Trenutno se industrija SiC-a transformira 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 neovisno 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 uvjeta brze epitaksije, kvaliteta epitaksijalne pločice je izvrsna. Ujednačenost debljine od 150 mm i 200 mmSiC epitaksijalne pločicemože se kontrolirati unutar 1,5%, ujednačenost koncentracije je manja od 3%, gustoća fatalnih nedostataka 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 naprednoj razini industrije.
Silicijev karbid (SiC)je jedan od predstavnika poluvodičkih materijala treće generacije. Ima karakteristike visoke jakosti probojnog polja, izvrsne toplinske vodljivosti, velike brzine pomicanja zasićenja elektrona i jake otpornosti na zračenje. Uvelike 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 prijevoz, pametne mreže i druga područja. Stoga su silicijev-karbidni poluvodiči prepoznati kao idealan materijal koji će predvoditi sljedeću generaciju energetskih elektroničkih uređaja velike snage. Posljednjih godina, zahvaljujući nacionalnoj političkoj podršci za razvoj poluvodičke industrije treće generacije, istraživanje, razvoj i izgradnja 150 mm SiC sustava industrije uređaja u Kini su u osnovi dovršeni, a sigurnost industrijskog lanca je u osnovi zajamčena. Stoga se fokus industrije postupno pomaknuo na kontrolu troškova i poboljšanje učinkovitosti. Kao što je prikazano u Tablici 1, u usporedbi sa 150 mm, 200 mm SiC ima veću stopu iskorištenja ruba, 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 izravno je sredstvo za "smanjenje troškova i povećanje učinkovitosti", a ujedno je i ključ za poluvodičku industriju moje zemlje da "radi paralelno" ili čak "predvodi".
Za razliku od procesa Si uređaja,SiC poluvodički energetski uređajiSvi se obrađuju i pripremaju s epitaksijalnim slojevima kao temeljem. Epitaksijalne pločice su bitni osnovni materijali za SiC energetske uređaje. Kvaliteta epitaksijalnog sloja izravno određuje prinos uređaja, a njegov trošak čini 20% troškova proizvodnje čipa. Stoga je epitaksijalni rast bitna međukarika u SiC energetskim uređajima. Gornja granica razine epitaksijalnog procesa određena je epitaksijalnom opremom. Trenutno je stupanj lokalizacije 150 mm SiC epitaksijalne opreme u Kini relativno visok, ali ukupni raspored 200 mm istovremeno zaostaje za međunarodnom razinom. Stoga, kako bi se riješile hitne potrebe i problemi uskih grla u proizvodnji velikih, visokokvalitetnih epitaksijalnih materijala za razvoj domaće industrije poluvodiča 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 plina nosača, omjer C/Si itd., dobivene su ujednačenost koncentracije <3%, neujednačenost debljine <1,5%, hrapavost Ra <0,2 nm i gustoća fatalnih defekata <0,3 zrna/cm2 SiC epitaksijalnih pločica od 150 mm i 200 mm s neovisno razvijenom peći za epitaksijalno zagrijavanje silicij-karbida od 200 mm. Razina procesa opreme može zadovoljiti potrebe pripreme visokokvalitetnih SiC energetskih uređaja.
1 eksperiment
1.1 NačeloSiC epitaksijalniproces
Homoepitaksijalni proces rasta 4H-SiC uglavnom uključuje 2 ključna koraka, i to visokotemperaturno in-situ jetkanje 4H-SiC podloge i homogeni proces kemijskog taloženja iz pare. Glavna svrha in-situ jetkanja podloge je uklanjanje podpovršinskih oštećenja podloge nakon poliranja pločice, preostale tekućine za poliranje, čestica i oksidnog sloja, te se na površini podloge može formirati pravilna atomska stepenasta struktura jetkanjem. In-situ jetkanje se obično provodi u atmosferi vodika. Prema stvarnim zahtjevima procesa, može se dodati i mala količina pomoćnog plina, kao što su klorovodik, propan, etilen ili silan. Temperatura in-situ jetkanja vodikom općenito je iznad 1600 ℃, a tlak u reakcijskoj komori općenito se kontrolira ispod 2×10⁴ Pa tijekom procesa jetkanja.
