У цяперашні час вытворчасць карбіду крэмнію (SIC) пераходзіць са 150 мм (6 цаляў) на 200 мм (8 цаляў). Каб задаволіць востры попыт на вялікія па памеры і высокай якасці гомаэпітаксіяльныя пласціны з карбіду крэмнію ў прамысловасці, выкарыстоўваюцца пласціны памерам 150 мм і 200 мм.Гомаэпітаксіяльныя пласціны 4H-SiCбылі паспяхова падрыхтаваны на айчынных падкладках з выкарыстаннем незалежна распрацаванага абсталявання для эпітаксіяльнага росту SiC дыяметрам 200 мм. Быў распрацаваны гомаэпітаксіяльны працэс, прыдатны для 150 мм і 200 мм, пры якім хуткасць эпітаксіяльнага росту можа перавышаць 60 мкм/г. Пры задавальненні патрабаванняў да высакахуткаснай эпітаксіі якасць эпітаксіяльных пласцін выдатная. Аднастайнасць таўшчыні 150 мм і 200 мм.Эпітаксіяльныя пласціны SiCможна кантраляваць у межах 1,5%, аднастайнасць канцэнтрацыі менш за 3%, шчыльнасць фатальных дэфектаў менш за 0,3 часціцы/см2, а сярэднеквадратычнае значэнне шурпатасці эпітаксіяльнай паверхні Ra менш за 0,15 нм, і ўсе асноўныя паказчыкі працэсу знаходзяцца на перадавым узроўні галіны.
Карбід крэмнію (SiC)з'яўляецца адным з прадстаўнікоў паўправадніковых матэрыялаў трэцяга пакалення. Ён валодае высокай напружанасцю прабойнага поля, выдатнай цеплаправоднасцю, вялікай хуткасцю дрэйфу насычэння электронаў і высокай радыяцыйнай устойлівасцю. Ён значна пашырыў магчымасці апрацоўкі энергіі сілавымі прыладамі і можа задаволіць патрабаванні да абслугоўвання наступнага пакалення сілавога электроннага абсталявання для прылад з высокай магутнасцю, малымі памерамі, высокай тэмпературай, высокім узроўнем выпраменьвання і іншымі экстрэмальнымі ўмовамі. Ён можа скараціць прастору, знізіць спажыванне энергіі і знізіць патрабаванні да астуджэння. Ён прынёс рэвалюцыйныя змены ў новыя энергетычныя транспартныя сродкі, чыгуначны транспарт, разумныя сеткі і іншыя галіны. Такім чынам, паўправаднікі з карбіду крэмнію былі прызнаны ідэальным матэрыялам, які будзе лідэрам наступнага пакалення магутных сілавых электронных прылад. У апошнія гады, дзякуючы нацыянальнай палітыцы падтрымкі развіцця паўправадніковай прамысловасці трэцяга пакалення, у Кітаі былі ў асноўным завершаны даследаванні, распрацоўкі і будаўніцтва 150-міліметровай сістэмы прамысловасці SiC, і бяспека прамысловага ланцуга была ў асноўным гарантавана. Такім чынам, увага галіны паступова пераключылася на кантроль выдаткаў і павышэнне эфектыўнасці. Як паказана ў Табліцы 1, у параўнанні са 150 мм, 200 мм SiC мае больш высокі каэфіцыент выкарыстання краю, і аб'ём вытворчасці асобных пласцін можа быць павялічаны прыкладна ў 1,8 раза. Пасля ўдасканалення тэхналогіі выдаткі на вытворчасць аднаго чыпа могуць быць зніжаны на 30%. Тэхналагічны прарыў 200 мм з'яўляецца прамым сродкам "скарачэння выдаткаў і павышэння эфектыўнасці", а таксама ключом да "паралельнай" або нават "лідарскай" працы паўправадніковай прамысловасці маёй краіны.
