В даний час промисловість SiC трансформується з 150 мм (6 дюймів) на 200 мм (8 дюймів). Щоб задовольнити нагальний попит на великогабаритні високоякісні гомоепітаксіальні пластини SiC у промисловості, 150 мм і 200 ммГомоепітаксіальні пластини 4H-SiCбули успішно отримані на вітчизняних підкладках з використанням незалежно розробленого обладнання для епітаксійного вирощування 200 мм SiC. Було розроблено гомоепітаксіальний процес, придатний для 150 мм і 200 мм, у якому швидкість епітаксіального росту може перевищувати 60 мкм/год. При виконанні високошвидкісної епітаксії якість епітаксійної пластини є відмінною. Рівномірність по товщині 150 мм і 200 ммЕпітаксіальні пластини SiCможна контролювати в межах 1,5%, рівномірність концентрації становить менше 3%, щільність фатальних дефектів становить менше 0,3 частинки/см2, а середнє квадратичне значення шорсткості епітаксіальної поверхні Ra менше 0,15 нм, а всі основні показники процесу знаходяться на рівні передовий рівень промисловості.
Карбід кремнію (SiC)є одним із представників напівпровідникових матеріалів третього покоління. Він має характеристики високої напруженості поля пробою, чудової теплопровідності, великої швидкості дрейфу насичення електронів і високої радіаційної стійкості. Він значно розширив потужність обробки енергії енергетичних пристроїв і може задовольнити вимоги до обслуговування наступного покоління силового електронного обладнання для пристроїв з великою потужністю, малими розмірами, високою температурою, високим випромінюванням та іншими екстремальними умовами. Це може зменшити простір, споживання електроенергії та потреби в охолодженні. Це принесло революційні зміни в нові енергетичні транспортні засоби, залізничний транспорт, розумні мережі та інші сфери. Таким чином, напівпровідники з карбіду кремнію визнані ідеальним матеріалом, який стане лідером наступного покоління потужних електронних пристроїв. В останні роки завдяки підтримці національної політики розвитку напівпровідникової промисловості третього покоління в Китаї в основному завершено дослідження, розробку та будівництво 150-міліметрової системи промисловості SiC, а безпека промислового ланцюга зросла. в основному гарантовано. Тому фокус галузі поступово перемістився на контроль витрат і підвищення ефективності. Як показано в таблиці 1, у порівнянні зі 150 мм, 200 мм SiC має більш високий коефіцієнт використання краю, і вихід однопластинчастих чіпів можна збільшити приблизно в 1,8 рази. Після розвитку технології вартість виробництва одного чіпа може бути знижена на 30%. Технологічний прорив на 200 мм є прямим засобом «зменшення витрат і підвищення ефективності», а також є ключем до того, щоб напівпровідникова промисловість моєї країни «працювала паралельно» або навіть «лідирувала».
На відміну від процесу пристрою Si,Силові напівпровідникові прилади SiCвсі оброблені та підготовлені з епітаксіальними шарами як наріжним каменем. Епітаксійні пластини є важливими основними матеріалами для силових пристроїв із SiC. Якість епітаксійного шару безпосередньо визначає продуктивність пристрою, а його вартість становить 20% від вартості виготовлення чіпа. Тому епітаксійне зростання є важливою проміжною ланкою в силових пристроях SiC. Верхня межа рівня епітаксійного процесу визначається епітаксійним обладнанням. В даний час ступінь локалізації 150-міліметрового епітаксійного обладнання SiC у Китаї є відносно високим, але загальний макет 200-міліметрового обладнання в той же час відстає від міжнародного рівня. Тому, щоб вирішити нагальні потреби та проблеми вузьких місць у виробництві великогабаритних високоякісних епітаксійних матеріалів для розвитку вітчизняної напівпровідникової промисловості третього покоління, у цій статті представлено 200-мм SiC епітаксійне обладнання, успішно розроблене в моїй країні, і вивчає епітаксійний процес. Завдяки оптимізації параметрів процесу, таких як температура процесу, швидкість потоку газу-носія, співвідношення C/Si тощо, однорідність концентрації <3%, нерівномірність товщини <1,5%, шорсткість Ra <0,2 нм і щільність фатальних дефектів <0,3 зерна /см2 150 мм і 200 мм SiC епітаксіальних пластин із незалежно розробленою 200 мм епітаксіальною карбід кремнію печі отримують. Рівень процесу обладнання може задовольнити потреби високоякісної підготовки силових пристроїв SiC.
