silicon source. Sa conventional SiC chemical vapor deposition system, silane at propane (o ethylene) ang pangunahing pinagmumulan ng paglago. Sa proseso ng pagtaas ng rate ng paglago sa pamamagitan ng pagtaas ng rate ng daloy ng pinagmulan ng paglago, habang patuloy na tumataas ang equilibrium na bahagyang presyon ng sangkap ng silikon, madaling bumuo ng mga kumpol ng silikon sa pamamagitan ng homogenous na gas phase nucleation, na makabuluhang binabawasan ang rate ng paggamit ng pinagmulan ng silikon. Ang pagbuo ng mga kumpol ng silikon ay lubos na naglilimita sa pagpapabuti ng epitaxial growth rate. Kasabay nito, ang mga kumpol ng silikon ay maaaring makagambala sa paglaki ng daloy ng hakbang at maging sanhi ng depektong nucleation. Upang maiwasan ang homogenous na gas phase nucleation at pataasin ang epitaxial growth rate, ang pagpapakilala ng chlorine-based na mga pinagmumulan ng silikon ay kasalukuyang pangunahing paraan upang mapataas ang epitaxial growth rate ng 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-inch) SiC epitaxial na kagamitan at mga kondisyon ng proseso
Ang mga eksperimento na inilarawan sa papel na ito ay isinagawa lahat sa isang 150/200 mm (6/8-pulgada) na katugmang monolithic horizontal hot wall SiC epitaxial equipment na independiyenteng binuo ng 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Sinusuportahan ng epitaxial furnace ang ganap na awtomatikong paglo-load at pagbabawas ng wafer. Ang Figure 1 ay isang schematic diagram ng panloob na istraktura ng reaction chamber ng epitaxial equipment. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1, ang panlabas na dingding ng reaction chamber ay isang quartz bell na may water-cooled interlayer, at ang loob ng bell ay isang high-temperature reaction chamber, na binubuo ng thermal insulation carbon felt, high-purity. espesyal na graphite cavity, graphite gas-floating rotating base, atbp. Ang buong quartz bell ay natatakpan ng cylindrical induction coil, at ang reaction chamber sa loob ng bell ay electromagnetically heated ng medium-frequency induction power supply. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1 (b), ang carrier gas, reaction gas, at doping gas ay dumadaloy lahat sa ibabaw ng wafer sa isang pahalang na laminar flow mula sa upstream ng reaction chamber hanggang sa downstream ng reaction chamber at pinalalabas mula sa buntot. dulo ng gas. Upang matiyak ang pagkakapare-pareho sa loob ng wafer, ang wafer na dala ng air floating base ay palaging pinaikot sa panahon ng proseso.
Ang substrate na ginamit sa eksperimento ay isang komersyal na 150 mm, 200 mm (6 pulgada, 8 pulgada) <1120> direksyon 4°off-angle conductive n-type 4H-SiC double-sided polished SiC substrate na ginawa ng Shanxi Shuoke Crystal. Ginagamit ang Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) at ethylene (C2H4) bilang pangunahing pinagmumulan ng paglago sa proseso ng eksperimento, kung saan ang TCS at C2H4 ay ginagamit bilang pinagmumulan ng silikon at pinagmumulan ng carbon ayon sa pagkakabanggit, ang high-purity nitrogen (N2) ay ginagamit bilang n- uri ng doping source, at hydrogen (H2) ay ginagamit bilang dilution gas at carrier gas. Ang hanay ng temperatura ng proseso ng epitaxial ay 1 600 ~ 1 660 ℃, ang presyon ng proseso ay 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, at ang rate ng daloy ng gas ng carrier ng H2 ay 100～140 L/min.
1.3 Pagsubok at paglalarawan ng epitaxial wafer
Fourier infrared spectrometer (tagagawa ng kagamitan na Thermalfisher, modelong iS50) at mercury probe concentration tester (manufacturer ng kagamitan na Semilab, modelo 530L) ay ginamit upang makilala ang ibig sabihin at pamamahagi ng kapal ng epitaxial layer at konsentrasyon ng doping; ang kapal at konsentrasyon ng doping ng bawat punto sa epitaxial layer ay natutukoy sa pamamagitan ng pagkuha ng mga puntos sa linya ng diameter na intersecting sa normal na linya ng pangunahing reference na gilid sa 45° sa gitna ng wafer na may 5 mm na pag-alis ng gilid. Para sa isang 150 mm wafer, 9 na puntos ang kinuha sa isang linya ng diameter (dalawang diameter ay patayo sa isa't isa), at para sa isang 200 mm na wafer, 21 puntos ang kinuha, tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Isang atomic force microscope (tagagawa ng kagamitan Ang Bruker, modelo ng Dimension Icon) ay ginamit upang pumili ng 30 μm × 30 μm na mga lugar sa gitnang lugar at ang gilid na lugar (5 mm na pag-alis ng gilid) ng epitaxial wafer upang subukan ang pagkamagaspang sa ibabaw ng epitaxial layer; ang mga depekto ng epitaxial layer ay sinusukat gamit ang surface defect tester (manufacturer ng kagamitan China Electronics Ang 3D imager ay nailalarawan sa pamamagitan ng radar sensor (modelo ng Mars 4410 pro) mula sa Kefenghua.
Oras ng post: Set-04-2024