V současné době se odvětví SiC transformuje ze 150 mm (6 palců) na 200 mm (8 palců). Aby bylo možné uspokojit naléhavou poptávku po velkoformátových, vysoce kvalitních homoepitaxních destičkách SiC v tomto odvětví, vyrábějí se destičky o rozměrech 150 mm a 200 mm.Homoepitaxní destičky 4H-SiCbyly úspěšně připraveny na domácích substrátech s použitím nezávisle vyvinutého 200mm SiC epitaxního růstového zařízení. Byl vyvinut homoepitaxní proces vhodný pro 150 mm a 200 mm, u kterého může být rychlost epitaxního růstu vyšší než 60 μm/h. Při splnění vysokorychlostní epitaxe je kvalita epitaxních destiček vynikající. Rovnoměrnost tloušťky 150 mm a 200 mmSiC epitaxní destičkylze regulovat v rozmezí 1,5 %, rovnoměrnost koncentrace je menší než 3 %, hustota fatálních vad je menší než 0,3 částic/cm2 a střední kvadratická hodnota drsnosti epitaxního povrchu Ra je menší než 0,15 nm a všechny ukazatele klíčového procesu jsou na pokročilé úrovni daného odvětví.
Karbid křemíku (SiC)je jedním z představitelů polovodičových materiálů třetí generace. Vyznačuje se vysokou intenzitou průrazného pole, vynikající tepelnou vodivostí, velkou rychlostí driftu elektronové saturace a silnou odolností vůči záření. Výrazně rozšířil kapacitu výkonových zařízení pro zpracování energie a může splňovat servisní požadavky nové generace výkonové elektroniky pro zařízení s vysokým výkonem, malými rozměry, vysokou teplotou, vysokým zářením a dalšími extrémními podmínkami. Dokáže zmenšit prostor, snížit spotřebu energie a snížit požadavky na chlazení. Přinesl revoluční změny do vozidel s novými zdroji energie, železniční dopravy, inteligentních sítí a dalších oblastí. Proto se polovodiče z karbidu křemíku staly uznávány jako ideální materiál, který povede novou generaci vysoce výkonných výkonových elektronických zařízení. V posledních letech byl v Číně díky národní politické podpoře rozvoje polovodičového průmyslu třetí generace v podstatě dokončen výzkum, vývoj a konstrukce 150mm systému SiC pro průmysl součástek a v podstatě byla zaručena bezpečnost průmyslového řetězce. Proto se zaměření průmyslu postupně přesunulo na kontrolu nákladů a zvyšování efektivity. Jak je uvedeno v tabulce 1, ve srovnání se 150 mm má 200 mm SiC vyšší míru využití hran a výstup jednotlivých waferových čipů lze zvýšit přibližně 1,8krát. Po zralosti technologie lze výrobní náklady na jeden čip snížit o 30 %. Technologický průlom 200 mm je přímým prostředkem ke „snížení nákladů a zvýšení efektivity“ a je také klíčem k tomu, aby polovodičový průmysl mé země „běžel paralelně“ nebo dokonce „vedl“.
Na rozdíl od procesu Si zařízení,Výkonové součástky z polovodičů SiCVšechny jsou zpracovávány a připravovány s epitaxními vrstvami jako základem. Epitaxní destičky jsou nezbytnými základními materiály pro výkonové součástky SiC. Kvalita epitaxní vrstvy přímo určuje výtěžnost součástky a její cena tvoří 20 % výrobních nákladů čipu. Epitaxní růst je proto nezbytným mezičlánkem u výkonových součástek SiC. Horní hranice úrovně epitaxního procesu je určena epitaxním zařízením. V současné době je stupeň lokalizace 150mm epitaxního zařízení SiC v Číně relativně vysoký, ale celkové uspořádání 200mm zaostává za mezinárodní úrovní. Abychom vyřešili naléhavé potřeby a problémy s úzkými hrdly výroby velkoobjemových, vysoce kvalitních epitaxních materiálů pro rozvoj domácího polovodičového průmyslu třetí generace, tento článek představuje 200mm epitaxní zařízení SiC úspěšně vyvinuté v mé zemi a studuje epitaxní proces. Optimalizací procesních parametrů, jako je procesní teplota, průtok nosného plynu, poměr C/Si atd., bylo dosaženo rovnoměrnosti koncentrace <3 %, nerovnoměrnosti tloušťky <1,5 %, drsnosti Ra <0,2 nm a hustoty fatálních defektů <0,3 zrn/cm2 u epitaxních destiček SiC o průměru 150 mm a 200 mm s nezávisle vyvinutou 200mm epitaxní pecí z karbidu křemíku. Úroveň procesního zařízení může splňovat potřeby přípravy vysoce kvalitních výkonových součástek SiC.
