Hazırda SiC sənayesi 150 mm-dən (6 düym) 200 mm-ə (8 düym) keçid mərhələsindədir. Sənayedə böyük ölçülü, yüksək keyfiyyətli SiC homoepitaksial lövhələrinə olan təcili tələbatı ödəmək üçün 150 mm və 200 mm-lik4H-SiC homoepitaksial lövhələrMüstəqil olaraq hazırlanmış 200 mm SiC epitaksial böyümə avadanlığından istifadə edərək məişət substratlarında uğurla hazırlanmışdır. 150 mm və 200 mm üçün uyğun olan homeepitaksial proses hazırlanmışdır ki, bu prosesdə epitaksial böyümə sürəti saatda 60 mkm-dən çox ola bilər. Yüksək sürətli epitaksial tələblərə cavab verərkən, epitaksial lövhənin keyfiyyəti əladır. Qalınlıq vahidliyi 150 mm və 200 mm-dir.SiC epitaksial lövhələr1,5% daxilində idarə oluna bilər, konsentrasiya vahidliyi 3% -dən azdır, ölümcül qüsur sıxlığı 0,3 hissəcik/sm2-dən azdır və epitaksial səth pürüzlülüyünün kök orta kvadrat Ra 0,15 nm-dən azdır və bütün əsas proses göstəriciləri sənayenin qabaqcıl səviyyəsindədir.
Silikon Karbid (SiC)üçüncü nəsil yarımkeçirici materiallarının nümayəndələrindən biridir. Yüksək parçalanma sahəsi gücü, əla istilik keçiriciliyi, böyük elektron doyma sürüşmə sürəti və güclü radiasiya müqaviməti xüsusiyyətlərinə malikdir. Güc cihazlarının enerji emal qabiliyyətini xeyli genişləndirib və yüksək gücə, kiçik ölçülü, yüksək temperatura, yüksək radiasiyaya və digər ekstremal şəraitə malik cihazlar üçün növbəti nəsil güc elektron avadanlıqlarının xidmət tələblərinə cavab verə bilər. Məkanı azalda, enerji istehlakını azalda və soyutma tələblərini azalda bilər. Yeni enerji nəqliyyat vasitələrinə, dəmir yolu nəqliyyatına, ağıllı şəbəkələrə və digər sahələrə inqilabi dəyişikliklər gətirmişdir. Buna görə də, silikon karbid yarımkeçiriciləri növbəti nəsil yüksək güclü güc elektron cihazlarına rəhbərlik edəcək ideal material kimi tanınmağa başlayıb. Son illərdə üçüncü nəsil yarımkeçirici sənayesinin inkişafına milli siyasət dəstəyi sayəsində Çində 150 mm SiC cihaz sənayesi sisteminin tədqiqatı və inkişafı və tikintisi əsasən başa çatdırılıb və sənaye zəncirinin təhlükəsizliyi əsasən təmin edilib. Buna görə də, sənayenin diqqəti tədricən xərc nəzarətinə və səmərəliliyin artırılmasına yönəlib. Cədvəl 1-də göstərildiyi kimi, 150 mm ilə müqayisədə 200 mm SiC daha yüksək kənar istifadə nisbətinə malikdir və tək lövhəli çiplərin çıxışı təxminən 1,8 dəfə artırıla bilər. Texnologiya yetkinləşdikdən sonra tək bir çipin istehsal dəyəri 30% azaldıla bilər. 200 mm-lik texnoloji irəliləyiş "xərcləri azaltmaq və səmərəliliyi artırmaq" üçün birbaşa vasitədir və eyni zamanda ölkəmin yarımkeçirici sənayesinin "paralel işləməsi" və ya hətta "liderlik" etməsi üçün açardır.
