8-इंच SiC एपिटैक्सियल फर्नेस और होमोएपिटैक्सियल प्रक्रिया पर शोध-Ⅰ

वर्तमान में, SiC उद्योग 150 मिमी (6 इंच) से 200 मिमी (8 इंच) की ओर अग्रसर है। उद्योग में बड़े आकार और उच्च गुणवत्ता वाले SiC होमोएपिटैक्सियल वेफर्स की तत्काल मांग को पूरा करने के लिए, 150 मिमी और 200 मिमी आकार के वेफर्स का उत्पादन शुरू किया जा रहा है।4H-SiC होमोएपिटैक्सियल वेफर्सघरेलू सब्सट्रेट पर स्वतंत्र रूप से विकसित 200 मिमी SiC एपिटैक्सियल ग्रोथ उपकरण का उपयोग करके सफलतापूर्वक तैयार किया गया। 150 मिमी और 200 मिमी के लिए उपयुक्त एक होमोएपिटैक्सियल प्रक्रिया विकसित की गई, जिसमें एपिटैक्सियल ग्रोथ दर 60 माइक्रोमीटर/घंटा से अधिक हो सकती है। उच्च गति एपिटैक्सी की आवश्यकताओं को पूरा करते हुए, एपिटैक्सियल वेफर की गुणवत्ता उत्कृष्ट है। 150 मिमी और 200 मिमी मोटाई की एकरूपता सुनिश्चित की गई है।SiC एपिटैक्सियल वेफर्सइसे 1.5% के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है, सांद्रता की एकरूपता 3% से कम है, घातक दोष घनत्व 0.3 कण/सेमी² से कम है, और एपिटैक्सियल सतह खुरदरापन रूट मीन स्क्वायर Ra 0.15 एनएम से कम है, और सभी कोर प्रक्रिया संकेतक उद्योग के उन्नत स्तर पर हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों के प्रतिनिधियों में से एक है। इसमें उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति ड्रिफ्ट वेग और मजबूत विकिरण प्रतिरोध जैसी विशेषताएं हैं। इसने विद्युत उपकरणों की ऊर्जा प्रसंस्करण क्षमता को काफी हद तक बढ़ाया है और उच्च शक्ति, छोटे आकार, उच्च तापमान, उच्च विकिरण और अन्य चरम स्थितियों वाले उपकरणों के लिए अगली पीढ़ी के विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की सेवा आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। यह स्थान को कम कर सकता है, बिजली की खपत को कम कर सकता है और शीतलन आवश्यकताओं को कम कर सकता है। इसने नई ऊर्जा वाहनों, रेल परिवहन, स्मार्ट ग्रिड और अन्य क्षेत्रों में क्रांतिकारी बदलाव लाए हैं। इसलिए, सिलिकॉन कार्बाइड अर्धचालकों को अगली पीढ़ी के उच्च-शक्ति विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का नेतृत्व करने वाली आदर्श सामग्री के रूप में मान्यता प्राप्त हो गई है। हाल के वर्षों में, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उद्योग के विकास के लिए राष्ट्रीय नीति के समर्थन के कारण, चीन में 150 मिमी SiC उपकरण उद्योग प्रणाली का अनुसंधान और विकास और निर्माण लगभग पूरा हो चुका है, और औद्योगिक श्रृंखला की सुरक्षा लगभग सुनिश्चित हो गई है। इसलिए, उद्योग का ध्यान धीरे-धीरे लागत नियंत्रण और दक्षता सुधार की ओर स्थानांतरित हो गया है। तालिका 1 में दर्शाए अनुसार, 150 मिमी की तुलना में 200 मिमी SiC की एज यूटिलाइज़ेशन दर अधिक है, और सिंगल वेफर चिप्स का उत्पादन लगभग 1.8 गुना बढ़ाया जा सकता है। तकनीक के परिपक्व होने के बाद, एक चिप की निर्माण लागत में 30% तक की कमी आ सकती है। 200 मिमी की यह तकनीकी सफलता "लागत कम करने और दक्षता बढ़ाने" का प्रत्यक्ष साधन है, और यह हमारे देश के सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए "समानांतर चलने" या यहां तक ​​कि "नेतृत्व करने" की कुंजी भी है।

