Praegu on ränikarbiidi (SiC) tööstus üleminekul 150 mm-lt (6 tolli) 200 mm-le (8 tolli). Selleks, et rahuldada tööstuses kiireloomulist nõudlust suurte ja kvaliteetsete ränikarbiidi (SiC) homoepitaksiaalsete vahvlite järele, kasutatakse 150 mm ja 200 mm...4H-SiC homoepitaksiaalsed vahvlidiseseisvalt väljatöötatud 200 mm SiC epitaksiaalse kasvuseadme abil valmistati edukalt kodumaistel aluspindadel. Töötati välja 150 mm ja 200 mm jaoks sobiv homoepitaksiaalne protsess, mille puhul epitaksiaalne kasvukiirus võib olla suurem kui 60 μm/h. Kuigi see vastab kiirele epitaksiale, on epitaksiaalse vahvli kvaliteet suurepärane. 150 mm ja 200 mm paksuse paksuse ühtlusSiC epitaksiaalsed vahvlidsaab kontrollida 1,5% piires, kontsentratsiooni ühtlus on alla 3%, surmava defekti tihedus on alla 0,3 osakese/cm2 ja epitaksiaalse pinna kareduse ruutkeskmine väärtus Ra on alla 0,15 nm ning kõik põhiprotsessi näitajad on tööstusharu kõrgtasemel.
Ränikarbiid (SiC)on üks kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide esindajaid. Sellel on kõrge läbilöögivälja tugevus, suurepärane soojusjuhtivus, suur elektronide küllastuskiirus ja tugev kiirguskindlus. See on oluliselt laiendanud jõuseadmete energiatöötlusvõimsust ja suudab rahuldada järgmise põlvkonna jõuelektroonikaseadmete teenindusnõudeid suure võimsuse, väikese suurusega, kõrge temperatuuri, suure kiirguse ja muude äärmuslike tingimustega seadmete jaoks. See võib vähendada ruumi, vähendada energiatarbimist ja jahutusvajadust. See on toonud kaasa revolutsioonilisi muutusi uute energiasõidukite, raudteetranspordi, nutivõrkude ja muude valdkondade puhul. Seetõttu on ränikarbiidist pooljuhid saanud ideaalseks materjaliks, mis juhib järgmise põlvkonna suure võimsusega jõuelektroonikaseadmeid. Viimastel aastatel on tänu riiklikule poliitilisele toetusele kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstuse arendamisele Hiinas 150 mm ränikarbiidist seadmete tööstussüsteemi uurimis- ja arendustegevus ning ehitus põhimõtteliselt lõpule viidud ning tööstusahela turvalisus on põhimõtteliselt tagatud. Seetõttu on tööstuse fookus järk-järgult nihkunud kulude kontrollile ja efektiivsuse parandamisele. Nagu tabelis 1 näidatud, on 200 mm ränikarbiidil võrreldes 150 mm-ga kõrgem servade kasutusmäär ning üksikute vahvlikiipide toodangut saab suurendada umbes 1,8 korda. Pärast tehnoloogia küpsemist saab ühe kiibi tootmiskulusid vähendada 30%. 200 mm tehnoloogiline läbimurre on otsene vahend "kulude vähendamiseks ja efektiivsuse suurendamiseks" ning see on ka minu riigi pooljuhtide tööstuse võti "paralleelselt" või isegi "eesrindlikuks" muutumiseks.
Erinevalt Si-seadme protsessist,SiC pooljuhttoiteseadmedkõik töödeldakse ja valmistatakse epitaksiaalkihtidega nurgakivina. Epitaksiaalvahvlid on SiC-toiteseadmete olulised alusmaterjalid. Epitaksiaalkihi kvaliteet määrab otseselt seadme saagise ja selle maksumus moodustab 20% kiibi tootmiskuludest. Seetõttu on epitaksiaalne kasv SiC-toiteseadmetes oluline vahelüli. Epitaksiaalse protsessi taseme ülempiiri määravad epitaksiaalseadmed. Praegu on 150 mm SiC epitaksiaalseadmete lokaliseerimisaste Hiinas suhteliselt kõrge, kuid 200 mm üldine paigutus jääb samal ajal rahvusvahelisest tasemest maha. Seetõttu tutvustatakse selles artiklis minu riigis edukalt välja töötatud 200 mm SiC epitaksiaalseadet ja uuritakse epitaksiaalset protsessi. Protsessiparameetrite, näiteks protsessi temperatuuri, kandegaasi voolukiiruse, C/Si suhte jne optimeerimise abil saavutatakse 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalsete vahvlite kontsentratsiooni ühtlus <3%, paksuse ebaühtlus <1,5%, karedus Ra <0,2 nm ja fataalsete defektide tihedus <0,3 tera/cm2 iseseisvalt väljatöötatud 200 mm ränikarbiidist epitaksiaalahju abil. Seadmete protsessitase suudab rahuldada kvaliteetsete SiC-jõuseadmete ettevalmistamise vajadusi.
