Trenutno se industrija SiC transformiše sa 150 mm (6 inča) na 200 mm (8 inča). Kako bi se zadovoljila hitna potražnja za velikim, visokokvalitetnim SiC homoepitaksijalnim pločicama u industriji, koriste se pločice od 150 mm i 200 mm.4H-SiC homoepitaksijalne pločiceuspješno su pripremljeni na domaćim podlogama korištenjem nezavisno razvijene opreme za epitaksijalni rast SiC-a od 200 mm. Razvijen je homoepitaksijalni proces pogodan za 150 mm i 200 mm, u kojem brzina epitaksijalnog rasta može biti veća od 60 μm/h. Uz zadovoljavanje zahtjeva za brzu epitaksiju, kvalitet epitaksijalne pločice je odličan. Ujednačenost debljine od 150 mm i 200 mmSiC epitaksijalne pločicemože se kontrolisati unutar 1,5%, ujednačenost koncentracije je manja od 3%, gustina fatalnih defekata je manja od 0,3 čestice/cm2, a srednja kvadratna vrijednost hrapavosti epitaksijalne površine Ra je manja od 0,15 nm, a svi ključni pokazatelji procesa su na naprednom nivou industrije.
Silicijum karbid (SiC)je jedan od predstavnika poluprovodničkih materijala treće generacije. Ima karakteristike visoke jačine probojnog polja, odlične toplotne provodljivosti, velike brzine zasićenja elektrona i jake otpornosti na zračenje. Značajno je proširio kapacitet obrade energije energetskih uređaja i može zadovoljiti zahtjeve servisiranja sljedeće generacije energetske elektroničke opreme za uređaje s velikom snagom, malom veličinom, visokom temperaturom, visokim zračenjem i drugim ekstremnim uvjetima. Može smanjiti prostor, smanjiti potrošnju energije i smanjiti zahtjeve za hlađenjem. Donio je revolucionarne promjene u nova energetska vozila, željeznički transport, pametne mreže i druga područja. Stoga su silicijum-karbidni poluprovodnici prepoznati kao idealan materijal koji će predvoditi sljedeću generaciju energetskih elektroničkih uređaja velike snage. Posljednjih godina, zahvaljujući nacionalnoj političkoj podršci za razvoj poluprovodničke industrije treće generacije, istraživanje, razvoj i izgradnja 150 mm SiC sistema za industriju uređaja su u osnovi završeni u Kini, a sigurnost industrijskog lanca je u osnovi zagarantovana. Stoga se fokus industrije postepeno pomjerio na kontrolu troškova i poboljšanje efikasnosti. Kao što je prikazano u Tabeli 1, u poređenju sa 150 mm, 200 mm SiC ima veću stopu iskorištenja ivica, a proizvodnja pojedinačnih pločica može se povećati za oko 1,8 puta. Nakon što tehnologija sazrije, troškovi proizvodnje jednog čipa mogu se smanjiti za 30%. Tehnološki proboj od 200 mm je direktno sredstvo za "smanjenje troškova i povećanje efikasnosti", a ujedno je i ključ za poluprovodničku industriju moje zemlje da "radi paralelno" ili čak "predvodi".
Za razliku od procesa Si uređaja,SiC poluprovodnički energetski uređajiSvi se obrađuju i pripremaju s epitaksijalnim slojevima kao temeljem. Epitaksijalne pločice su osnovni materijali za SiC energetske uređaje. Kvalitet epitaksijalnog sloja direktno određuje prinos uređaja, a njegov trošak čini 20% troškova proizvodnje čipa. Stoga je epitaksijalni rast bitna međukarika u SiC energetskim uređajima. Gornja granica nivoa epitaksijalnog procesa određena je epitaksijalnom opremom. Trenutno je stepen lokalizacije 150 mm SiC epitaksijalne opreme u Kini relativno visok, ali ukupni raspored 200 mm istovremeno zaostaje za međunarodnim nivoom. Stoga, kako bi se riješile hitne potrebe i problemi uskog grla u proizvodnji velikih, visokokvalitetnih epitaksijalnih materijala za razvoj domaće industrije poluprovodnika treće generacije, ovaj rad predstavlja 200 mm SiC epitaksijalnu opremu uspješno razvijenu u mojoj zemlji i proučava epitaksijalni proces. Optimizacijom procesnih parametara kao što su temperatura procesa, brzina protoka nosećeg gasa, odnos C/Si itd., postignute su ujednačenost koncentracije <3%, neujednačenost debljine <1,5%, hrapavost Ra <0,2 nm i gustina fatalnih defekata <0,3 zrna/cm2 SiC epitaksijalnih pločica od 150 mm i 200 mm sa nezavisno razvijenom peći za epitaksijalnu epitaksijalnu peć od silicijum karbida od 200 mm. Nivo procesne opreme može zadovoljiti potrebe za pripremom visokokvalitetnih SiC energetskih uređaja.
