Şu anda SiC endüstrisi 150 mm'den (6 inç) 200 mm'ye (8 inç) dönüşüyor. Sektördeki büyük boyutlu, yüksek kaliteli SiC homoepitaksiyel levhalara yönelik acil talebi karşılamak amacıyla, 150mm ve 200mm4H-SiC homoepitaksiyel levhalarbağımsız olarak geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel büyütme ekipmanı kullanılarak evsel substratlar üzerinde başarıyla hazırlandı. 150 mm ve 200 mm'ye uygun bir homoepitaksiyal işlem geliştirildi; burada epitaksiyel büyüme hızı 60um/saat'ten daha büyük olabilir. Yüksek hızlı epitaksiyi karşılarken, epitaksiyel levha kalitesi mükemmeldir. 150 mm ve 200 mm kalınlık bütünlüğüSiC epitaksiyel gofretler%1,5 dahilinde kontrol edilebilir, konsantrasyon tekdüzeliği %3'ten azdır, ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 parçacık/cm2'den azdır ve epitaksiyel yüzey pürüzlülüğü kök ortalama kare Ra Ra 0,15 nm'den azdır ve tüm temel süreç göstergeleri Sektörün ileri seviyesi.
Silisyum Karbür (SiC)üçüncü nesil yarı iletken malzemelerin temsilcilerinden biridir. Yüksek kırılma alanı kuvveti, mükemmel termal iletkenlik, büyük elektron doygunluğu sürüklenme hızı ve güçlü radyasyon direnci özelliklerine sahiptir. Güç cihazlarının enerji işleme kapasitesini büyük ölçüde genişletti ve yüksek güçlü, küçük boyutlu, yüksek sıcaklıklı, yüksek radyasyonlu ve diğer aşırı koşullara sahip cihazlar için yeni nesil güç elektroniği ekipmanlarının servis gereksinimlerini karşılayabilir. Alanı azaltabilir, güç tüketimini azaltabilir ve soğutma gereksinimlerini azaltabilir. Yeni enerji araçlarına, demiryolu taşımacılığına, akıllı şebekelere ve diğer alanlara devrim niteliğinde değişiklikler getirdi. Bu nedenle silisyum karbür yarı iletkenler, yeni nesil yüksek güçlü elektronik cihazlara öncülük edecek ideal malzeme olarak kabul edildi. Son yıllarda, üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin geliştirilmesine yönelik ulusal politika desteği sayesinde, 150 mm SiC cihaz endüstrisi sisteminin araştırma, geliştirme ve inşası temel olarak Çin'de tamamlandı ve endüstriyel zincirin güvenliği sağlandı. temelde garanti edilmiştir. Bu nedenle sektörün odak noktası giderek maliyet kontrolü ve verimliliğin artırılmasına kaydı. Tablo 1'de gösterildiği gibi, 150 mm ile karşılaştırıldığında 200 mm SiC daha yüksek kenar kullanım oranına sahiptir ve tekli levha yongalarının çıkışı yaklaşık 1,8 kat artırılabilir. Teknoloji olgunlaştıktan sonra tek bir çipin üretim maliyeti %30 oranında azaltılabiliyor. 200 mm'lik teknolojik atılım doğrudan "maliyetleri azaltmanın ve verimliliği artırmanın" bir yoludur ve aynı zamanda ülkemin yarı iletken endüstrisinin "paralel ilerlemesi" ve hatta "öncülük" yapmasının da anahtarıdır.
Si cihazı işleminden farklı olarak,SiC yarı iletken güç cihazlarıhepsi temel taşı olarak epitaksiyel katmanlarla işlenir ve hazırlanır. Epitaksiyel levhalar SiC güç cihazları için temel temel malzemelerdir. Epitaksiyel katmanın kalitesi cihazın verimini doğrudan belirler ve maliyeti, çip üretim maliyetinin %20'sini oluşturur. Bu nedenle epitaksiyel büyüme, SiC güç cihazlarında önemli bir ara bağlantıdır. Epitaksiyel işlem seviyesinin üst sınırı epitaksiyel ekipman tarafından belirlenir. Şu anda, Çin'deki 150 mm SiC epitaksiyel ekipmanın yerelleştirme derecesi nispeten yüksektir, ancak 200 mm'lik genel düzen aynı zamanda uluslararası seviyenin gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle, yerli üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin geliştirilmesi için büyük boyutlu, yüksek kaliteli epitaksiyel malzeme imalatının acil ihtiyaçlarını ve darboğaz sorunlarını çözmek amacıyla, bu makale ülkemde başarıyla geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel ekipmanını tanıtmaktadır. ve epitaksiyel süreci inceliyor. Proses sıcaklığı, taşıyıcı gaz akış hızı, C/Si oranı vb. proses parametrelerini optimize ederek konsantrasyon homojenliği <%3, kalınlık düzensizliği <%1,5, pürüzlülük Ra <0,2 nm ve ölümcül kusur yoğunluğu <0,3 tane Bağımsız olarak geliştirilen 200 mm silisyum karbür epitaksiyel fırın ile 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhalardan /cm2 elde edilmiştir. Ekipman proses seviyesi, yüksek kaliteli SiC güç cihazı hazırlığının ihtiyaçlarını karşılayabilir.