1 katse
1.1 PõhimõteSiC epitaksiaalneprotsess
4H-SiC homoepitaksiaalne kasvuprotsess hõlmab peamiselt kahte põhietappi: 4H-SiC substraadi kõrgel temperatuuril kohapeal söövitamist ja homogeenset keemilist aurustamise protsessi. Substraadi kohapeal söövitamise peamine eesmärk on eemaldada substraadi pinnalt pärast poleerimist tekkinud pinnaalused kahjustused, poleerimisvedeliku jäägid, osakesed ja oksiidikiht, et söövitamise teel moodustada substraadi pinnale regulaarne aatomisammuline struktuur. In situ söövitamine toimub tavaliselt vesinikuatmosfääris. Vastavalt tegelikele protsessinõuetele võib lisada ka väikese koguse abigaasi, näiteks vesinikkloriidi, propaani, etüleeni või silaani. In situ vesiniksöövitamise temperatuur on üldiselt üle 1600 ℃ ja reaktsioonikambri rõhku hoitakse söövitusprotsessi ajal üldiselt alla 2 × 104 Pa.
Pärast substraadi pinna aktiveerimist kohapeal söövitamise teel siseneb see kõrgtemperatuurilise keemilise aurustamise protsessi, st kasvuallikas (näiteks etüleen/propaan, TCS/silaan), dopingallikas (n-tüüpi dopingallikas lämmastik, p-tüüpi dopingallikas TMAl) ja abigaas, näiteks vesinikkloriid, transporditakse reaktsioonikambrisse suure kandegaasi (tavaliselt vesiniku) voolu kaudu. Pärast gaasi reageerimist kõrgtemperatuurilises reaktsioonikambris reageerib osa eelkäijast keemiliselt ja adsorbeerub vahvli pinnale ning substraadi pinnale moodustub monokristalliline homogeenne 4H-SiC epitaksiaalkiht, millel on kindel dopingukontsentratsioon, kindel paksus ja kõrgem kvaliteet, kasutades mallina monokristallilist 4H-SiC substraati. Pärast aastaid kestnud tehnilist uurimistööd on 4H-SiC homoepitaksiaaltehnoloogia põhimõtteliselt küpsenud ja seda kasutatakse laialdaselt tööstuslikus tootmises. Maailmas enimkasutataval 4H-SiC homoepitaksiaaltehnoloogial on kaks tüüpilist omadust:
(1) Kasutades mallina teljevälist (<0001> kristalli tasapinna suhtes, <11-20> kristalli suuna suunas) kaldu lõigatud substraati, sadestatakse substraadile astmelise vooluga kasvurežiimi kujul kõrge puhtusastmega monokristalliline 4H-SiC epitaksiaalne kiht ilma lisanditeta. Varajane 4H-SiC homoepitaksiaalne kasv kasutas kasvuks positiivset kristallsubstraati, st <0001> Si tasapinda. Aatomiastmete tihedus positiivse kristallsubstraadi pinnal on madal ja terrassid on laiad. Epitaksiaalse protsessi käigus on 3C kristall-SiC (3C-SiC) moodustamiseks lihtne kahemõõtmeline tuumastumiskasv. Teljevälise lõikamise abil saab 4H-SiC <0001> substraadi pinnale sisse viia suure tihedusega, kitsa terrassi laiusega aatomiastmeid ning adsorbeeritud eelkäija saab pinna difusiooni teel suhteliselt madala pinnaenergiaga tõhusalt saavutada aatomiastme positsiooni. Selles etapis on eelkäija aatomi/molekulaarrühma sideme positsioon ainulaadne, seega astmelise voolu kasvurežiimis saab epitaksiaalne kiht ideaalselt pärida substraadi Si-C kahekordse aatomikihi virnastusjärjestuse, moodustades substraadiga sama kristallifaasiga monokristalli.