Si डिवाइस प्रक्रिया से भिन्न,SiC अर्धचालक विद्युत उपकरणसभी प्रक्रियाओं और निर्माण में एपिटैक्सियल परतों को आधारशिला माना जाता है। एपिटैक्सियल वेफर्स SiC पावर उपकरणों के लिए आवश्यक आधारभूत सामग्री हैं। एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता सीधे उपकरण की उत्पादन क्षमता निर्धारित करती है, और इसकी लागत चिप निर्माण लागत का 20% होती है। इसलिए, एपिटैक्सियल वृद्धि SiC पावर उपकरणों में एक आवश्यक मध्यवर्ती कड़ी है। एपिटैक्सियल प्रक्रिया स्तर की ऊपरी सीमा एपिटैक्सियल उपकरण द्वारा निर्धारित की जाती है। वर्तमान में, चीन में 150 मिमी SiC एपिटैक्सियल उपकरणों की उपलब्धता अपेक्षाकृत अधिक है, लेकिन 200 मिमी उपकरणों की समग्र उपलब्धता अंतरराष्ट्रीय स्तर से पीछे है। इसलिए, घरेलू तृतीय-पीढ़ी अर्धचालक उद्योग के विकास के लिए बड़े आकार और उच्च गुणवत्ता वाली एपिटैक्सियल सामग्री के निर्माण की तात्कालिक आवश्यकताओं और बाधाओं को दूर करने के लिए, यह शोधपत्र देश में सफलतापूर्वक विकसित 200 मिमी SiC एपिटैक्सियल उपकरण का परिचय देता है और इसकी एपिटैक्सियल प्रक्रिया का अध्ययन करता है। प्रक्रिया तापमान, वाहक गैस प्रवाह दर, C/Si अनुपात आदि जैसे प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करके, स्वतंत्र रूप से विकसित 200 मिमी सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल फर्नेस का उपयोग करके 150 मिमी और 200 मिमी SiC एपिटैक्सियल वेफर्स की सांद्रता एकरूपता <3%, मोटाई असमानता <1.5%, खुरदरापन Ra <0.2 nm और घातक दोष घनत्व <0.3 कण/सेमी² प्राप्त किया गया है। उपकरण की प्रक्रिया का स्तर उच्च गुणवत्ता वाले SiC पावर डिवाइस के निर्माण की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है।

 

1 प्रयोग

 

1.1 सिद्धांतSiC एपिटैक्सियलप्रक्रिया

4H-SiC होमोएपिटैक्सियल वृद्धि प्रक्रिया में मुख्य रूप से दो प्रमुख चरण शामिल हैं: 4H-SiC सब्सट्रेट की उच्च-तापमान इन-सीटू एचिंग और समरूप रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रिया। सब्सट्रेट की इन-सीटू एचिंग का मुख्य उद्देश्य वेफर पॉलिशिंग के बाद सब्सट्रेट की सतह के नीचे की क्षति, अवशिष्ट पॉलिशिंग तरल, कणों और ऑक्साइड परत को हटाना है, जिससे एचिंग द्वारा सब्सट्रेट की सतह पर एक नियमित परमाणु चरण संरचना का निर्माण किया जा सके। इन-सीटू एचिंग आमतौर पर हाइड्रोजन वातावरण में की जाती है। वास्तविक प्रक्रिया आवश्यकताओं के अनुसार, हाइड्रोजन क्लोराइड, प्रोपेन, एथिलीन या सिलान जैसी सहायक गैस की थोड़ी मात्रा भी मिलाई जा सकती है। इन-सीटू हाइड्रोजन एचिंग का तापमान आमतौर पर 1600 ℃ से ऊपर होता है, और एचिंग प्रक्रिया के दौरान प्रतिक्रिया कक्ष का दबाव आमतौर पर 2×10⁴ Pa से नीचे नियंत्रित किया जाता है।