У адрозненне ад працэсу прылады Si,паўправадніковыя сілавыя прылады SiCУсе яны апрацоўваюцца і падрыхтоўваюцца з выкарыстаннем эпітаксіяльных слаёў у якасці асновы. Эпітаксіяльныя пласціны з'яўляюцца неабходнымі базавымі матэрыяламі для сілавых прылад з карбіду крэмнію (SiC). Якасць эпітаксіяльнага пласта непасрэдна вызначае выхад прылады, а яго кошт складае 20% ад кошту вытворчасці мікрасхем. Такім чынам, эпітаксіяльны рост з'яўляецца важным прамежкавым звяном у сілавых прыладах з карбіду крэмнію. Верхняя мяжа ўзроўню эпітаксіяльнага працэсу вызначаецца эпітаксіяльным абсталяваннем. У цяперашні час ступень лакалізацыі 150-міліметровага эпітаксіяльнага абсталявання з карбіду крэмнію ў Кітаі адносна высокая, але агульная кампаноўка 200-міліметровага абсталявання адстае ад міжнароднага ўзроўню. Такім чынам, каб вырашыць вострыя патрэбы і праблемы вузкіх месцаў у вытворчасці буйных, высакаякасных эпітаксіяльных матэрыялаў для развіцця айчыннай паўправадніковай прамысловасці трэцяга пакалення, у гэтым артыкуле прадстаўлена 200-міліметровае эпітаксіяльнае абсталяванне з карбіду крэмнію, паспяхова распрацаванае ў маёй краіне, і вывучаецца эпітаксіяльны працэс. Дзякуючы аптымізацыі параметраў працэсу, такіх як тэмпература працэсу, хуткасць патоку газу-носьбіта, суадносіны C/Si і г.д., былі атрыманы эпітаксіяльныя пласціны SiC памерам 150 мм і 200 мм з незалежна распрацаванай эпітаксіяльнай печчу з карбіду крэмнію дыяметрам 200 мм, якія адпавядаюць аднастайнасці канцэнтрацыі <3%, неаднастайнасці таўшчыні <1,5%, шурпатасці Ra <0,2 нм і шчыльнасці фатальных дэфектаў <0,3 гранул/см2. Узровень абсталявання дазваляе вырабляць высакаякасныя энергетычныя прылады з карбіду крэмнію.
1 эксперымент
1.1 Прынцыпэпітаксіяльны SiCпрацэс
Працэс гомаэпітаксіяльнага росту 4H-SiC у асноўным уключае 2 ключавыя этапы, а менавіта высокатэмпературнае травленне падложкі 4H-SiC in situ і працэс аднароднага хімічнага асаджэння з паравой фазы. Асноўная мэта травлення падложкі in situ - выдаленне падпаверхневых пашкоджанняў падложкі пасля паліроўкі пласціны, рэшткавай паліравальнай вадкасці, часціц і аксіднага пласта, і шляхам травлення на паверхні падложкі можа быць сфарміравана рэгулярная атамная ступеньчатая структура. Траўленне in situ звычайна праводзіцца ў атмасферы вадароду. У залежнасці ад фактычных патрабаванняў працэсу, можа быць дададзена невялікая колькасць дапаможнага газу, напрыклад, хлорыстага вадароду, прапану, этылену або сілану. Тэмпература траўлення вадародам in situ звычайна вышэй за 1600 ℃, а ціск у рэакцыйнай камеры звычайна кантралюецца ніжэй за 2×10⁴ Па падчас працэсу траўлення.
