በ8-ኢንች SiC ኤፒታክሲያል እቶን እና ሆሞፒታክሲያል ሂደት ላይ የተደረገ ጥናት-Ⅰ

በአሁኑ ጊዜ የሲሲ ኢንዱስትሪ ከ150 ሚሜ (6 ኢንች) ወደ 200 ሚሜ (8 ኢንች) እየተሸጋገረ ነው። በኢንዱስትሪው ውስጥ 150 ሚሜ እና 200 ሚሜ ለሆኑ ትላልቅ መጠን ያላቸው እና ከፍተኛ ጥራት ላላቸው የሲሲ ሆሞኢፒታክሲያል ዋፈርዎች አስቸኳይ ፍላጎትን ለማሟላት።4H-SiC ሆሞኤፒታክሲያል ዋፈርስበቤት ውስጥ ባሉ ንጣፎች ላይ በተናጥል በተዘጋጁት 200ሚሜ SiC ኤፒታክሲያል የእድገት መሳሪያዎች በተሳካ ሁኔታ ተዘጋጅተዋል። ለ150ሚሜ እና ለ200ሚሜ ተስማሚ የሆነ የሆሞፒታክሲያል ሂደት ተዘጋጅቷል፣ በዚህ ውስጥ የኤፒታክሲያል የእድገት መጠን ከ60um/h በላይ ሊሆን ይችላል። ከፍተኛ ፍጥነት ያለው ኤፒታክሲን ሲያሟላ፣ የኤፒታክሲያል ዋፈር ጥራት በጣም ጥሩ ነው። የ150ሚሜ እና የ200ሚሜ ውፍረት ወጥነትየሲሲ ኤፒታክሲያል ዋፈሮችበ1.5% ውስጥ ቁጥጥር ሊደረግበት ይችላል፣ የትኩረት ወጥነት ከ3% ያነሰ፣ ገዳይ የሆነው የጉድለት ጥግግት ከ0.3 ቅንጣቶች/ሴሜ2 ያነሰ ነው፣ እና የኤፒታክሲያል ወለል ሻካራነት ሥሩ አማካኝ ካሬ ራ ከ0.15nm ያነሰ ነው፣ እና ሁሉም የኮር ሂደት አመልካቾች በኢንዱስትሪው የላቀ ደረጃ ላይ ይገኛሉ።

