В момента индустрията за SiC се трансформира от 150 мм (6 инча) на 200 мм (8 инча). За да се отговори на неотложното търсене на висококачествени SiC хомоепитаксиални пластини с голям размер в индустрията, се използват 150 мм и 200 мм...4H-SiC хомоепитаксиални пластинибяха успешно приготвени върху местни подложки, използвайки независимо разработено оборудване за епитаксиален растеж на SiC с размери 200 мм. Разработен е хомоепитаксиален процес, подходящ за 150 мм и 200 мм, при който скоростта на епитаксиален растеж може да бъде по-голяма от 60 μm/h. Въпреки че отговаря на изискванията за високоскоростна епитаксия, качеството на епитаксиалните пластини е отлично. Еднородността на дебелината на пластините от 150 мм и 200 мм е...SiC епитаксиални пластиниможе да се контролира в рамките на 1,5%, еднородността на концентрацията е по-малка от 3%, плътността на фаталните дефекти е по-малка от 0,3 частици/cm2, а средноквадратичната стойност на епитаксиалната грапавост на повърхността Ra е по-малка от 0,15nm, а всички основни показатели за процеса са на напреднало ниво в индустрията.
Силициев карбид (SiC)е един от представителите на полупроводниковите материали от трето поколение. Той притежава характеристиките на висока якост на пробивно поле, отлична топлопроводимост, голяма скорост на дрейф на електронно насищане и силна радиационна устойчивост. Той значително е разширил капацитета за обработка на енергия на силови устройства и може да отговори на изискванията за обслужване на следващото поколение силови електронни устройства за устройства с висока мощност, малки размери, висока температура, висока радиация и други екстремни условия. Той може да намали пространството, консумацията на енергия и изискванията за охлаждане. Той донесе революционни промени в новите енергийни превозни средства, железопътния транспорт, интелигентните мрежи и други области. Поради това, силициево-карбидните полупроводници са признати за идеалния материал, който ще доведе до следващото поколение високомощни силови електронни устройства. През последните години, благодарение на националната политическа подкрепа за развитието на полупроводниковата индустрия от трето поколение, научноизследователската, развойна и развойна дейност и изграждането на 150 мм SiC система за производство на устройства са основно завършени в Китай и сигурността на индустриалната верига е основно гарантирана. Следователно фокусът на индустрията постепенно се измества към контрол на разходите и подобряване на ефективността. Както е показано в Таблица 1, в сравнение със 150 mm, 200 mm SiC има по-висок коефициент на използване на ръбовете и производството на единични пластини може да се увеличи с около 1,8 пъти. След усъвършенстване на технологията, производствените разходи за един чип могат да бъдат намалени с 30%. Технологичният пробив от 200 mm е пряко средство за „намаляване на разходите и повишаване на ефективността“ и е също така ключът към „паралелното“ или дори „водещото“ развитие на полупроводниковата индустрия в моята страна.
Различен от процеса на Si устройството,SiC полупроводникови силови устройстваВсички те се обработват и приготвят с епитаксиални слоеве като крайъгълен камък. Епитаксиалните пластини са основни материали за силови SiC устройства. Качеството на епитаксиалния слой определя директно добива на устройството, а цената му представлява 20% от производствените разходи за чип. Следователно, епитаксиалният растеж е важно междинно звено в силови SiC устройства. Горната граница на нивото на епитаксиалния процес се определя от епитаксиалното оборудване. В момента степента на локализация на 150 mm SiC епитаксиално оборудване в Китай е сравнително висока, но общото разположение на 200 mm изостава от международното ниво. Следователно, за да се решат неотложните нужди и проблемите с пречките при производството на големи, висококачествени епитаксиални материали за развитието на местната полупроводникова индустрия от трето поколение, тази статия представя успешно разработеното в моята страна 200 mm SiC епитаксиално оборудване и изследва епитаксиалния процес. Чрез оптимизиране на параметрите на процеса, като например температура на процеса, дебит на носещия газ, съотношение C/Si и др., се постигат равномерност на концентрацията <3%, неравномерност на дебелината <1,5%, грапавост Ra <0,2 nm и плътност на фаталните дефекти <0,3 зърна/см2 на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини с независимо разработена 200 mm силициево-карбидна епитаксиална пещ. Нивото на процеса на оборудване може да отговори на нуждите за висококачествена подготовка на SiC силови устройства.