Пасля актывацыі паверхні падкладкі шляхам травлення in situ яна ўступае ў працэс высокатэмпературнага хімічнага асаджэння з паравой фазы, гэта значыць крыніца росту (напрыклад, этылен/прапан, TCS/сілан), крыніца легіравання (крыніца легіравання n-тыпу азот, крыніца легіравання p-тыпу TMAl) і дапаможны газ, такі як хларыд вадароду, транспартуюцца ў рэакцыйную камеру праз вялікі паток газу-носьбіта (звычайна вадароду). Пасля рэакцыі газу ў высокатэмпературнай рэакцыйнай камеры частка папярэдніка ўступае ў хімічную рэакцыю і адсарбуецца на паверхні пласціны, і на паверхні падкладкі з выкарыстаннем монакрышталічнай падкладкі 4H-SiC у якасці шаблону фармуецца монакрышталічны аднародны эпітаксіяльны пласт 4H-SiC з пэўнай канцэнтрацыяй легіравання, пэўнай таўшчынёй і больш высокай якасцю. Пасля гадоў тэхнічных даследаванняў гомаэпітаксіяльная тэхналогія 4H-SiC у асноўным дасягнула поспеху і шырока выкарыстоўваецца ў прамысловай вытворчасці. Найбольш шырока распаўсюджаная ў свеце гомаэпітаксіяльная тэхналогія 4H-SiC мае дзве тыповыя характарыстыкі:
(1) Выкарыстоўваючы пазавосевую (адносна крышталічнай плоскасці <0001>, у напрамку крышталя <11-20>) коса разрэзаную падкладку ў якасці шаблону, на падкладку наносіцца высакаякасны эпітаксіяльны пласт монакрышталічнага 4H-SiC без прымешак у выглядзе ступеністага росту. Раннія метады гомаэпітаксіяльнага росту 4H-SiC выкарыстоўвалі станоўчую крышталічную падкладку, гэта значыць плоскасць <0001> Si. Шчыльнасць атамных прыступак на паверхні станоўчай крышталічнай падкладкі нізкая, а тэрасы шырокія. Падчас працэсу эпітаксіі лёгка адбываецца двухмерны рост зародкаў з утварэннем крышталя 3C SiC (3C-SiC). Дзякуючы пазавосеваму разрэзу на паверхні падкладкі 4H-SiC <0001> можна ўвесці атамныя прыступкі высокай шчыльнасці з вузкай шырынёй тэрасы, і адсарбаваны папярэднік можа эфектыўна дасягнуць пазіцыі атамнай прыступкі з адносна нізкай павярхоўнай энергіяй праз павярхоўную дыфузію. На гэтым этапе становішча сувязі атама-папярэдніка/малекулярнай групы з'яўляецца унікальным, таму ў рэжыме росту з патокам эпітаксіяльны пласт можа ідэальна наследаваць паслядоўнасць кладкі падвойных атамных пластоў Si-C падкладкі, утвараючы монакрышталь з той жа крышталічнай фазай, што і падкладка.
(2) Высокахуткасны эпітаксіяльны рост дасягаецца шляхам увядзення крыніцы крэмнію, якая змяшчае хлор. У традыцыйных сістэмах хімічнага асаджэння з паравой фазы SiC асноўнымі крыніцамі росту з'яўляюцца сілан і прапан (або этылен). У працэсе павелічэння хуткасці росту шляхам павелічэння хуткасці патоку крыніцы росту, па меры таго, як раўнаважны парцыяльны ціск крэмніевага кампанента працягвае павялічвацца, лёгка ўтвараюцца крэмніевыя кластары шляхам аднароднага зародкаўтварэння ў газавай фазе, што значна зніжае хуткасць выкарыстання крыніцы крэмнію. Утварэнне крэмніевых кластараў значна абмяжоўвае паляпшэнне хуткасці эпітаксіяльнага росту. У той жа час крэмніевыя кластары могуць парушаць ступеньчаты рост і выклікаць зародкаўтварэнне дэфектаў. Каб пазбегнуць аднароднага зародкаўтварэння ў газавай фазе і павялічыць хуткасць эпітаксіяльнага росту, увядзенне крыніц крэмнію на аснове хлору ў цяперашні час з'яўляецца асноўным метадам павелічэння хуткасці эпітаксіяльнага росту 4H-SiC.