इन-सीटू एचिंग द्वारा सबस्ट्रेट सतह को सक्रिय करने के बाद, यह उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रिया में प्रवेश करती है, अर्थात्, वृद्धि स्रोत (जैसे एथिलीन/प्रोपेन, टीसीएस/सिलान), डोपिंग स्रोत (एन-टाइप डोपिंग स्रोत नाइट्रोजन, पी-टाइप डोपिंग स्रोत टीएमएएल), और हाइड्रोजन क्लोराइड जैसी सहायक गैस को वाहक गैस (आमतौर पर हाइड्रोजन) के बड़े प्रवाह के माध्यम से प्रतिक्रिया कक्ष में पहुँचाया जाता है। उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्ष में गैस की प्रतिक्रिया के बाद, अग्रदूत का एक भाग रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करता है और वेफर सतह पर अधिशोषित हो जाता है, और एकल-क्रिस्टल 4H-SiC सबस्ट्रेट को टेम्पलेट के रूप में उपयोग करके एक विशिष्ट डोपिंग सांद्रता, विशिष्ट मोटाई और उच्च गुणवत्ता वाली एकल-क्रिस्टल समरूप 4H-SiC एपिटैक्सियल परत सबस्ट्रेट सतह पर बनती है। वर्षों के तकनीकी अन्वेषण के बाद, 4H-SiC होमोएपिटैक्सियल तकनीक मूल रूप से परिपक्व हो चुकी है और औद्योगिक उत्पादन में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। विश्व में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली 4H-SiC होमोएपिटैक्सियल तकनीक में दो विशिष्ट विशेषताएं हैं:
(1) ऑफ-एक्सिस (<0001> क्रिस्टल तल के सापेक्ष, <11-20> क्रिस्टल दिशा की ओर) तिरछे कटे हुए सबस्ट्रेट को टेम्पलेट के रूप में उपयोग करके, अशुद्धियों से रहित उच्च-शुद्धता वाली एकल-क्रिस्टल 4H-SiC एपिटैक्सियल परत को स्टेप-फ्लो वृद्धि विधि द्वारा सबस्ट्रेट पर जमा किया जाता है। प्रारंभिक 4H-SiC होमोएपिटैक्सियल वृद्धि में धनात्मक क्रिस्टल सबस्ट्रेट, अर्थात् वृद्धि के लिए <0001> Si तल का उपयोग किया जाता था। धनात्मक क्रिस्टल सबस्ट्रेट की सतह पर परमाणु चरणों का घनत्व कम होता है और टेरेस चौड़े होते हैं। एपिटैक्सी प्रक्रिया के दौरान द्वि-आयामी न्यूक्लिएशन वृद्धि आसानी से हो सकती है जिससे 3C क्रिस्टल SiC (3C-SiC) बनता है। ऑफ-एक्सिस कटिंग द्वारा, 4H-SiC <0001> सबस्ट्रेट की सतह पर उच्च-घनत्व, संकीर्ण टेरेस चौड़ाई वाले परमाणु चरण उत्पन्न किए जा सकते हैं, और अधिशोषित अग्रदूत सतह प्रसार के माध्यम से अपेक्षाकृत कम सतह ऊर्जा वाले परमाणु चरण की स्थिति तक प्रभावी ढंग से पहुंच सकता है। इस चरण में, पूर्ववर्ती परमाणु/आणविक समूह बंधन की स्थिति अद्वितीय होती है, इसलिए चरणबद्ध प्रवाह वृद्धि विधि में, उप-कक्षीय परत सब्सट्रेट के Si-C दोहरे परमाणु परत स्टैकिंग अनुक्रम को पूरी तरह से विरासत में प्राप्त कर सकती है ताकि सब्सट्रेट के समान क्रिस्टल चरण वाला एक एकल क्रिस्टल बन सके।
(2) क्लोरीन युक्त सिलिकॉन स्रोत का प्रयोग करके उच्च गति एपिटैक्सियल वृद्धि प्राप्त की जाती है। पारंपरिक SiC रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रणालियों में, सिलान और प्रोपेन (या एथिलीन) मुख्य वृद्धि स्रोत होते हैं। वृद्धि स्रोत प्रवाह दर बढ़ाकर वृद्धि दर बढ़ाने की प्रक्रिया में, जैसे-जैसे सिलिकॉन घटक का संतुलन आंशिक दाब बढ़ता जाता है, समरूप गैसीय अवस्था न्यूक्लिएशन द्वारा सिलिकॉन क्लस्टर आसानी से बन जाते हैं, जिससे सिलिकॉन स्रोत की उपयोग दर काफी कम हो जाती है। सिलिकॉन क्लस्टरों का बनना एपिटैक्सियल वृद्धि दर में सुधार को काफी हद तक सीमित कर देता है। साथ ही, सिलिकॉन क्लस्टर चरणबद्ध वृद्धि को बाधित कर सकते हैं और दोष न्यूक्लिएशन का कारण बन सकते हैं। समरूप गैसीय अवस्था न्यूक्लिएशन से बचने और एपिटैक्सियल वृद्धि दर बढ़ाने के लिए, क्लोरीन-आधारित सिलिकॉन स्रोतों का प्रयोग वर्तमान में 4H-SiC की एपिटैक्सियल वृद्धि दर बढ़ाने की मुख्य विधि है।

 