(2) Kiire epitaksiaalne kasv saavutatakse kloori sisaldava räniallika sissetoomisega. Tavapärastes SiC keemilise aurustamise süsteemides on peamised kasvuallikad silaan ja propaan (või etüleen). Kasvuallika voolukiiruse suurendamise protsessis on ränikomponendi tasakaalulise osarõhu jätkuva suurenemise tõttu lihtne moodustada räniklastreid homogeense gaasifaasi tuumastumise teel, mis vähendab oluliselt räniallika kasutusmäära. Räniklastrite moodustumine piirab oluliselt epitaksiaalse kasvukiiruse paranemist. Samal ajal võivad räniklastrid häirida astmelise voolu kasvu ja põhjustada defektide tuumastumist. Homogeense gaasifaasi tuumastumise vältimiseks ja epitaksiaalse kasvukiiruse suurendamiseks on klooripõhiste räniallikate sissetoomine praegu peamine meetod 4H-SiC epitaksiaalse kasvukiiruse suurendamiseks.
1.2 200 mm (8-tolline) SiC epitaksiaalseadmed ja protsessitingimused
Selles artiklis kirjeldatud katsed viidi kõik läbi 150/200 mm (6/8-tollise) ühilduva monoliitsel horisontaalsel kuuma seinaga SiC epitaksiaalseadmel, mille on iseseisvalt välja töötanud 48. Hiina Elektroonikatehnoloogia Grupi Korporatsiooni Instituut. Epitaksiaalahju abil toimub täisautomaatne kiipide laadimine ja mahalaadimine. Joonis 1 on epitaksiaalseadme reaktsioonikambri sisestruktuuri skemaatiline diagramm. Nagu joonisel 1 näidatud, on reaktsioonikambri välissein kvartsist kell, millel on vesijahutusega vahekiht, ja kellukese sisemus on kõrgtemperatuuriline reaktsioonikamber, mis koosneb soojusisolatsiooniga süsinikvildist, kõrge puhtusastmega spetsiaalsest grafiidist õõnsusest, grafiitgaasiga ujuvast pöörlevast alusest jne. Kogu kvartsist kell on kaetud silindrilise induktsioonmähisega ja kellukese sees olevat reaktsioonikambrit kuumutatakse elektromagnetiliselt keskmise sagedusega induktsioontoiteallikaga. Nagu joonisel 1 (b) näidatud, voolavad kandegaas, reaktsioonigaas ja legeerimisgaas kõik läbi kiibi pinna horisontaalse laminaarse vooluna reaktsioonikambri ülesvoolust reaktsioonikambri allavoolu ja väljutatakse jääkgaasi otsast. Vahvli ühtluse tagamiseks pööratakse õhus hõljuva aluse külge kinnitatud vahvlit protsessi ajal pidevalt.
Katses kasutatud substraat on kaubanduslik 150 mm, 200 mm (6 tolli, 8 tolli) <1120> suunas 4° nurga all juhtiv n-tüüpi 4H-SiC kahepoolne poleeritud SiC substraat, mida toodab Shanxi Shuoke Crystal. Protsessi katses kasutatakse peamiste kasvuallikatena triklorosilaani (SiHCl3, TCS) ja etüleeni (C2H4), millest TCS ja C2H4 on vastavalt räni ja süsiniku allikas, kõrge puhtusastmega lämmastik (N2) on n-tüüpi dopeerimisallikas ja vesinik (H2) on lahjendus- ja kandegaas. Epitaksiaalse protsessi temperatuurivahemik on 1600–1660 ℃, protsessi rõhk on 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ja H2 kandegaas voolukiirus on 100–140 l/min.
1.3 Epitaksiaalne vahvli testimine ja iseloomustus
Epitaksiaalkihi paksuse ja dopingukontsentratsiooni keskmise ja jaotuse iseloomustamiseks kasutati Fourier' infrapunaspektromeetrit (seadme tootja Thermalfisher, mudel iS50) ja elavhõbedasondi kontsentratsiooni testerit (seadme tootja Semilab, mudel 530L); epitaksiaalkihi iga punkti paksus ja dopingukontsentratsioon määrati, võttes punkte mööda läbimõõdu joont, mis lõikub peamise võrdlusserva normaaljoonega 45° nurga all vahvli keskel, servade eemaldamisega 5 mm. 150 mm vahvli puhul võeti 9 punkti mööda ühte läbimõõdu joont (kaks läbimõõtu olid üksteisega risti) ja 200 mm vahvli puhul võeti 21 punkti, nagu on näidatud joonisel 2. Epitaksiaalkihi pinnakareduse testimiseks kasutati aatomjõumikroskoopi (seadme tootja Bruker, mudel Dimension Icon), et valida epitaksiaalkihi keskpunktist ja servapiirkonnast (servade eemaldamine 5 mm) 30 μm × 30 μm suurused alad. Epitaksiaalkihi defekte mõõdeti pinnadefektide testeriga (seadme tootja China Electronics). 3D-kujutist iseloomustati Kefenghua radarsensoriga (mudel Mars 4410 pro).
Postituse aeg: 04.09.2024