1 Eksperiment
1.1 PrincipSiC epitaksijalniproces
Proces homoepitaksijalnog rasta 4H-SiC uglavnom uključuje dva ključna koraka, i to visokotemperaturno in-situ nagrizanje 4H-SiC supstrata i homogeni proces hemijskog taloženja iz parne faze. Glavna svrha in-situ nagrizanja supstrata je uklanjanje podpovršinskih oštećenja supstrata nakon poliranja pločice, zaostale tečnosti za poliranje, čestica i oksidnog sloja, te formiranje regularne atomske stepenaste strukture na površini supstrata nagrizanjem. In-situ nagrizanje se obično izvodi u atmosferi vodonika. U skladu sa stvarnim zahtjevima procesa, može se dodati i mala količina pomoćnog gasa, kao što su hlorovodik, propan, etilen ili silan. Temperatura in-situ nagrizanja vodonikom je uglavnom iznad 1600 ℃, a pritisak u reakcijskoj komori se uglavnom kontroliše ispod 2×10⁴ Pa tokom procesa nagrizanja.
Nakon što se površina supstrata aktivira in-situ nagrizanjem, ona ulazi u proces hemijskog taloženja iz pare na visokim temperaturama, odnosno izvor rasta (kao što je etilen/propan, TCS/silan), izvor dopiranja (izvor dopiranja n-tipa dušik, izvor dopiranja p-tipa TMAl) i pomoćni plin kao što je hlorid vodonika transportuju se u reakcijsku komoru kroz veliki protok nosećeg plina (obično vodonika). Nakon što plin reagira u reakcijskoj komori na visokim temperaturama, dio prekursora hemijski reagira i adsorbira se na površini pločice, a na površini supstrata formira se monokristalni homogeni 4H-SiC epitaksijalni sloj sa specifičnom koncentracijom dopiranja, specifičnom debljinom i višim kvalitetom koristeći monokristalni 4H-SiC supstrat kao predložak. Nakon godina tehničkog istraživanja, 4H-SiC homoepitaksijalna tehnologija je u osnovi sazrela i široko se koristi u industrijskoj proizvodnji. Najčešće korištena 4H-SiC homoepitaksijalna tehnologija u svijetu ima dvije tipične karakteristike:
(1) Korištenjem vanosne (u odnosu na kristalnu ravan <0001>, prema smjeru kristala <11-20>) koso rezane podloge kao predloška, epitaksijalni sloj monokristala 4H-SiC visoke čistoće bez nečistoća nanosi se na podlogu u obliku postupka rasta sa stepenastim protokom. Rani homoepitaksijalni rast 4H-SiC koristio je pozitivnu kristalnu podlogu, odnosno ravan <0001> Si, za rast. Gustoća atomskih stepenica na površini pozitivne kristalne podloge je niska, a terase su široke. Dvodimenzionalni nukleacijski rast se lako odvija tokom procesa epitaksije, formirajući 3C kristalni SiC (3C-SiC). Vanosnim rezanjem, na površinu 4H-SiC <0001> podloge mogu se uvesti atomske stepenice visoke gustoće i uske širine terasa, a adsorbirani prekursor može efikasno dostići poziciju atomske stepenice sa relativno niskom površinskom energijom putem površinske difuzije. U tom koraku, položaj vezivanja atoma prekursora/molekularne grupe je jedinstven, tako da u režimu rasta sa stepenastim tokom, epitaksijalni sloj može savršeno naslijediti sekvencu slaganja dvostrukog atomskog sloja Si-C supstrata kako bi formirao jedan kristal sa istom kristalnom fazom kao i supstrat.