1.2 200 मिमी (8 इंच) SiC एपिटैक्सियल उपकरण और प्रक्रिया की स्थितियाँ

इस शोधपत्र में वर्णित सभी प्रयोग 150/200 मिमी (6/8 इंच) संगत मोनोलिथिक क्षैतिज हॉट वॉल SiC एपिटैक्सियल उपकरण पर किए गए थे, जिसे चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशन के 48वें संस्थान द्वारा स्वतंत्र रूप से विकसित किया गया था। एपिटैक्सियल फर्नेस पूरी तरह से स्वचालित वेफर लोडिंग और अनलोडिंग की सुविधा प्रदान करता है। चित्र 1 एपिटैक्सियल उपकरण के प्रतिक्रिया कक्ष की आंतरिक संरचना का योजनाबद्ध आरेख है। चित्र 1 में दर्शाए अनुसार, प्रतिक्रिया कक्ष की बाहरी दीवार जल-शीतित अंतर्परत वाली क्वार्ट्ज बेल है, और बेल के अंदर एक उच्च-तापमान प्रतिक्रिया कक्ष है, जो तापीय इन्सुलेशन कार्बन फेल्ट, उच्च-शुद्धता वाले विशेष ग्रेफाइट कैविटी, ग्रेफाइट गैस-फ्लोटिंग रोटेटिंग बेस आदि से बना है। पूरी क्वार्ट्ज बेल एक बेलनाकार प्रेरण कुंडल से ढकी हुई है, और बेल के अंदर के प्रतिक्रिया कक्ष को मध्यम-आवृत्ति प्रेरण विद्युत आपूर्ति द्वारा विद्युत चुम्बकीय रूप से गर्म किया जाता है। चित्र 1 (b) में दिखाए अनुसार, वाहक गैस, अभिक्रिया गैस और डोपिंग गैस सभी अभिक्रिया कक्ष के अग्र भाग से अनुगामी भाग तक क्षैतिज स्तर पर वेफर की सतह से होकर प्रवाहित होती हैं और अंत में निकलने वाली गैस के अंतिम सिरे से बाहर निकल जाती हैं। वेफर के भीतर एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए, वायु-तैरते आधार द्वारा ले जाए जा रहे वेफर को प्रक्रिया के दौरान निरंतर घुमाया जाता है।

प्रयोग में प्रयुक्त सबस्ट्रेट, शानक्सी शुओके क्रिस्टल द्वारा निर्मित एक व्यावसायिक 150 मिमी, 200 मिमी (6 इंच, 8 इंच) <1120> दिशा 4° ऑफ-एंगल वाला प्रवाहकीय एन-टाइप 4H-SiC द्विपक्षीय पॉलिश किया हुआ SiC सबस्ट्रेट है। इस प्रक्रिया प्रयोग में ट्राइक्लोरोसिलैन (SiHCl3, TCS) और एथिलीन (C2H4) को मुख्य वृद्धि स्रोत के रूप में उपयोग किया गया है, जिनमें से TCS और C2H4 को क्रमशः सिलिकॉन स्रोत और कार्बन स्रोत के रूप में, उच्च-शुद्धता वाले नाइट्रोजन (N2) को एन-टाइप डोपिंग स्रोत के रूप में, और हाइड्रोजन (H2) को तनुकरण गैस और वाहक गैस के रूप में उपयोग किया गया है। एपिटैक्सियल प्रक्रिया का तापमान 1600 ~ 1660 ℃ के बीच, प्रक्रिया दाब 8×10³ ~ 12×10³ Pa के बीच, और H2 वाहक गैस प्रवाह दर 100～140 L/min है।

 

1.3 एपिटैक्सियल वेफर परीक्षण और लक्षण वर्णन

फूरियर इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर (उपकरण निर्माता थर्मलफिशर, मॉडल iS50) और मरकरी प्रोब सांद्रता परीक्षक (उपकरण निर्माता सेमिलाब, मॉडल 530L) का उपयोग एपिटैक्सियल परत की मोटाई और डोपिंग सांद्रता के औसत और वितरण को निर्धारित करने के लिए किया गया था; एपिटैक्सियल परत में प्रत्येक बिंदु की मोटाई और डोपिंग सांद्रता को वेफर के केंद्र में 45° पर मुख्य संदर्भ किनारे की सामान्य रेखा को प्रतिच्छेद करने वाली व्यास रेखा के साथ 5 मिमी किनारे को हटाकर बिंदुओं को लेकर निर्धारित किया गया था। 150 मिमी वेफर के लिए, एक ही व्यास रेखा के अनुदिश 9 बिंदु लिए गए (दो व्यास एक दूसरे के लंबवत थे), और 200 मिमी वेफर के लिए, 21 बिंदु लिए गए, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। एपिटैक्सियल परत की सतह खुरदरापन का परीक्षण करने के लिए एपिटैक्सियल वेफर के मध्य क्षेत्र और किनारे के क्षेत्र (5 मिमी किनारे की कटाई) में 30 μm × 30 μm क्षेत्रों का चयन करने के लिए एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (उपकरण निर्माता ब्रुकर, मॉडल डायमेंशन आइकॉन) का उपयोग किया गया था; एपिटैक्सियल परत के दोषों को सतह दोष परीक्षक (उपकरण निर्माता चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स) का उपयोग करके मापा गया था। 3डी इमेजर को केफेंघुआ के रडार सेंसर (मॉडल मार्स 4410 प्रो) द्वारा कैरेक्टराइज्ड किया गया था।