1 Експеримент
1.1 Принцип наSiC епитаксиаленпроцес
Процесът на хомоепитаксиален растеж на 4H-SiC включва основно 2 ключови стъпки, а именно високотемпературно in-situ ецване на 4H-SiC субстрат и процес на хомогенно химическо отлагане от пари. Основната цел на in-situ ецването на субстрата е да се премахнат подповърхностните повреди на субстрата след полиране на пластината, остатъчната полираща течност, частиците и оксидния слой, и чрез ецване върху повърхността на субстрата може да се образува регулярна атомна стъпаловидна структура. In-situ ецването обикновено се извършва във водородна атмосфера. В зависимост от реалните изисквания на процеса, може да се добави и малко количество спомагателен газ, като хлороводород, пропан, етилен или силан. Температурата на in-situ водородното ецване обикновено е над 1600 ℃, а налягането в реакционната камера обикновено се контролира под 2×10⁴ Pa по време на процеса на ецване.
След като повърхността на субстрата се активира чрез in-situ ецване, тя навлиза в процеса на високотемпературно химическо отлагане от пари, т.е. източникът на растеж (като етилен/пропан, TCS/силан), източникът на дотиране (n-тип източник на дотиране азот, p-тип източник на дотиране TMAl) и спомагателният газ, като хлороводород, се транспортират до реакционната камера чрез голям поток от газ-носител (обикновено водород). След като газът реагира във високотемпературната реакционна камера, част от прекурсора реагира химически и се адсорбира върху повърхността на пластината, като върху повърхността на субстрата се образува монокристален хомогенен 4H-SiC епитаксиален слой със специфична концентрация на дотиране, специфична дебелина и по-високо качество, използвайки монокристалния 4H-SiC субстрат като шаблон. След години на технически проучвания, 4H-SiC хомоепитаксиалната технология е узряла и се използва широко в промишленото производство. Най-широко използваната 4H-SiC хомоепитаксиална технология в света има две типични характеристики:
(1) Използвайки извъносев (спрямо кристалната равнина <0001>, към кристалната посока <11-20>) наклонен разрез като шаблон, върху субстрата се отлага високочист монокристален 4H-SiC епитаксиален слой без примеси под формата на стъпаловиден растеж. Ранният 4H-SiC хомоепитаксиален растеж използва положителен кристален субстрат, т.е. равнината <0001> Si за растеж. Плътността на атомните стъпала върху повърхността на положителния кристален субстрат е ниска, а терасите са широки. Двуизмерен нуклеационен растеж е лесен за протичане по време на епитаксичния процес, за да се образува 3C кристален SiC (3C-SiC). Чрез извъносев разрез, върху повърхността на 4H-SiC <0001> субстрата могат да се въведат атомни стъпала с висока плътност и тясна терасовидна ширина, а адсорбираният прекурсор може ефективно да достигне позицията на атомното стъпало с относително ниска повърхностна енергия чрез повърхностна дифузия. На етапа, позицията на свързване на атома-прекурсор/молекулната група е уникална, така че в режим на стъпаловиден растеж, епитаксиалният слой може перфектно да наследи последователността на подреждане на двойния атомен слой Si-C на субстрата, за да образува единичен кристал със същата кристална фаза като субстрата.