1 Experiment
1.1 Principepitaxní SiCproces
Homoepitaxní růstový proces 4H-SiC zahrnuje hlavně 2 klíčové kroky, a to vysokoteplotní in-situ leptání substrátu 4H-SiC a homogenní chemickou depozici z plynné fáze. Hlavním účelem in-situ leptání substrátu je odstranění podpovrchového poškození substrátu po leštění destičky, odstranění zbytkové lešticí kapaliny, částic a oxidové vrstvy, a leptáním lze na povrchu substrátu vytvořit pravidelnou atomovou stupňovitou strukturu. In-situ leptání se obvykle provádí ve vodíkové atmosféře. V závislosti na skutečných požadavcích procesu lze přidat i malé množství pomocného plynu, jako je chlorovodík, propan, ethylen nebo silan. Teplota in-situ vodíkového leptání je obvykle nad 1 600 ℃ a tlak v reakční komoře je během procesu leptání obvykle udržován pod 2×10⁴ Pa.
Po aktivaci povrchu substrátu leptáním in situ vstupuje do procesu vysokoteplotní chemické depozice z plynné fáze, tj. zdroj růstu (například ethylen/propan, TCS/silan), zdroj dopingu (n-typ dopingu dusík, p-typ dopingu TMAli) a pomocný plyn, jako je chlorovodík, jsou transportovány do reakční komory velkým proudem nosného plynu (obvykle vodíku). Po reakci plynu ve vysokoteplotní reakční komoře část prekurzoru chemicky reaguje a adsorbuje se na povrchu destičky a na povrchu substrátu se za použití monokrystalického substrátu 4H-SiC jako šablony vytvoří monokrystalická homogenní epitaxní vrstva 4H-SiC se specifickou koncentrací dopingu, specifickou tloušťkou a vyšší kvalitou. Po letech technického výzkumu je homoepitaxní technologie 4H-SiC v podstatě dospělá a je široce používána v průmyslové výrobě. Nejrozšířenější homoepitaxní technologie 4H-SiC na světě má dvě typické vlastnosti:
(1) Použitím mimoosového (vzhledem k krystalové rovině <0001>, směrem ke směru krystalu <11-20>) šikmo řezaného substrátu jako šablony je na substrát nanesena vysoce čistá epitaxní vrstva monokrystalu 4H-SiC bez nečistot formou stupňovitého růstu. Raný homoepitaxní růst 4H-SiC používal pro růst pozitivní krystalový substrát, tj. rovinu <0001> Si. Hustota atomových stupňů na povrchu pozitivního krystalového substrátu je nízká a terasy jsou široké. Během epitaxního procesu snadno dochází k dvourozměrnému nukleačnímu růstu za vzniku 3C krystalického SiC (3C-SiC). Mimoosovým řezáním lze na povrch substrátu 4H-SiC <0001> zavést atomové stupně s vysokou hustotou a úzkou terasovitou šířkou a adsorbovaný prekurzor může efektivně dosáhnout polohy atomového stupně s relativně nízkou povrchovou energií prostřednictvím povrchové difúze. V tomto kroku je pozice vazby prekurzorového atomu/molekulární skupiny jedinečná, takže v režimu růstu s postupným tokem může epitaxní vrstva dokonale zdědit sekvenci vrstvení dvojité atomové vrstvy Si-C substrátu a vytvořit tak monokrystal se stejnou krystalovou fází jako substrát.
