Tällä hetkellä piikarbiditeollisuus on siirtymässä 150 mm:stä (6 tuumaa) 200 mm:iin (8 tuumaa). Jotta alan kiireelliseen kysyntään suurikokoisille ja korkealaatuisille piikarbidihomoepitaksiaalisille kiekoille saataisiin tyydytettyä, 150 mm:n ja 200 mm:n...4H-SiC-homoepitaksiaaliset kiekotvalmistettiin onnistuneesti kotimaisille alustoille käyttämällä itsenäisesti kehitettyä 200 mm:n piikarbidin epitaksiaalikasvatuslaitteistoa. Kehitettiin 150 mm:lle ja 200 mm:lle sopiva homoepitaksiaalinen prosessi, jossa epitaksiaalinen kasvunopeus voi olla yli 60 µm/h. Samalla kun epitaksiaalikiekon laatu on erinomainen, se täyttää nopean epitaksian vaatimukset. 150 mm:n ja 200 mm:n paksuuden tasaisuusPiikarbidiepitaksiaaliset kiekotvoidaan säätää 1,5 %:n tarkkuudella, pitoisuuden tasaisuus on alle 3 %, kuolemaan johtavan virheen tiheys on alle 0,3 hiukkasta/cm2 ja epitaksiaalisen pinnan karheuden neliöjuuriarvo Ra on alle 0,15 nm, ja kaikki ydinprosessin indikaattorit ovat alan edistyneellä tasolla.
Piikarbidi (SiC)on yksi kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalien edustajista. Sillä on ominaisuuksia, kuten korkea läpilyöntikentän voimakkuus, erinomainen lämmönjohtavuus, suuri elektronien kyllästymisnopeus ja vahva säteilynkestävyys. Se on laajentanut huomattavasti teholaitteiden energiankäsittelykapasiteettia ja pystyy täyttämään seuraavan sukupolven tehoelektronisten laitteiden käyttövaatimukset suuritehoisille, pienikokoisille, korkeissa lämpötiloissa, voimakkaassa säteilyssä ja muissa äärimmäisissä olosuhteissa. Se voi vähentää tilaa, vähentää virrankulutusta ja vähentää jäähdytystarpeita. Se on tuonut mullistavia muutoksia uusiin energiankulutusajoneuvoihin, rautatieliikenteeseen, älykkäisiin sähköverkkoihin ja muille aloille. Siksi piikarbidipuolijohteet on tunnustettu ihanteelliseksi materiaaliksi, joka johtaa seuraavan sukupolven suuritehoisia tehoelektronisia laitteita. Viime vuosina kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuuden kehittämisen kansallisen poliittisen tuen ansiosta 150 mm:n piikarbidilaiteteollisuusjärjestelmän tutkimus- ja kehitystyö sekä rakentaminen on käytännössä saatu päätökseen Kiinassa, ja teollisuusketjun turvallisuus on käytännössä taattu. Siksi alan painopiste on vähitellen siirtynyt kustannusten hallintaan ja tehokkuuden parantamiseen. Kuten taulukosta 1 käy ilmi, 200 mm:n piikarbidilla on 150 mm:iin verrattuna korkeampi reunan käyttöaste, ja yksittäisten kiekkojen tuotantoa voidaan lisätä noin 1,8-kertaisesti. Teknologian kypsyessä yksittäisen sirun valmistuskustannuksia voidaan vähentää 30 %. 200 mm:n teknologinen läpimurto on suora keino "vähentää kustannuksia ja lisätä tehokkuutta", ja se on myös avain maani puolijohdeteollisuuden "rinnakkaiseen" tai jopa "johtamiseen".
Eroaa Si-laitteen prosessista,SiC-puolijohdeteholaitteetkaikki käsitellään ja valmistetaan epitaksiaaliset kerrokset kulmakivenä. Epitaksiaaliset kiekot ovat olennainen perusmateriaali piikarbiditeholaitteille. Epitaksiaalikerroksen laatu määrää suoraan laitteen saannon, ja sen kustannukset muodostavat 20 % sirun valmistuskustannuksista. Siksi epitaksiaalinen kasvatus on olennainen välikappale piikarbiditeholaitteissa. Epitaksiaalisen prosessitason ylärajan määräävät epitaksiaaliset laitteet. Tällä hetkellä 150 mm:n piikarbidiepitaksiaalisten laitteiden lokalisointiaste Kiinassa on suhteellisen korkea, mutta 200 mm:n yleinen asettelu on samalla jäljessä kansainvälisestä tasosta. Siksi tässä artikkelissa esitellään maassani menestyksekkäästi kehitetty 200 mm:n piikarbidiepitaksiaalinen laite ja tutkitaan epitaksiaalista prosessia, jotta voidaan ratkaista kiireelliset tarpeet ja pullonkaulaongelmat suurten ja korkealaatuisten epitaksiaalimateriaalien valmistuksessa kotimaisen kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuuden kehittämiseksi. Optimoimalla prosessiparametreja, kuten prosessilämpötilaa, kantokaasun virtausnopeutta, C/Si-suhdetta jne., saavutetaan 150 mm:n ja 200 mm:n piikarbidiepitaksiaalikiekkojen pitoisuuden tasaisuus <3 %, paksuuden epätasaisuus <1,5 %, karheus Ra <0,2 nm ja kuolemaan johtavien virheiden tiheys <0,3 rakeita/cm2 itsenäisesti kehitetyllä 200 mm:n piikarbidiepitaksiaaliuunilla. Laitteiston prosessitaso pystyy vastaamaan korkealaatuisten piikarbiditeholaitteiden valmistuksen tarpeisiin.