Si cihaz prosesindən fərqli olaraq,SiC yarımkeçirici güc cihazlarıhamısı emal olunur və təməl daşı kimi epitaksial təbəqələrlə hazırlanır. Epitaksial lövhələr SiC güc cihazları üçün vacib əsas materiallardır. Epitaksial təbəqənin keyfiyyəti cihazın məhsuldarlığını birbaşa müəyyən edir və onun dəyəri çip istehsal dəyərinin 20%-ni təşkil edir. Buna görə də, epitaksial böyümə SiC güc cihazlarında vacib bir aralıq halqadır. Epitaksial proses səviyyəsinin yuxarı həddi epitaksial avadanlıqla müəyyən edilir. Hazırda Çində 150 mm-lik SiC epitaksial avadanlıqlarının lokalizasiya dərəcəsi nisbətən yüksəkdir, lakin 200 mm-lik ümumi düzülüş eyni zamanda beynəlxalq səviyyədən geridə qalır. Buna görə də, yerli üçüncü nəsil yarımkeçirici sənayesinin inkişafı üçün böyük ölçülü, yüksək keyfiyyətli epitaksial material istehsalının təcili ehtiyaclarını və maneə problemlərini həll etmək üçün bu məqalədə ölkəmdə uğurla hazırlanmış 200 mm-lik SiC epitaksial avadanlıqları təqdim olunur və epitaksial prosesi araşdırılır. Proses temperaturu, daşıyıcı qaz axın sürəti, C/Si nisbəti və s. kimi proses parametrlərini optimallaşdırmaqla, müstəqil şəkildə hazırlanmış 200 mm silikon karbid epitaksial sobası olan 150 mm və 200 mm SiC epitaksial lövhələrinin konsentrasiya vahidliyi <3%, qalınlıq qeyri-bərabərliyi <1.5%, kələ-kötürlük Ra <0.2 nm və ölümcül qüsur sıxlığı <0.3 dənə/sm2 əldə edilir. Avadanlığın proses səviyyəsi yüksək keyfiyyətli SiC güc cihazının hazırlanması ehtiyaclarını ödəyə bilər.
1 Təcrübə
1.1 PrinsipiSiC epitaksialproses
4H-SiC homoepitaksial böyümə prosesi əsasən 2 əsas mərhələni əhatə edir, yəni 4H-SiC substratının yüksək temperaturda yerində aşındırılması və homogen kimyəvi buxar çökdürmə prosesi. Substrat yerində aşındırmanın əsas məqsədi lövhə cilalanmasından sonra substratın yeraltı zədələnməsini, qalıq cilalama mayesini, hissəcikləri və oksid təbəqəsini aradan qaldırmaqdır və aşındırma yolu ilə substrat səthində müntəzəm atom pilləli struktur yarana bilər. Yerində aşındırma adətən hidrogen atmosferində aparılır. Faktiki proses tələblərinə uyğun olaraq, az miqdarda köməkçi qaz, məsələn, hidrogen xlorid, propan, etilen və ya silan əlavə edilə bilər. Yerində hidrogen aşındırmanın temperaturu ümumiyyətlə 1600 ℃-dən yuxarıdır və aşındırma prosesi zamanı reaksiya kamerasının təzyiqi ümumiyyətlə 2×104 Pa-dan aşağıda idarə olunur.