1.2 Абсталяванне і ўмовы працэсу для эпітаксіяльнага крэмнію дыяметрам 200 мм (8 цаляў)
Эксперыменты, апісаныя ў гэтай працы, былі праведзены на сумяшчальным з маналітным гарызантальным эпітаксіяльным абсталяванні з карбіду крэмнію з гарачай сценкай памерам 150/200 мм (6/8 цалі), незалежна распрацаваным 48-м інстытутам Кітайскай карпарацыі электронных тэхналогій. Эпітаксіяльная печ падтрымлівае цалкам аўтаматычную загрузку і выгрузку пласцін. На малюнку 1 прадстаўлена схема ўнутранай структуры рэакцыйнай камеры эпітаксіяльнага абсталявання. Як паказана на малюнку 1, вонкавая сценка рэакцыйнай камеры ўяўляе сабой кварцавы звон з вадзяным ахаладжальным праслойкай, а ўнутраная частка звона - гэта высокатэмпературная рэакцыйная камера, якая складаецца з цеплаізаляцыйнага вугляроднага лямцу, высакаякаснай спецыяльнай графітавай поласці, круцільнай асновы з плаваючым графітам і г.д. Увесь кварцавы звон пакрыты цыліндрычнай індукцыйнай шпулькай, а рэакцыйная камера ўнутры звона электрамагнітна награваецца індукцыйнай крыніцай харчавання сярэдняй частаты. Як паказана на малюнку 1 (b), газ-носьбіт, рэакцыйны газ і легіруючы газ праходзяць праз паверхню пласціны ў гарызантальным ламінарным патоку ад верхняга патоку рэакцыйнай камеры да ніжняга патоку рэакцыйнай камеры і выводзяцца з канца хваставога газу. Каб забяспечыць аднастайнасць унутры пласціны, пласціна, якая перамяшчаецца на паветранай плаваючай аснове, заўсёды круціцца падчас працэсу.
У эксперыменце выкарыстоўвалася камерцыйная падкладка з двухбакова паліраванага SiC n-тыпу 4H-SiC памерам 150 мм і 200 мм (6 цаляў і 8 цаляў) <1120>, якая праводзіць пад вуглом 4° і вырабляецца кампаніяй Shanxi Shuoke Crystal. У якасці асноўных крыніц росту ў эксперыменце выкарыстоўваліся трыхлорсілан (SiHCl3, TCS) і этылен (C2H4), сярод якіх TCS і C2H4 выкарыстоўваліся адпаведна ў якасці крыніцы крэмнію і вугляроду, азот высокай чысціні (N2) выкарыстоўваўся ў якасці крыніцы легіравання n-тыпу, а вадарод (H2) выкарыстоўваўся ў якасці газу для развядзення і газу-носьбіта. Тэмпературны дыяпазон эпітаксіяльнага працэсу складае 1600~1660 ℃, ціск працэсу — 8×103~12×103 Па, а хуткасць патоку газу-носьбіта H2 — 100~140 л/мін.
1.3 Эпітаксіяльныя выпрабаванні і характарыстыкі пласцін
Для характарыстыкі сярэдняга значэння і размеркавання таўшчыні эпітаксіяльнага пласта і канцэнтрацыі легіруючых прымесей выкарыстоўваліся інфрачырвоны спектрометр Фур'е (вытворца абсталявання Thermalfisher, мадэль iS50) і ртутны зонд-тэстар канцэнтрацыі (вытворца абсталявання Semilab, мадэль 530L); таўшчыня і канцэнтрацыя легіруючых прымесей кожнай кропкі ў эпітаксіяльным пласце вызначаліся шляхам зняцця кропак уздоўж лініі дыяметра, якая перасякае нармаль да асноўнага эталоннага краю пад вуглом 45° у цэнтры пласціны з выдаленнем краю 5 мм. Для пласціны дыяметрам 150 мм было знята 9 кропак уздоўж лініі аднаго дыяметра (два дыяметры былі перпендыкулярныя адзін аднаму), а для пласціны дыяметрам 200 мм — 21 кропка, як паказана на малюнку 2. Атамна-сілавы мікраскоп (вытворца абсталявання Bruker, мадэль Dimension Icon) выкарыстоўваўся для выбару абласцей памерам 30 мкм × 30 мкм у цэнтральнай і краёвай зонах (выдаленне краю 5 мм) эпітаксіяльнай пласціны для праверкі шурпатасці паверхні эпітаксіяльнага пласта. Дэфекты эпітаксіяльнага пласта вымяраліся з дапамогай прыбора для вымярэння паверхневых дэфектаў (вытворца абсталявання China Electronics). 3D-візуалізацыя характарызавалася радарным датчыкам (мадэль Mars 4410 Pro) ад Kefenghua.
Час публікацыі: 04 верасня 2024 г.