1 Koe
1.1 Periaatepiikarbidi epitaksiaalinenkäsitellä
4H-SiC:n homoepitaksiaalinen kasvatusprosessi sisältää pääasiassa kaksi keskeistä vaihetta: 4H-SiC-substraatin korkean lämpötilan in situ -etsauksen ja homogeenisen kemiallisen höyrypinnoituksen. Substraatin in situ -etsauksen päätarkoituksena on poistaa substraatin pinnan alla olevat vauriot kiekkojen kiillotuksen jälkeen, jäljelle jäänyt kiillotusneste, hiukkaset ja oksidikerros, jolloin substraatin pinnalle voidaan etsauksen avulla muodostaa säännöllinen atomiporrasrakenne. In situ -etsaus suoritetaan yleensä vetyatmosfäärissä. Todellisten prosessivaatimusten mukaan voidaan lisätä myös pieni määrä apukaasua, kuten vetykloridia, propaania, etyleeniä tai silaania. In situ -vetysyövytyksen lämpötila on yleensä yli 1 600 ℃, ja reaktiokammion paine pidetään yleensä alle 2 × 104 Pa:ssa etsausprosessin aikana.
Kun substraatin pinta on aktivoitu in situ -etsauksella, se siirtyy korkean lämpötilan kemialliseen höyrypinnoitusprosessiin, eli kasvulähde (kuten eteeni/propaani, TCS/silaani), dopinglähde (n-tyyppinen dopinglähde typpi, p-tyyppinen dopinglähde TMAl) ja apukaasu, kuten vetykloridi, kuljetetaan reaktiokammioon suuren kantajakaasun (yleensä vedyn) virtauksen kautta. Kun kaasu on reagoinut korkean lämpötilan reaktiokammiossa, osa esiasteesta reagoi kemiallisesti ja adsorboituu kiekon pinnalle, ja substraatin pinnalle muodostuu yksikiteinen homogeeninen 4H-SiC-epitaksiaalikerros, jolla on tietty dopingpitoisuus, tietty paksuus ja korkeampi laatu, käyttämällä yksikiteistä 4H-SiC-substraattia templaattina. Vuosien teknisen tutkimuksen jälkeen 4H-SiC-homoepitaksiaaliteknologia on pohjimmiltaan kypsynyt ja sitä käytetään laajalti teollisessa tuotannossa. Maailman laajimmin käytetyllä 4H-SiC-homoepitaksiaaliteknologialla on kaksi tyypillistä ominaisuutta:
(1) Käyttämällä epäsuorasti (suhteessa <0001>-kidetasoon, kohti <11-20>-kidesuuntaa) vinosti leikattua alustaa templaattina, alustalle kerrostetaan erittäin puhdas, yksikide-epitaksiaalinen 4H-SiC-kerros ilman epäpuhtauksia askelmakasvumoodissa. Varhaisessa 4H-SiC-homoepitaksiaalisessa kasvussa käytettiin positiivista kidealustaa, eli <0001> Si-tasoa, kasvuun. Atomivaiheiden tiheys positiivisen kidealustan pinnalla on pieni ja terassit ovat leveitä. Kaksiulotteinen ydintymiskasvu on helppoa epitaksiprosessin aikana 3C-kiteisen SiC:n (3C-SiC) muodostamiseksi. Epäsuoralla leikkauksella 4H-SiC <0001>-alustan pinnalle voidaan tuoda tiheitä, kapeita terassilevyisiä atomivaiheita, ja adsorboitunut esiaste voi tehokkaasti saavuttaa atomivaiheen aseman suhteellisen alhaisella pintaenergialla pintadiffuusion kautta. Vaiheessa esiasteatomin ja molekyyliryhmän sitoutumisasema on ainutlaatuinen, joten vaiheittaisen virtauksen kasvutilassa epitaksiaalinen kerros voi periä täydellisesti substraatin Si-C-kaksoisatomikerroksen pinoamisjärjestyksen muodostaen yksittäisen kiteen, jolla on sama kidefaasi kuin substraatilla.