ሲሊከን ካርቦይድ (ሲሲ)የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ተወካዮች አንዱ ነው። ከፍተኛ የመበላሸት መስክ ጥንካሬ፣ እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት አማቂነት፣ ትልቅ የኤሌክትሮን ሙሌት የመንሸራተቻ ፍጥነት እና ጠንካራ የጨረር መቋቋም ባህሪያት አሉት። የኃይል መሳሪያዎችን የኃይል ማቀነባበሪያ አቅም በእጅጉ አስፍቷል እና ከፍተኛ ኃይል፣ አነስተኛ መጠን፣ ከፍተኛ ሙቀት፣ ከፍተኛ ጨረር እና ሌሎች ከባድ ሁኔታዎች ላሏቸው መሳሪያዎች የሚቀጥለው ትውልድ የኃይል ኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎች የአገልግሎት መስፈርቶችን ማሟላት ይችላል። ቦታን ሊቀንስ፣ የኃይል ፍጆታን ሊቀንስ እና የማቀዝቀዣ መስፈርቶችን ሊቀንስ ይችላል። ለአዳዲስ የኃይል ተሽከርካሪዎች፣ ለባቡር ትራንስፖርት፣ ለስማርት ግሪዶች እና ለሌሎች መስኮች አብዮታዊ ለውጦችን አምጥቷል። ስለዚህ የሲሊኮን ካርቦይድ ሴሚኮንዳክተሮች ቀጣዩን ከፍተኛ ኃይል ያላቸው የኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎችን ትውልድ የሚመሩ ተስማሚ ቁሳቁስ እንደሆኑ ተደርገው ይታወቃሉ። በቅርብ ዓመታት ውስጥ፣ ለሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ልማት በብሔራዊ የፖሊሲ ድጋፍ ምክንያት፣ የ150 ሚሜ ሲሲ መሳሪያ ኢንዱስትሪ ስርዓት ምርምር እና ልማት እና ግንባታ በመሠረቱ በቻይና ተጠናቅቋል፣ እና የኢንዱስትሪ ሰንሰለቱ ደህንነት በመሠረቱ ተረጋግጧል። ስለዚህ የኢንዱስትሪው ትኩረት ቀስ በቀስ ወደ የወጪ ቁጥጥር እና የቅልጥፍና ማሻሻያ ተሸጋግሯል። በሰንጠረዥ 1 ላይ እንደሚታየው፣ ከ150 ሚሜ ጋር ሲነጻጸር፣ 200 ሚሜ SiC ከፍተኛ የጠርዝ አጠቃቀም መጠን አለው፣ እና የነጠላ ዋፈር ቺፖች ውጤት በ1.8 እጥፍ ሊጨምር ይችላል። ቴክኖሎጂው ከደረሰ በኋላ የአንድ ቺፕ የማምረት ወጪ በ30% ሊቀንስ ይችላል። የ200 ሚሜ የቴክኖሎጂ ግኝት "ወጪዎችን ለመቀነስ እና ቅልጥፍናን ለመጨመር" ቀጥተኛ መንገድ ነው፣ እና የአገሬ ሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ "በትይዩ እንዲሄድ" ወይም "ሊድ" እንኳን ቁልፍ ነው።

ከሲ መሳሪያ ሂደት የተለየ፣የሲሲ ሴሚኮንዳክተር የኃይል መሳሪያዎችሁሉም በኤፒታክሲያል ንብርብሮች እንደ ማዕዘኑ ሆነው ይዘጋጃሉ። ኤፒታክሲያል ዋፈሮች ለሲሲ የኃይል መሳሪያዎች አስፈላጊ መሠረታዊ ቁሳቁሶች ናቸው። የኤፒታክሲያል ንብርብር ጥራት የመሳሪያውን ምርት በቀጥታ የሚወስነው ሲሆን ወጪውም የቺፕ ማምረቻ ወጪን 20% ይሸፍናል። ስለዚህ፣ የኤፒታክሲያል እድገት በሲሲ የኃይል መሳሪያዎች ውስጥ አስፈላጊ መካከለኛ አገናኝ ነው። የኤፒታክሲያል ሂደት ደረጃ የላይኛው ገደብ የሚወሰነው በኤፒታክሲያል መሳሪያዎች ነው። በአሁኑ ጊዜ በቻይና ውስጥ የ150ሚሜ SiC ኤፒታክሲያል መሳሪያዎች የአካባቢያዊነት ደረጃ በአንጻራዊ ሁኔታ ከፍተኛ ነው፣ ነገር ግን የ200ሚሜ አጠቃላይ አቀማመጥ በተመሳሳይ ጊዜ ከዓለም አቀፍ ደረጃ ወደኋላ ቀርቷል። ስለዚህ፣ ለሀገር ውስጥ የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ልማት ትልቅ መጠን ያላቸው፣ ከፍተኛ ጥራት ያላቸው ኤፒታክሲያል ቁሶች ማምረቻ አስቸኳይ ፍላጎቶችን እና የማገጃ ችግሮችን ለመፍታት፣ ይህ ጽሑፍ በአገሬ ውስጥ በተሳካ ሁኔታ የተገነቡትን 200ሚሜ SiC ኤፒታክሲያል መሳሪያዎችን ያስተዋውቃል፣ እና የኤፒታክሲያል ሂደቱን ያጠናል። እንደ የሂደት ሙቀት፣ የተሸካሚ ​​ጋዝ ፍሰት መጠን፣ የC/Si ጥምርታ፣ ወዘተ ያሉ የሂደት መለኪያዎችን በማመቻቸት፣ የማጎሪያው ወጥነት <3%፣ ውፍረት አለመመጣጠን <1.5%፣ ሸካራነት Ra <0.2 nm እና ገዳይ የሆነ የጉድለት ጥግግት <0.3 እህሎች/ሴሜ2 የ150 ሚሜ እና 200 ሚሜ SiC ኤፒታክሲያል ዋፈሮች በራሳቸው የተገነቡ 200 ሚሜ ሲሊከን ካርቦይድ ኤፒታክሲያል እቶን ያገኛሉ። የመሳሪያው ሂደት ደረጃ ከፍተኛ ጥራት ያለው SiC የኃይል መሣሪያ ዝግጅት ፍላጎቶችን ሊያሟላ ይችላል።