(2) Високоскоростен епитаксиален растеж се постига чрез въвеждане на хлорсъдържащ силициев източник. В конвенционалните системи за химическо отлагане на пари на SiC, силан и пропан (или етилен) са основните източници на растеж. В процеса на увеличаване на скоростта на растеж чрез увеличаване на дебита на източника на растеж, тъй като равновесното парциално налягане на силициевия компонент продължава да се увеличава, е лесно да се образуват силициеви клъстери чрез хомогенно газовофазно зародишообразуване, което значително намалява степента на използване на силициевия източник. Образуването на силициеви клъстери значително ограничава подобряването на скоростта на епитаксиален растеж. В същото време силициевите клъстери могат да нарушат стъпаловия растеж и да причинят дефектно зародишообразуване. За да се избегне хомогенното газовофазно зародишообразуване и да се увеличи скоростта на епитаксиален растеж, въвеждането на силициеви източници на основата на хлор в момента е основен метод за увеличаване на скоростта на епитаксиален растеж на 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-инчово) SiC епитаксиално оборудване и условия на процеса
Експериментите, описани в тази статия, са проведени на 150/200 мм (6/8-инчово) съвместимо монолитно хоризонтално епитаксиално оборудване от SiC с гореща стена, независимо разработено от 48-ия институт на Китайската корпорация за електронни технологии. Епитаксиалната пещ поддържа напълно автоматично зареждане и разтоварване на пластини. Фигура 1 е схематична диаграма на вътрешната структура на реакционната камера на епитаксиалното оборудване. Както е показано на Фигура 1, външната стена на реакционната камера е кварцов камбан с водно охлаждан междинен слой, а вътрешността на камбаната е високотемпературна реакционна камера, която е съставена от топлоизолационен въглероден филц, високочиста специална графитна кухина, въртяща се основа с графитен газ и др. Цялата кварцова камбана е покрита с цилиндрична индукционна бобина, а реакционната камера вътре в камбаната се нагрява електромагнитно от средночестотно индукционно захранване. Както е показано на Фигура 1 (b), газът-носител, реакционният газ и легиращият газ преминават през повърхността на пластината в хоризонтален ламинарен поток от горния поток на реакционната камера до низходящия поток на реакционната камера и се изпускат от края на остатъчния газ. За да се осигури консистенция във вафлата, тя, носена от въздушно плаващата основа, винаги се върти по време на процеса.
Използваният в експеримента субстрат е търговски полиран SiC субстрат от двустранно полиран n-тип 4H-SiC с размери 150 mm, 200 mm (6 инча, 8 инча) <1120> посока 4° отклонение, произведен от Shanxi Shuoke Crystal. Трихлоросилан (SiHCl3, TCS) и етилен (C2H4) се използват като основни източници на растеж в експерименталния процес, сред които TCS и C2H4 се използват съответно като източник на силиций и въглерод, високочист азот (N2) се използва като източник на n-тип дотиране, а водород (H2) се използва като разреждащ газ и газ-носител. Температурният диапазон на епитаксиалния процес е 1600 ~1660 ℃, налягането на процеса е 8×103 ~12×103 Pa, а дебитът на газ-носител H2 е 100～140 L/min.
1.3 Тестване и характеризиране на епитаксиални пластини
За характеризиране на средната стойност и разпределението на дебелината на епитаксиалния слой и концентрацията на легиращи вещества бяха използвани инфрачервен спектрометър на Фурие (производител на оборудване Thermalfisher, модел iS50) и тестер за концентрация на живачна сонда (производител на оборудване Semilab, модел 530L); Дебелината и концентрацията на легиращи вещества на всяка точка в епитаксиалния слой бяха определени чрез вземане на точки по линията на диаметъра, пресичаща нормалната линия на основния референтен ръб под ъгъл 45° в центъра на пластината с 5 mm отстраняване на ръба. За пластина с диаметър 150 mm бяха взети 9 точки по линия с един диаметър (два диаметъра бяха перпендикулярни един на друг), а за пластина с диаметър 200 mm бяха взети 21 точки, както е показано на Фигура 2. Атомно-силов микроскоп (производител на оборудване Bruker, модел Dimension Icon) беше използван за избор на области с размери 30 μm × 30 μm в централната област и областта на ръба (5 mm отстраняване на ръба) на епитаксиалната пластина, за да се тества грапавостта на повърхността на епитаксиалния слой; Дефектите на епитаксиалния слой бяха измерени с помощта на тестер за повърхностни дефекти (производител на оборудване China Electronics). 3D устройството за изображения беше характеризирано с радарен сензор (модел Mars 4410 pro) от Kefenghua.
Време на публикуване: 04 септември 2024 г.