(2) Nopea epitaksiaalinen kasvu saavutetaan lisäämällä klooria sisältävää piilähdettä. Perinteisissä piikarbidin kemiallisissa höyrypinnoitusjärjestelmissä silaani ja propaani (tai eteeni) ovat tärkeimmät kasvulähteet. Kasvulähteen virtausnopeutta lisäämällä kasvunopeutta lisättäessä piikomponentin tasapaino-osapaineen jatkuvasti kasvaessa on helppo muodostaa piiklustereita homogeenisen kaasufaasinukleaation avulla, mikä vähentää merkittävästi piilähteen käyttöastetta. Piiklusterien muodostuminen rajoittaa suuresti epitaksiaalisen kasvunopeuden paranemista. Samalla piiklusterit voivat häiritä porrasvirtauksen kasvua ja aiheuttaa virheiden nukleaatiota. Homogeenisen kaasufaasinukleaation välttämiseksi ja epitaksiaalisen kasvunopeuden lisäämiseksi klooripohjaisten piilähteiden käyttöönotto on tällä hetkellä yleisin menetelmä 4H-piikarbidin epitaksiaalisen kasvunopeuden lisäämiseksi.
1.2 200 mm:n (8 tuuman) piikarbidiepitaksiaalilaitteisto ja prosessiolosuhteet
Tässä artikkelissa kuvatut kokeet tehtiin kaikki 48. Kiinan elektroniikkateknologiaryhmän itsenäisesti kehittämällä 150/200 mm:n (6/8 tuuman) yhteensopivalla monoliittisella vaakasuoralla kuumaseinäisellä piikarbidiepitaksiaalilaitteella. Epitaksiaaliuuni tukee täysin automaattista kiekkojen lastausta ja purkamista. Kuva 1 on kaaviokuva epitaksiaalilaitteen reaktiokammion sisäisestä rakenteesta. Kuten kuvassa 1 on esitetty, reaktiokammion ulkoseinä on kvartsikello, jossa on vesijäähdytteinen välikerros, ja kellon sisäpuoli on korkean lämpötilan reaktiokammio, joka koostuu lämpöä eristävästä hiilihuovasta, erittäin puhtaasta erikoisgrafiittiontelosta, grafiittikaasulla kelluvasta pyörivästä pohjasta jne. Koko kvartsikello on peitetty sylinterimäisellä induktiokäämillä, ja kellon sisällä olevaa reaktiokammiota lämmitetään sähkömagneettisesti keskitaajuisella induktiovirtalähteellä. Kuten kuvassa 1 (b) on esitetty, kantajakaasu, reaktiokaasu ja seostuskaasu virtaavat kaikki kiekon pinnan läpi vaakasuorassa laminaarivirtauksessa reaktiokammion ylävirrasta reaktiokammion alavirtaan ja poistuvat jälkikaasupäästä. Kiekon sisäisen tasaisuuden varmistamiseksi ilmassa kelluvan pohjan kantamaa kiekkoa pyöritetään aina prosessin aikana.
Kokeessa käytetty substraatti on kaupallinen 150 mm:n, 200 mm:n (6 tuumaa, 8 tuumaa) <1120>-suuntainen, 4°:n kulmassa poikkeava johtava n-tyypin 4H-SiC-kaksipuolisesti kiillotettu piikarbidi-substraatti, jota valmistaa Shanxi Shuoke Crystal. Trikloorisilaania (SiHCl3, TCS) ja eteeniä (C2H4) käytetään pääasiallisina kasvulähteinä prosessikokeessa, joista TCS:ää ja C2H4:ää käytetään vastaavasti piin ja hiilen lähteenä, erittäin puhdasta typpeä (N2) käytetään n-tyypin dopinglähteenä ja vetyä (H2) käytetään laimennuskaasuna ja kantokaasuna. Epitaksiaalisen prosessin lämpötila-alue on 1 600–1 660 ℃, prosessipaine on 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ja H2-kantokaasun virtausnopeus on 100–140 l/min.
1.3 Epitaksiaalisen kiekon testaus ja karakterisointi
Fourier-infrapunaspektrometriä (laitevalmistaja Thermalfisher, malli iS50) ja elohopea-anturilla varustettua pitoisuusmittaria (laitevalmistaja Semilab, malli 530L) käytettiin epitaksiaalikerroksen paksuuden ja dopingpitoisuuden keskiarvon ja jakauman karakterisointiin. Epitaksiaalikerroksen kunkin pisteen paksuus ja dopingpitoisuus määritettiin ottamalla pisteitä pitkin halkaisijaviivaa, joka leikkaa pääreferenssireunan normaaliviivan 45° kulmassa kiekon keskellä 5 mm:n reunanpoistolla. 150 mm:n kiekolle otettiin 9 pistettä pitkin yhtä halkaisijaviivaa (kaksi halkaisijaa oli kohtisuorassa toisiinsa nähden) ja 200 mm:n kiekolle 21 pistettä, kuten kuvassa 2 on esitetty. Atomivoimamikroskooppia (laitevalmistaja Bruker, malli Dimension Icon) käytettiin valittamaan 30 μm × 30 μm:n alueet epitaksiaalikiekon keskialueelta ja reuna-alueelta (5 mm:n reunanpoisto) epitaksiaalikerroksen pinnan karheuden testaamiseksi. Epitaksiaalisen kerroksen viat mitattiin pintavirheiden testauslaitteella (laitevalmistaja China Electronics). 3D-kuvantamislaitetta karakterisoitiin Kefenghuan tutka-anturilla (malli Mars 4410 Pro).
Julkaisun aika: 04.09.2024