1 Deney
1.1 PrensibiSiC epitaksiyelişlem
4H-SiC homoepitaksiyel büyüme süreci temel olarak 2 temel adımı içerir: 4H-SiC substratının yüksek sıcaklıkta yerinde aşındırılması ve homojen kimyasal buhar biriktirme işlemi. Alt tabakanın yerinde aşındırılmasının temel amacı, levha cilalamadan sonra alt tabakanın yüzey altı hasarını, artık parlatma sıvısını, parçacıkları ve oksit tabakasını ortadan kaldırmaktır ve aşındırma yoluyla alt tabaka yüzeyinde düzenli bir atomik adım yapısı oluşturulabilir. Yerinde aşındırma genellikle hidrojen atmosferinde gerçekleştirilir. Gerçek proses gereksinimlerine göre hidrojen klorür, propan, etilen veya silan gibi az miktarda yardımcı gaz da eklenebilir. Yerinde hidrojenle aşındırmanın sıcaklığı genellikle 1 600 ° C'nin üzerindedir ve aşındırma işlemi sırasında reaksiyon odasının basıncı genellikle 2x104 Pa'nın altında kontrol edilir.
Substrat yüzeyi yerinde aşındırma ile aktive edildikten sonra, yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme işlemine girer, yani büyüme kaynağı (etilen/propan, TCS/silan gibi), doping kaynağı (n-tipi doping kaynağı nitrojen) , p tipi doping kaynağı TMAl) ve hidrojen klorür gibi yardımcı gaz, büyük bir taşıyıcı gaz (genellikle hidrojen) akışı yoluyla reaksiyon odasına taşınır. Gaz, yüksek sıcaklık reaksiyon odasında reaksiyona girdikten sonra, öncü maddenin bir kısmı kimyasal olarak reaksiyona girer ve levha yüzeyinde adsorbe edilir ve belirli bir katkı konsantrasyonuna, spesifik kalınlığa ve daha yüksek kaliteye sahip tek kristalli homojen bir 4H-SiC epitaksiyel katman oluşturulur. şablon olarak tek kristal 4H-SiC substratı kullanılarak substrat yüzeyinde. Yıllar süren teknik araştırmaların ardından 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisi temel olarak olgunlaştı ve endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanıldı. Dünyada en yaygın olarak kullanılan 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisinin iki tipik özelliği vardır:
(1) Bir şablon olarak eksen dışı (<0001> kristal düzlemine göre, <11-20> kristal yönüne doğru) eğik kesim substratı kullanılarak, safsızlık içermeyen yüksek saflıkta tek kristalli 4H-SiC epitaksiyel katman oluşturulur. adım-akış büyüme modu şeklinde substrat üzerinde biriktirilir. Erken 4H-SiC homoepitaksiyal büyüme, pozitif bir kristal substratı, yani büyüme için <0001> Si düzlemini kullandı. Pozitif kristal substratın yüzeyindeki atomik basamakların yoğunluğu düşük ve teraslar geniştir. 3C kristal SiC (3C-SiC) oluşturmak için epitaksi işlemi sırasında iki boyutlu çekirdeklenme büyümesinin meydana gelmesi kolaydır. Eksen dışı kesme yoluyla, 4H-SiC <0001> substratının yüzeyine yüksek yoğunluklu, dar teras genişlikli atom adımları eklenebilir ve adsorbe edilen öncü, yüzey difüzyonu yoluyla nispeten düşük yüzey enerjisiyle atomik adım konumuna etkili bir şekilde ulaşabilir. . Adımda, öncü atom/moleküler grup bağlanma konumu benzersizdir, dolayısıyla adım akış büyüme modunda, epitaksiyel katman, aynı kristalle tek bir kristal oluşturmak için substratın Si-C çift atomik katman istifleme dizisini mükemmel bir şekilde miras alabilir. Substrat olarak faz.
(2) Yüksek hızlı epitaksiyel büyüme, klor içeren bir silikon kaynağının eklenmesiyle elde edilir. Geleneksel SiC kimyasal buhar biriktirme sistemlerinde silan ve propan (veya etilen) ana büyüme kaynaklarıdır. Büyüme kaynağı akış hızını artırarak büyüme oranını arttırma sürecinde, silikon bileşeninin denge kısmi basıncı artmaya devam ettikçe, homojen gaz fazı çekirdeklenmesiyle silikon kümeleri oluşturmak kolaydır; bu da silikonun kullanım oranını önemli ölçüde azaltır. silikon kaynağı. Silikon kümelerinin oluşumu, epitaksiyel büyüme hızının iyileşmesini büyük ölçüde sınırlar. Aynı zamanda silikon kümeleri adım akış büyümesini bozabilir ve kusurlu çekirdeklenmeye neden olabilir. Homojen gaz fazı çekirdeklenmesini önlemek ve epitaksiyel büyüme oranını arttırmak için, klor bazlı silikon kaynaklarının eklenmesi şu anda 4H-SiC'nin epitaksiyel büyüme oranını arttırmaya yönelik ana yöntemdir.