 

1 ሙከራ

 

1.1 የሲሲ ኤፒታክሲያልሂደት

የ4H-SiC ሆሞኤፒታክሲያል የእድገት ሂደት በዋናነት 2 ቁልፍ ደረጃዎችን ያካትታል፣ እነሱም የ4H-SiC ንጣፍ ከፍተኛ ሙቀት ያለው በቦታው ውስጥ መቅዳት እና ተመሳሳይ የሆነ የኬሚካል ትነት ክምችት ሂደት። የንጣፍ ውስጥ መቅዳት ዋና ዓላማ የንጣፍ ውስጥ መቅዳት ከዋፈር ማጥራት፣ የተረፈ የማጥራት ፈሳሽ፣ ቅንጣቶች እና የኦክሳይድ ንብርብር በኋላ የንጣፍ ውስጥ ያለውን የከርሰ ምድር ጉዳት ማስወገድ ሲሆን በንጣፍ ላይ መደበኛ የአቶሚክ ደረጃ መዋቅር በንጣፍ ላይ በመቅዳት ሊፈጠር ይችላል። በንጣፍ ውስጥ መቅዳት ብዙውን ጊዜ በሃይድሮጂን ከባቢ አየር ውስጥ ይከናወናል። እንደ ትክክለኛው የሂደት መስፈርቶች፣ እንደ ሃይድሮጂን ክሎራይድ፣ ፕሮፔን፣ ኤቲሊን ወይም ሲላን ያሉ አነስተኛ መጠን ያለው ረዳት ጋዝ ሊጨመር ይችላል። በንጣፍ ውስጥ የሚገኘው የሃይድሮጂን መቅዳት የሙቀት መጠን በአጠቃላይ ከ1 600 ℃ በላይ ነው፣ እና በምላሽ ክፍሉ ውስጥ ያለው ግፊት በአጠቃላይ ከ2×104 Pa በታች ቁጥጥር ይደረግበታል።