(2) Brzi epitaksijalni rast postiže se uvođenjem izvora silicija koji sadrži hlor. U konvencionalnim sistemima za hemijsko taloženje SiC iz parne faze, silan i propan (ili etilen) su glavni izvori rasta. U procesu povećanja brzine rasta povećanjem brzine protoka izvora rasta, kako ravnotežni parcijalni pritisak komponente silicija nastavlja da raste, lako je formirati klastere silicija homogenom nukleacijom u gasnoj fazi, što značajno smanjuje stopu iskorištenja izvora silicija. Formiranje klastera silicija uveliko ograničava poboljšanje brzine epitaksijalnog rasta. Istovremeno, klasteri silicija mogu poremetiti rast stepenastog toka i uzrokovati nukleaciju defekata. Kako bi se izbjegla homogena nukleacija u gasnoj fazi i povećala brzina epitaksijalnog rasta, uvođenje izvora silicija na bazi hlora trenutno je glavna metoda za povećanje brzine epitaksijalnog rasta 4H-SiC.
1.2 Oprema i procesni uslovi za epitaksijalnu SiC površinu od 200 mm (8 inča)
Eksperimenti opisani u ovom radu provedeni su na monolitnoj horizontalnoj epitaksijalnoj opremi od SiC s vrućim zidom dimenzija 150/200 mm (6/8 inča), koju je nezavisno razvio 48. institut Kineske korporacije za elektroničku tehnologiju. Epitaksijalna peć podržava potpuno automatsko utovar i istovar pločica. Slika 1 je shematski dijagram unutrašnje strukture reakcijske komore epitaksijalne opreme. Kao što je prikazano na slici 1, vanjski zid reakcijske komore je kvarcno zvono s međuslojem hlađenim vodom, a unutrašnjost zvona je reakcijska komora visoke temperature, koja se sastoji od toplinske izolacije od ugljičnog filca, šupljine od specijalnog grafita visoke čistoće, rotirajuće baze s plutajućim grafitnim plinom itd. Cijelo kvarcno zvono je prekriveno cilindričnom indukcijskom zavojnicom, a reakcijska komora unutar zvona se elektromagnetski zagrijava indukcijskim napajanjem srednje frekvencije. Kao što je prikazano na slici 1 (b), plin nosač, reakcijski plin i dopirajući plin teku kroz površinu pločice u horizontalnom laminarnom toku od uzvodno od reakcijske komore do nizvodno od reakcijske komore i ispuštaju se iz kraja ostataka plina. Da bi se osigurala konzistentnost unutar vafla, vafla koju nosi zračna plutajuća baza se uvijek rotira tokom procesa.
Supstrat korišten u eksperimentu je komercijalni provodni n-tip 4H-SiC dvostrano polirani SiC supstrat dimenzija 150 mm, 200 mm (6 inča, 8 inča) <1120>, napravljen od 4° van ugla, proizvođača Shanxi Shuoke Crystal. Trihlorosilan (SiHCl3, TCS) i etilen (C2H4) korišteni su kao glavni izvori rasta u eksperimentu procesa, među kojima su TCS i C2H4 korišteni kao izvor silicija, odnosno izvor ugljika, dušik visoke čistoće (N2) korišten je kao izvor dopiranja n-tipa, a vodik (H2) korišten je kao plin za razrjeđivanje i plin nosač. Temperaturni raspon epitaksijalnog procesa je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesni pritisak je 8×103 ~ 12×103 Pa, a brzina protoka plina nosača H2 je 100～140 L/min.
1.3 Epitaksijalno testiranje i karakterizacija pločica
Za karakterizaciju srednje vrijednosti i distribucije debljine epitaksijalnog sloja i koncentracije dopinga korišteni su Fourier infracrveni spektrometar (proizvođač opreme Thermalfisher, model iS50) i tester koncentracije žive sondom (proizvođač opreme Semilab, model 530L); debljina i koncentracija dopinga svake tačke u epitaksijalnom sloju određene su uzimanjem tačaka duž linije prečnika koja siječe normalu glavne referentne ivice pod uglom od 45° u centru pločice sa uklanjanjem ivice od 5 mm. Za pločicu od 150 mm, uzeto je 9 tačaka duž linije jednog prečnika (dva prečnika su bila okomita jedan na drugi), a za pločicu od 200 mm, uzeta je 21 tačka, kao što je prikazano na slici 2. Atomski siloviti mikroskop (proizvođač opreme Bruker, model Dimension Icon) korišten je za odabir područja od 30 μm × 30 μm u središnjem području i rubnom području (uklanjanje ivice od 5 mm) epitaksijalne pločice radi testiranja hrapavosti površine epitaksijalnog sloja; Defekti epitaksijalnog sloja mjereni su pomoću uređaja za mjerenje površinskih defekata (proizvođač opreme China Electronics). 3D snimač je okarakteriziran radarskim senzorom (model Mars 4410 pro) proizvođača Kefenghua.
Vrijeme objave: 04.09.2024.