1,2 200 mm (8 inç) SiC epitaksiyel ekipman ve proses koşulları
Bu yazıda açıklanan deneylerin tümü, 48. Çin Elektronik Teknolojisi Grup Şirketi Enstitüsü tarafından bağımsız olarak geliştirilen 150/200 mm (6/8 inç) uyumlu monolitik yatay sıcak duvarlı SiC epitaksiyel ekipmanı üzerinde gerçekleştirildi. Epitaksiyel fırın, tam otomatik levha yükleme ve boşaltmayı destekler. Şekil 1, epitaksiyel ekipmanın reaksiyon odasının iç yapısının şematik bir diyagramıdır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, reaksiyon odasının dış duvarı, su soğutmalı bir ara katmana sahip bir kuvars çandır ve çanın iç kısmı, yüksek saflıkta ısı yalıtımlı karbon keçeden oluşan yüksek sıcaklıkta bir reaksiyon odasıdır. özel grafit boşluğu, grafit gazla yüzen döner taban vb. Kuvars çanının tamamı silindirik bir endüksiyon bobini ile kaplanmıştır ve çan içindeki reaksiyon odası, orta frekanslı bir indüksiyon güç kaynağı tarafından elektromanyetik olarak ısıtılır. Şekil 1(b)'de gösterildiği gibi, taşıyıcı gaz, reaksiyon gazı ve doping gazının tümü, reaksiyon odasının yukarı akışından reaksiyon odasının alt akışına doğru yatay bir laminer akışla levha yüzeyi boyunca akar ve kuyruktan boşaltılır. gaz sonu. Gofret içindeki kıvamın sağlanması için, havayla yüzen tabanın taşıdığı gofret, işlem sırasında daima döndürülür.
Deneyde kullanılan substrat, Shanxi Shuoke Crystal tarafından üretilen ticari bir 150 mm, 200 mm (6 inç, 8 inç) <1120> yönlü 4° açılı iletken n tipi 4H-SiC çift taraflı cilalı SiC substrattır. Proses deneyinde ana büyüme kaynakları olarak triklorosilan (SiHCl3, TCS) ve etilen (C2H4), silikon kaynağı olarak TCS ve karbon kaynağı olarak sırasıyla TCS ve C2H4, n- olarak ise yüksek saflıkta nitrojen (N2) kullanıldı. tipi doping kaynağı olup, seyreltme gazı ve taşıyıcı gaz olarak hidrojen (H2) kullanılmaktadır. Epitaksiyel prosesin sıcaklık aralığı 1 600 ~1 660 °C, proses basıncı 8×103 ~12×103 Pa ve H2 taşıyıcı gaz akış hızı 100～140 L/dak'dır.
1.3 Epitaksiyel levha testi ve karakterizasyonu
Fourier kızılötesi spektrometre (ekipman üreticisi Thermalfisher, model iS50) ve cıva probu konsantrasyon test cihazı (ekipman üreticisi Semilab, model 530L), epitaksiyel katman kalınlığının ve katkı konsantrasyonunun ortalamasını ve dağılımını karakterize etmek için kullanıldı; epitaksiyel katmandaki her noktanın kalınlığı ve katkı konsantrasyonu, levhanın merkezinde 45°'de ana referans kenarının normal çizgisiyle kesişen çap çizgisi boyunca 5 mm kenar çıkarmayla noktalar alınarak belirlendi. Şekil 2'de gösterildiği gibi, 150 mm'lik bir levha için tek çaplı bir çizgi boyunca (iki çap birbirine dik) 9 nokta, 200 mm'lik bir levha için 21 nokta alınmıştır. Bir atomik kuvvet mikroskobu (ekipman üreticisi) Bruker, model Dimension Icon), epitaksiyel katmanın yüzey pürüzlülüğünü test etmek için epitaksiyel levhanın merkez alanında ve kenar alanında (5 mm kenar çıkarma) 30 μmx30 μm'lik alanları seçmek için kullanıldı; epitaksiyel tabakanın kusurları, bir yüzey kusur test cihazı (ekipman üreticisi China Electronics) kullanılarak ölçüldü. 3D görüntüleyici, Kefenghua'dan bir radar sensörü (model Mars 4410 pro) ile karakterize edildi.
Gönderim zamanı: Eylül-04-2024