የንጥረ ነገሩ ወለል በውስጠ-ቦታ ኢቺንግ ከተነቃ በኋላ፣ ወደ ከፍተኛ ሙቀት ያለው የኬሚካል ትነት ክምችት ሂደት ይገባል፣ ማለትም የእድገት ምንጭ (እንደ ኤቲሊን/ፕሮፔን፣ TCS/silane)፣ የዶፒንግ ምንጭ (n-type doping ምንጭ ናይትሮጅን፣ p-type doping ምንጭ TML)፣ እና እንደ ሃይድሮጂን ክሎራይድ ያሉ ረዳት ጋዝ ወደ ምላሽ ክፍሉ በትልቅ ተሸካሚ ጋዝ (ብዙውን ጊዜ ሃይድሮጂን) ፍሰት በኩል ይጓጓዛሉ። ጋዙ በከፍተኛ ሙቀት ምላሽ ክፍል ውስጥ ምላሽ ከሰጠ በኋላ፣ የቀዳሚው ክፍል በኬሚካላዊ መልኩ ምላሽ ይሰጣል እና በዋፈር ወለል ላይ ይሳባል፣ እና የተወሰነ የዶፒንግ ክምችት፣ የተወሰነ ውፍረት እና ከፍተኛ ጥራት ያለው ነጠላ-ክሪስታል ተመሳሳይነት ያለው 4H-SiC ኤፒታክሲያል ንብርብር በንጥረ ነገሩ ወለል ላይ እንደ አብነት ነጠላ-ክሪስታል 4H-SiC substrate ይፈጠራል። ለዓመታት የቴክኒክ ፍለጋ ከተደረገ በኋላ፣ የ4H-SiC ሆሞኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ በመሠረቱ የበሰለ እና በኢንዱስትሪ ምርት ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ ውሏል። በዓለም ላይ በስፋት ጥቅም ላይ የዋለው 4H-SiC ሆሞኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ ሁለት የተለመዱ ባህሪያት አሉት፡
(1) እንደ አብነት፣ ከዘንግ ውጪ (ከ<0001> ክሪስታል ፕላን አንጻር፣ ወደ <11-20> ክሪስታል አቅጣጫ) ገደድ የተቆረጠ ንጣፍን በመጠቀም፣ ከፍተኛ ንፁህ የሆነ ነጠላ ክሪስታል 4H-SiC ኤፒታክሲያል ንብርብር ያለ ቆሻሻዎች በንጥረ ነገሩ ላይ በደረጃ-ፍሰት የእድገት ሁነታ መልክ ይቀመጣል። ቀደምት የ4H-SiC ሆሞኤፒታክሲያል እድገት አወንታዊ ክሪስታል ፕላን ማለትም ለዕድገት <0001> Si ፕላን ተጠቅሟል። በአዎንታዊ ክሪስታል ፕላን ወለል ላይ የአቶሚክ ደረጃዎች ጥግግት ዝቅተኛ ሲሆን እርከኖቹም ሰፊ ናቸው። ባለ ሁለት ገጽታ ኒውክሊየሽን እድገት በኤፒታክሲ ሂደት ወቅት 3C ክሪስታል SiC (3C-SiC) ለመፍጠር ቀላል ነው። ከዘንግ ውጭ በመቁረጥ፣ ከፍተኛ ጥግግት፣ ጠባብ የእርከን ስፋት የአቶሚክ ደረጃዎች በ4H-SiC <0001> ፕላስ ወለል ላይ ሊገቡ ይችላሉ፣ እና የተዋሃደው ቅድመ ሁኔታ በአንፃራዊነት ዝቅተኛ የገጽታ ኃይል በአቶሚክ ደረጃ ቦታ ላይ በገጽታ ስርጭት በኩል ውጤታማ በሆነ መንገድ መድረስ ይችላል። በደረጃው ላይ፣ የቀዳሚው አቶም/ሞለኪውላር ቡድን ትስስር አቀማመጥ ልዩ ነው፣ ስለዚህ በደረጃ ፍሰት እድገት ሁነታ፣ የኤፒታክሲያል ንብርብር የንዑስ ክፍሉን Si-C ድርብ አቶሚክ ንብርብር የመደርደሪያ ቅደም ተከተል በትክክል በመውረስ ከንዑስ ክፍሉ ጋር ተመሳሳይ የክሪስታል ደረጃ ያለው አንድ ክሪስታል ይፈጥራል።
(2) ከፍተኛ ፍጥነት ያለው የኤፒታክሲያል እድገት የሚገኘው ክሎሪን የያዘ የሲሊኮን ምንጭ በማስተዋወቅ ነው። በተለመደው የሲሲ ኬሚካል ትነት ማስቀመጫ ስርዓቶች ውስጥ ሲላን እና ፕሮፔን (ወይም ኤቲሊን) ዋና ዋና የእድገት ምንጮች ናቸው። የእድገት ምንጭ ፍሰት መጠንን በመጨመር የእድገት መጠንን በመጨመር ሂደት ውስጥ፣ የሲሊኮን ክፍል ሚዛናዊ ከፊል ግፊት እየጨመረ ሲሄድ፣ ተመሳሳይ በሆነ የጋዝ ደረጃ ኒውክሊየሽን የሲሊኮን ክላስተሮችን መፍጠር ቀላል ነው፣ ይህም የሲሊኮን ምንጭ የአጠቃቀም መጠን በእጅጉ ይቀንሳል። የሲሊኮን ክላስተሮች መፈጠር የኤፒታክሲያል የእድገት መጠን መሻሻልን በእጅጉ ይገድባል። በተመሳሳይ ጊዜ፣ የሲሊኮን ክላስተሮች የእርምጃ ፍሰት እድገትን ሊያስተጓጉሉ እና የጉድለት ኒውክሊየሽን ሊያስከትሉ ይችላሉ። ተመሳሳይ በሆነ የጋዝ ደረጃ ኒውክሊየሽን ለማስወገድ እና የኤፒታክሲያል የእድገት መጠንን ለመጨመር፣ በክሎሪን ላይ የተመሰረቱ የሲሊኮን ምንጮችን ማስተዋወቅ በአሁኑ ጊዜ የ4H-SiC የኤፒታክሲያል የእድገት መጠንን ለመጨመር ዋናው ዘዴ ነው።