1 Експеримент
1.1 ПринципSiC епітаксіальнийпроцес
Процес гомоепітаксіального вирощування 4H-SiC в основному включає 2 ключові етапи, а саме високотемпературне травлення на місці підкладки 4H-SiC і гомогенний процес хімічного осадження з парової фази. Основною метою травлення підкладки на місці є видалення підповерхневих пошкоджень підкладки після полірування пластини, залишків полірувальної рідини, частинок і оксидного шару, а регулярна атомна ступінчаста структура може бути сформована на поверхні підкладки шляхом травлення. Травлення на місці зазвичай виконується в атмосфері водню. Відповідно до фактичних вимог процесу також можна додати невелику кількість допоміжного газу, такого як хлористий водень, пропан, етилен або силан. Температура водневого травлення на місці зазвичай перевищує 1600 ℃, а тиск у реакційній камері зазвичай контролюється нижче 2×104 Па під час процесу травлення.
Після того, як поверхня підкладки активується травленням на місці, вона входить у процес високотемпературного хімічного осадження з парової фази, тобто джерело росту (наприклад, етилен/пропан, ТКС/силан), джерело легування (джерело легування n-типу азот , джерело легування p-типу TMAl), а допоміжний газ, такий як хлористий водень, транспортується до реакційної камери через великий потік газу-носія (зазвичай водень). Після того, як газ реагує у високотемпературній реакційній камері, частина прекурсора вступає в хімічну реакцію та адсорбується на поверхні пластини, і утворюється монокристалічний гомогенний епітаксійний шар 4H-SiC із певною концентрацією легування, специфічною товщиною та вищою якістю. на поверхні підкладки з використанням монокристалічної підкладки 4H-SiC як шаблону. Після років технічних досліджень гомоепітаксіальна технологія 4H-SiC в основному вдосконалилася і широко використовується в промисловому виробництві. Найпоширеніша гомоепітаксіальна технологія 4H-SiC у світі має дві типові характеристики:
(1) Використовуючи позаосьову (відносно площини кристала <0001> у напрямку кристала <11-20>) підкладку з косим зрізом як шаблон, високочистий монокристалічний епітаксійний шар 4H-SiC без домішок нанесені на підкладку у вигляді ступінчастого режиму росту. Ранній гомоепітаксіальний вирощування 4H-SiC використовував позитивну кристалічну підкладку, тобто площину <0001> Si для вирощування. Щільність атомних сходинок на поверхні позитивної кристалічної підкладки низька, а тераси широкі. Двовимірне зростання зародків легко відбувається під час процесу епітаксії з утворенням кристала 3C SiC (3C-SiC). За допомогою позаосьового різання на поверхні підкладки 4H-SiC <0001> можна ввести високощільні атомні сходинки з вузькою шириною тераси, і адсорбований попередник може ефективно досягати положення атомної сходинки з відносно низькою поверхневою енергією через поверхневу дифузію . На цьому етапі положення зв’язку атом-попередник/молекулярна група є унікальним, тому в режимі ступінчастого потоку епітаксійний шар може ідеально успадкувати послідовність укладання подвійного атомного шару Si-C підкладки, щоб утворити монокристал з тим самим кристалом фаза як субстрат.
(2) Високошвидкісний епітаксійний ріст досягається введенням джерела кремнію, що містить хлор. У звичайних системах хімічного осадження SiC силан і пропан (або етилен) є основними джерелами зростання. У процесі збільшення швидкості росту за рахунок збільшення швидкості потоку джерела росту, оскільки рівноважний парціальний тиск кремнієвого компонента продовжує зростати, легко утворювати кремнієві кластери шляхом гомогенного зародження газової фази, що значно знижує коефіцієнт використання джерело кремнію. Утворення кремнієвих кластерів значно обмежує покращення швидкості епітаксійного росту. У той же час кремнієві кластери можуть заважати зростанню ступінчастого потоку і викликати зародження дефектів. Щоб уникнути гомогенного зародження газової фази та збільшити швидкість епітаксійного росту, впровадження джерел кремнію на основі хлору в даний час є основним методом збільшення швидкості епітаксійного росту 4H-SiC.