(2) Vysokorychlostního epitaxního růstu se dosahuje zavedením zdroje křemíku obsahujícího chlor. V konvenčních systémech chemického nanášení plynů SiC jsou hlavními zdroji růstu silan a propan (nebo ethylen). Při zvyšování rychlosti růstu zvyšováním průtoku zdroje růstu, s rostoucím rovnovážným parciálním tlakem křemíkové složky, je snadné tvořit křemíkové shluky homogenní nukleací v plynné fázi, což výrazně snižuje míru využití zdroje křemíku. Tvorba křemíkových shluků výrazně omezuje zlepšení epitaxní rychlosti růstu. Zároveň mohou křemíkové shluky narušit stupňovitý růst a způsobit nukleaci defektů. Aby se zabránilo homogenní nukleaci v plynné fázi a zvýšila se rychlost epitaxního růstu, je zavedení zdrojů křemíku na bázi chloru v současné době hlavní metodou pro zvýšení rychlosti epitaxního růstu 4H-SiC.
1.2 Zařízení a procesní podmínky pro epitaxní SiC o průměru 200 mm (8 palců)
Experimenty popsané v tomto článku byly provedeny na monolitickém horizontálním epitaxním zařízení z SiC s horkou stěnou o rozměrech 150/200 mm (6/8 palce), které nezávisle vyvinula společnost 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxní pec podporuje plně automatické vkládání a vykládání destiček. Obrázek 1 je schematický diagram vnitřní struktury reakční komory epitaxního zařízení. Jak je znázorněno na obrázku 1, vnější stěna reakční komory je křemenný zvon s vodou chlazenou mezivrstvou a vnitřek zvonu je vysokoteplotní reakční komora, která se skládá z tepelně izolační uhlíkové plsti, dutiny z vysoce čistého speciálního grafitu, rotační základny s grafitovým plynem atd. Celý křemenný zvon je pokryt válcovou indukční cívkou a reakční komora uvnitř zvonu je elektromagneticky ohřívána středofrekvenčním indukčním zdrojem energie. Jak je znázorněno na obrázku 1 (b), nosný plyn, reakční plyn a dopující plyn proudí povrchem destičky v horizontálním laminárním proudění od reakční komory proti proudu k reakční komorě za ní a jsou odváděny ze zbytkového plynu. Aby byla zajištěna konzistence v rámci oplatky, oplatka nesená vzduchem plovoucí základnou se během procesu neustále otáčí.
Substrát použitý v experimentu je komerční vodivý substrát SiC typu n 4H-SiC o rozměrech <1120> a směru 4° mimo úhel, vyrobený společností Shanxi Shuoke Crystal. Jako hlavní zdroje růstu v procesním experimentu se používají trichlorsilan (SiHCl3, TCS) a ethylen (C2H4), z nichž TCS a C2H4 se používají jako zdroj křemíku a uhlíku, jako zdroj dopingu typu n se používá vysoce čistý dusík (N2) a jako ředicí a nosný plyn se používá vodík (H2). Teplotní rozsah epitaxního procesu je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesní tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa a průtok nosného plynu H2 je 100～140 l/min.
1.3 Testování a charakterizace epitaxních destiček
Pro charakterizaci průměru a rozložení tloušťky epitaxní vrstvy a koncentrace dopingu byl použit Fourierův infračervený spektrometr (výrobce zařízení Thermalfisher, model iS50) a tester koncentrace rtuťové sondy (výrobce zařízení Semilab, model 530L); tloušťka a koncentrace dopingu každého bodu v epitaxní vrstvě byly stanoveny odebráním bodů podél linie průměru protínající normálu hlavní referenční hrany pod úhlem 45° ve středu destičky s 5 mm odstraněním hrany. Pro destičku o průměru 150 mm bylo odebráno 9 bodů podél linie jednoho průměru (dva průměry byly na sebe kolmé) a pro destičku o průměru 200 mm bylo odebráno 21 bodů, jak je znázorněno na obrázku 2. Pro výběr oblastí o rozměrech 30 μm × 30 μm ve středové oblasti a na okraji (5 mm odstranění hrany) epitaxní destičky pro testování drsnosti povrchu epitaxní vrstvy byl použit mikroskop atomárních sil (výrobce zařízení Bruker, model Dimension Icon); Defekty epitaxní vrstvy byly měřeny pomocí testeru povrchových defektů (výrobce zařízení China Electronics). 3D zobrazovací zařízení bylo charakterizováno radarovým senzorem (model Mars 4410 Pro) od společnosti Kefenghua.
Čas zveřejnění: 4. září 2024