 

1.2 200 ሚሜ (8 ኢንች) የሲሲ ኤፒታክሲያል መሳሪያዎች እና የሂደት ሁኔታዎች

በዚህ ጽሑፍ ውስጥ የተገለጹት ሙከራዎች በሙሉ የተከናወኑት በ48ኛው የቻይና ኤሌክትሮኒክስ ቴክኖሎጂ ግሩፕ ኮርፖሬሽን በተናጠል በተገነባው 150/200 ሚሜ (6/8 ኢንች) ተስማሚ በሆነ ሞኖሊቲክ አግድም ሆት ግድግዳ SiC ኤፒታክሲያል መሳሪያዎች ላይ ነው። ኤፒታክሲያል እቶን ሙሉ በሙሉ አውቶማቲክ የሆነ የዋፈር ጭነት እና ማራገፍን ይደግፋል። ምስል 1 የኤፒታክሲያል መሳሪያዎች የምላሽ ክፍል ውስጣዊ መዋቅር ንድፍ ነው። በስእል 1 ላይ እንደሚታየው የምላሽ ክፍሉ ውጫዊ ግድግዳ በውሃ የቀዘቀዘ መካከለኛ ሽፋን ያለው የኳርትዝ ደወል ሲሆን የደወሉ ውስጠኛ ክፍል ደግሞ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያለው የምላሽ ክፍል ሲሆን ይህም የሙቀት መከላከያ ካርቦን ስሜት፣ ከፍተኛ ንፅህና ያለው ልዩ የግራፋይት ክፍተት፣ የግራፋይት ጋዝ ተንሳፋፊ የሚሽከረከር መሰረት፣ ወዘተ ያካትታል። መላው የኳርትዝ ደወል በሲሊንደሪክ ኢንዳክሽን ኮይል የተሸፈነ ሲሆን በደወሉ ውስጥ ያለው የምላሽ ክፍል በኤሌክትሮማግኔቲክ መንገድ በመካከለኛ ድግግሞሽ ኢንዳክሽን የኃይል አቅርቦት ይሞቃል። በስእል 1 (ለ) ላይ እንደሚታየው፣ ተሸካሚው ጋዝ፣ የምላሽ ጋዝ እና የዶፒንግ ጋዝ ሁሉም ከምላሽ ክፍሉ የላይኛው ክፍል ወደ የምላሽ ክፍሉ የታችኛው ክፍል በአግድም ላሚናር ፍሰት ውስጥ በዋፈር ወለል በኩል ይፈስሳሉ እና ከጅራት ጋዝ ጫፍ ይወጣሉ። በዋፈር ውስጥ ያለውን ወጥነት ለማረጋገጥ፣ በአየር ተንሳፋፊው መሠረት የተሸከመው ዋፈር በሂደቱ ውስጥ ሁልጊዜ ይሽከረከራል።