Substrat səthi yerində aşındırma ilə aktivləşdirildikdən sonra yüksək temperaturlu kimyəvi buxar çökmə prosesinə, yəni böyümə mənbəyinə (məsələn, etilen/propan, TCS/silan), aşındırma mənbəyinə (n-tipli aşındırma mənbəyi azot, p-tipli aşındırma mənbəyi TMAl) və hidrogen xlorid kimi köməkçi qaz böyük bir daşıyıcı qaz axını (adətən hidrogen) vasitəsilə reaksiya kamerasına nəql olunur. Qaz yüksək temperaturlu reaksiya kamerasında reaksiyaya girdikdən sonra, prekursorun bir hissəsi kimyəvi reaksiyaya girir və lövhə səthində adsorbsiya olunur və tək kristal 4H-SiC substratını şablon kimi istifadə edərək substrat səthində spesifik aşındırma konsentrasiyasına, spesifik qalınlığa və daha yüksək keyfiyyətə malik tək kristal homogen 4H-SiC epitaksial təbəqə əmələ gəlir. İllərlə davam edən texniki araşdırmalardan sonra 4H-SiC homoepitaksial texnologiyası əsasən yetkinləşmiş və sənaye istehsalında geniş istifadə olunur. Dünyada ən çox istifadə edilən 4H-SiC homoepitaksial texnologiyası iki tipik xüsusiyyətə malikdir:
(1) Şablon kimi oxdan kənar (<0001> kristal müstəvisinə nisbətən, <11-20> kristal istiqamətinə doğru) maili kəsilmiş substratdan istifadə edərək, çirkləri olmayan yüksək təmizlikli tək kristal 4H-SiC epitaksial təbəqəsi substrata pilləli axın böyümə rejimi şəklində çökdürülür. Erkən 4H-SiC homoepitaksial böyüməsi böyümə üçün müsbət kristal substratdan, yəni <0001> Si müstəvisindən istifadə etmişdir. Müsbət kristal substratının səthində atom pillələrinin sıxlığı aşağı və terraslar genişdir. 3C kristal SiC (3C-SiC) əmələ gətirmək üçün epitaksi prosesi zamanı ikiölçülü nüvələşmə böyüməsi asanlıqla baş verir. Oxdan kənar kəsmə yolu ilə 4H-SiC <0001> substratının səthinə yüksək sıxlıqlı, dar terras genişliyində atom pillələri daxil edilə bilər və adsorbsiya olunmuş prekursor səth diffuziyası vasitəsilə nisbətən aşağı səth enerjisi ilə atom pilləsi mövqeyinə effektiv şəkildə çata bilər. Addımda, sələf atom/molekulyar qrup rabitə mövqeyi unikaldır, buna görə də addım axını böyümə rejimində epitaksial təbəqə substratın Si-C ikiqat atom təbəqəsi yığma ardıcıllığını mükəmməl şəkildə miras alaraq substratla eyni kristal fazasına malik tək kristal əmələ gətirə bilər.
(2) Yüksək sürətli epitaksial böyümə xlor tərkibli silikon mənbəyinin tətbiqi ilə əldə edilir. Ənənəvi SiC kimyəvi buxar çökmə sistemlərində silan və propan (və ya etilen) əsas böyümə mənbələridir. Böyümə mənbəyinin axın sürətini artırmaqla böyümə sürətini artırmaq prosesində, silikon komponentinin tarazlıq parsial təzyiqi artmağa davam etdikcə, homogen qaz fazalı nüvələşmə yolu ilə silikon klasterlərinin əmələ gəlməsi asandır ki, bu da silikon mənbəyinin istifadə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Silikon klasterlərinin əmələ gəlməsi epitaksial böyümə sürətinin yaxşılaşmasını xeyli məhdudlaşdırır. Eyni zamanda, silikon klasterləri pilləli axın böyüməsini poza və qüsurlu nüvələşməyə səbəb ola bilər. Homogen qaz fazalı nüvələşmənin qarşısını almaq və epitaksial böyümə sürətini artırmaq üçün xlor əsaslı silikon mənbələrinin tətbiqi hazırda 4H-SiC-nin epitaksial böyümə sürətini artırmaq üçün əsas metoddur.