1.2 200 мм (8 дюймів) SiC епітаксійне обладнання та умови процесу
Експерименти, описані в цій статті, проводилися на сумісному монолітному епітаксіальному обладнанні SiC з горизонтальною гарячою стінкою 150/200 мм (6/8 дюймів), незалежно розробленому 48-м Інститутом китайської корпорації Electronics Technology Group Corporation. Епітаксіальна піч підтримує повністю автоматичне завантаження та вивантаження пластин. На малюнку 1 представлена принципова схема внутрішньої структури реакційної камери епітаксіального обладнання. Як показано на малюнку 1, зовнішня стінка реакційної камери являє собою кварцовий дзвоник із прошарком, що охолоджується водою, а всередині дзвоника є високотемпературна реакційна камера, яка складається з теплоізоляційного вуглецевого повсті високої чистоти. спеціальна графітова порожнина, графітова газова плаваюча обертова основа тощо. Весь кварцовий дзвінок покритий циліндричною індукційною котушкою, і реакційна камера всередині дзвона електромагнітно нагрівається індукційним джерелом живлення середньої частоти. Як показано на малюнку 1 (b), газ-носій, реакційний газ і легуючий газ протікають через поверхню пластини горизонтальним ламінарним потоком від верхньої частини реакційної камери до нижньої за потоком реакційної камери та виводяться з хвоста. газовий кінець. Щоб забезпечити консистенцію всередині пластини, пластина, що переноситься повітряною плаваючою основою, завжди обертається під час процесу.
Підкладка, використана в експерименті, є комерційною двосторонньою полірованою 4H-SiC підкладкою 150 мм, 200 мм (6 дюймів, 8 дюймів) <1120> у напрямку 4° зі змінним кутом провідності n-типу 4H-SiC виробництва Shanxi Shuoke Crystal. Трихлорсилан (SiHCl3, TCS) і етилен (C2H4) використовуються як основні джерела росту в експерименті процесу, серед яких TCS і C2H4 використовуються як джерело кремнію та джерело вуглецю відповідно, азот високої чистоти (N2) використовується як n- типу джерела легування, а водень (H2) використовується як розріджувальний газ і газ-носій. Діапазон температур епітаксійного процесу становить 1600 ~ 1660 ℃, тиск процесу становить 8×103 ~12×103 Па, а швидкість потоку газу-носія H2 становить 100～140 л/хв.
1.3 Тестування та характеристика епітаксійної пластини
Інфрачервоний спектрометр Фур’є (виробник обладнання Thermalfisher, модель iS50) і вимірювач концентрації ртутного зонда (виробник обладнання Semilab, модель 530L) використовувалися для визначення середнього значення та розподілу товщини епітаксійного шару та концентрації легуючої речовини; товщину та концентрацію допування кожної точки в епітаксіальному шарі визначали, беручи точки вздовж лінії діаметра, що перетинає нормальну лінію головного опорного краю під кутом 45° у центрі пластини з видаленням краю 5 мм. Для пластини діаметром 150 мм було взято 9 точок уздовж однієї лінії діаметра (два діаметри були перпендикулярні один одному), а для пластини діаметром 200 мм було взято 21 точку, як показано на малюнку 2. Атомно-силовий мікроскоп (виробник обладнання) Bruker, модель Dimension Icon) використовувався для вибору ділянок 30 мкм × 30 мкм у центральній зоні та крайовій зоні (видалення краю 5 мм) епітаксіальна пластина для перевірки шорсткості поверхні епітаксійного шару; дефекти епітаксійного шару були виміряні за допомогою тестера поверхневих дефектів (виробник обладнання China Electronics. 3D-візор був охарактеризований радарним датчиком (модель Mars 4410 pro) від Kefenghua.
Час публікації: 04 вересня 2024 р