በሙከራው ውስጥ ጥቅም ላይ የዋለው ንጣፍ በሻንክሲ ሹክ ክሪስታል የሚመረተው የንግድ ንጣፍ 150 ሚሜ፣ 200 ሚሜ (6 ኢንች፣ 8 ኢንች) <1120> አቅጣጫ 4°ከማዕዘን ውጪ የሚመራ n-አይነት 4H-SiC ባለ ሁለት ጎን የተወለወለ SiC ንጣፍ ነው። ትሪክሎሮሲላን (SiHCl3፣ TCS) እና ኤቲሊን (C2H4) በሂደቱ ሙከራ ውስጥ እንደ ዋና የእድገት ምንጮች ሆነው ያገለግላሉ፣ ከእነዚህም መካከል TCS እና C2H4 በቅደም ተከተል እንደ ሲሊከን ምንጭ እና የካርቦን ምንጭ፣ ከፍተኛ ንፅህና ናይትሮጅን (N2) እንደ n-አይነት ዶፒንግ ምንጭ እና ሃይድሮጂን (H2) እንደ ዲሉሽን ጋዝ እና ተሸካሚ ጋዝ ጥቅም ላይ ይውላሉ። የኤፒታክሲያል ሂደቱ የሙቀት መጠን 1 600 ~ 1 660 ℃፣ የሂደቱ ግፊት 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ሲሆን የH2 ተሸካሚ የጋዝ ፍሰት መጠን 100 ~ 140 L/ደቂቃ ነው።

 

1.3 የኤፒታክሲያል ዋፈር ምርመራ እና ባህሪ

የፎሪየር ኢንፍራሬድ ስፔክትሮሜትር (የመሳሪያ አምራች Thermalfisher፣ ሞዴል iS50) እና የሜርኩሪ ምርመራ ክምችት ሞካሪ (የመሳሪያ አምራች Semilab፣ ሞዴል 530L) የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት እና የዶፒንግ ክምችት አማካኝ እና ስርጭትን ለመለየት ጥቅም ላይ ውለዋል፤ በኤፒታክሲያል ንብርብር ውስጥ ያለው የእያንዳንዱ ነጥብ ውፍረት እና የዶፒንግ ክምችት የሚወሰነው በዋፈር መሃል ላይ በ45° ላይ ያለውን የዋናውን የማጣቀሻ ጠርዝ መደበኛ መስመር በ5 ሚሜ ጠርዝ በማስወገድ በዲያሜትር መስመር ላይ ነጥቦችን በመውሰድ ነው። ለ150 ሚሜ ዋፈር፣ በአንድ ዲያሜትር መስመር ላይ 9 ነጥቦች ተወስደዋል (ሁለት ዲያሜትሮች እርስ በእርሳቸው ቀጥ ያሉ ነበሩ)፣ እና ለ200 ሚሜ ዋፈር፣ 21 ነጥቦች ተወስደዋል፣ በስእል 2 ላይ እንደሚታየው። የአቶሚክ ኃይል ማይክሮስኮፕ (የመሳሪያ አምራች Bruker፣ ሞዴል ልኬት አዶ) በማዕከላዊው አካባቢ እና የኤፒታክሲያል ዋፈር የጠርዝ ስፋት (5 ሚሜ ጠርዝ ማስወገድ) ለመምረጥ ጥቅም ላይ ውሏል። የኤፒታክሲያል ንብርብር ጉድለቶች የሚለኩት የወለል ጉድለት ሞካሪ (የመሳሪያ አምራች ቻይና ኤሌክትሮኒክስ) በመጠቀም ነው። የ3-ልኬት ምስል ባለሙያው ከኬፌንግዋ በተገኘ የራዳር ዳሳሽ (ሞዴል ማርስ 4410 ፕሮ) ተለይቶ ይታወቃል።