1.2 200 mm (8 düym) SiC epitaksial avadanlığı və proses şərtləri
Bu məqalədə təsvir edilən təcrübələrin hamısı 48-ci Çin Elektron Texnologiyaları İnstitutu Qrup Korporasiyası tərəfindən müstəqil olaraq hazırlanmış 150/200 mm (6/8 düym) uyğun monolit üfüqi isti divarlı SiC epitaksial avadanlıqda aparılmışdır. Epitaksial soba tam avtomatik lövhə yükləmə və boşaltmanı dəstəkləyir. Şəkil 1, epitaksial avadanlıqların reaksiya kamerasının daxili strukturunun sxematik diaqramıdır. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, reaksiya kamerasının xarici divarı su ilə soyudulmuş ara təbəqəli kvars zəngidir və zəngin içi istilik izolyasiyalı karbon hissədən, yüksək təmizlikli xüsusi qrafit boşluğundan, qrafit qazı ilə üzən fırlanan bazadan və s. ibarət olan yüksək temperaturlu reaksiya kamerasıdır. Bütün kvars zəngi silindrik induksiya rulonu ilə örtülmüşdür və zəngin içindəki reaksiya kamerası orta tezlikli induksiya enerji təchizatı ilə elektromaqnit şəkildə qızdırılır. Şəkil 1 (b)-də göstərildiyi kimi, daşıyıcı qaz, reaksiya qazı və aşqarlayıcı qaz hamısı lövhə səthindən reaksiya kamerasının yuxarı hissəsindən reaksiya kamerasının aşağı hissəsinə üfüqi laminar axınla axır və quyruq qazının ucundan boşaldılır. Lövhənin içərisindəki tutarlılığı təmin etmək üçün hava üzən baza tərəfindən daşınan lövhə proses zamanı həmişə fırlanır.
Təcrübədə istifadə olunan substrat, Shanxi Shuoke Crystal tərəfindən istehsal olunan kommersiya məqsədli 150 mm, 200 mm (6 düym, 8 düym) <1120> istiqamətli 4° kənar bucaqlı keçirici n-tipli 4H-SiC iki tərəfli cilalanmış SiC substratıdır. Proses təcrübəsində əsas böyümə mənbələri kimi trixlorosilan (SiHCl3, TCS) və etilen (C2H4) istifadə olunur, bunlardan TCS və C2H4 müvafiq olaraq silikon mənbəyi və karbon mənbəyi, yüksək təmizlikli azot (N2) n-tipli aşqar mənbəyi və hidrogen (H2) durulaşdırma qazı və daşıyıcı qaz kimi istifadə olunur. Epitaksial prosesin temperatur diapazonu 1600 ~1660 ℃, proses təzyiqi 8×103 ~12×103 Pa və H2 daşıyıcı qazının axın sürəti 100 ~ 140 L/dəq-dir.
1.3 Epitaksial lövhənin sınağı və xarakteristikası
Epitaksial təbəqənin qalınlığının və aşqarlanma konsentrasiyasının orta qiymətini və paylanmasını xarakterizə etmək üçün Furye infraqırmızı spektrometri (avadanlıq istehsalçısı Thermalfisher, model iS50) və civə zondunun konsentrasiyası test cihazı (avadanlıq istehsalçısı Semilab, model 530L) istifadə edilmişdir; epitaksial təbəqədəki hər bir nöqtənin qalınlığı və aşqarlanma konsentrasiyası, lövhənin mərkəzində 45°-də əsas istinad kənarının normal xətti ilə kəsişən diametr xətti boyunca nöqtələr götürülərək, 5 mm kənar çıxarılmaqla müəyyən edilmişdir. Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, 150 mm lövhə üçün tək diametr xətti boyunca 9 nöqtə götürülmüşdür (iki diametr bir-birinə perpendikulyar idi) və 200 mm lövhə üçün 21 nöqtə götürülmüşdür. Epitaksial təbəqənin səth pürüzlülüyünü yoxlamaq üçün epitaksial lövhənin mərkəz sahəsində və kənar sahəsində (5 mm kənar çıxarılma) 30 μm×30 μm sahələr seçilmək üçün atom qüvvəsi mikroskopundan (avadanlıq istehsalçısı Bruker, model Dimension Icon) istifadə edilmişdir; Epitaksial təbəqənin qüsurları səth qüsuru test cihazı (avadanlıq istehsalçısı China Electronics) istifadə edilərək ölçüldü. 3D görüntü cihazı Kefenghua şirkətinin radar sensoru (model Mars 4410 pro) ilə xarakterizə edildi.
Yazı vaxtı: 04 sentyabr 2024