Nakon što se površina supstrata aktivira in situ jetkanjem, ona ulazi u proces kemijskog 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 TMAli) i pomoćni plin poput klorovodika prenose se u reakcijsku komoru kroz veliki protok plina nosača (obično vodika). Nakon što plin reagira u reakcijskoj komori na visokim temperaturama, dio prekursora kemijski reagira i adsorbira se na površini pločice, te se na površini supstrata formira monokristalni homogeni 4H-SiC epitaksijalni sloj sa specifičnom koncentracijom dopiranja, specifičnom debljinom i višom 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 koso rezane podloge izvan osi (u odnosu na kristalnu ravninu <0001>, prema smjeru kristala <11-20>) kao predloška, epitaksijalni sloj monokristala 4H-SiC visoke čistoće bez nečistoća nanosi se na podlogu u obliku postupka rasta s postupnim protokom. Rani homoepitaksijalni rast 4H-SiC koristio je pozitivnu kristalnu podlogu, tj. ravninu <0001> Si za rast. Gustoća atomskih stepenica na površini pozitivne kristalne podloge je niska, a terase su široke. Dvodimenzionalni nukleacijski rast lako se događa tijekom procesa epitaksije kako bi se formirao 3C kristalni SiC (3C-SiC). Rezanjem izvan osi, atomske stepenice visoke gustoće i uske širine terase mogu se uvesti na površinu 4H-SiC <0001> podloge, a adsorbirani prekursor može učinkovito dosegnuti položaj atomske stepenice s relativno niskom površinskom energijom putem površinske difuzije. U tom koraku, položaj veze atoma prekursora/molekularne skupine je jedinstven, tako da u načinu rasta s postupnim protokom, epitaksijalni sloj može savršeno naslijediti slijed slaganja dvostrukog atomskog sloja Si-C supstrata kako bi se formirao jedan kristal s istom kristalnom fazom kao i supstrat.
(2) Brzi epitaksijalni rast postiže se uvođenjem izvora silicija koji sadrži klor. U konvencionalnim sustavima kemijskog taloženja iz pare SiC-a, silan i propan (ili etilen) su glavni izvori rasta. U procesu povećanja brzine rasta povećanjem brzine protoka izvora rasta, kako se ravnotežni parcijalni tlak silicijske komponente nastavlja povećavati, lako je formirati silicijeve klastere homogenom nukleacijom u plinovitoj fazi, što značajno smanjuje stopu iskorištenja silicijskog izvora. Formiranje silicijskih klastera uvelike ograničava poboljšanje epitaksijalne brzine rasta. Istovremeno, silicijevi klasteri mogu poremetiti postupni rast i uzrokovati nukleaciju defekata. Kako bi se izbjegla homogena nukleacija u plinovitoj fazi i povećala epitaksijalna brzina rasta, uvođenje silicijskih izvora na bazi klora trenutno je glavna metoda za povećanje epitaksijalne brzine rasta 4H-SiC-a.
1.2 Oprema i uvjeti procesa za epitaksijalnu SiC površinu od 200 mm (8 inča)
Eksperimenti opisani u ovom radu provedeni su na monolitnoj horizontalnoj epitaksijalnoj opremi od SiC s vrućom stijenkom dimenzija 150/200 mm (6/8 inča), koju je neovisno razvio 48. institut Kineske korporacije elektroničke tehnologije. Epitaksijalna peć podržava potpuno automatsko utovar i istovar pločica. Slika 1 je shematski dijagram unutarnje strukture reakcijske komore epitaksijalne opreme. Kao što je prikazano na slici 1, vanjski zid reakcijske komore je kvarcno zvono s vodom hlađenim međuslojem, a unutrašnjost zvona je reakcijska komora visoke temperature, koja se sastoji od toplinske izolacije od ugljičnog filca, šupljine od posebnog grafita visoke čistoće, rotirajuće baze s plutajućim grafitnim plinom itd. Cijelo kvarcno zvono prekriveno je cilindričnom indukcijskom zavojnicom, a reakcijska komora unutar zvona elektromagnetski se 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. Kako bi se osigurala konzistentnost unutar vafla, vafla koju nosi zračna plutajuća baza uvijek se rotira tijekom procesa.
Supstrat korišten u eksperimentu je komercijalni SiC supstrat od 150 mm, 200 mm (6 inča, 8 inča) <1120> smjera 4° van kuta, provodljiv pod kutom od 4°, n-tip 4H-SiC, dvostrano polirani, proizvođača Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilan (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 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 ℃, tlak procesa je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, a brzina protoka plina nosača H2 je 100～140 L/min.
1.3 Ispitivanje i karakterizacija epitaksijalnih pločica
Fourierovi infracrveni spektrometar (proizvođač opreme Thermalfisher, model iS50) i tester koncentracije žive sonde (proizvođač opreme Semilab, model 530L) korišteni su za karakterizaciju srednje vrijednosti i raspodjele debljine epitaksijalnog sloja i koncentracije dopiranja; debljina i koncentracija dopiranja svake točke u epitaksijalnom sloju određene su uzimanjem točaka duž linije promjera koja siječe normalu glavnog referentnog ruba pod kutom od 45° u središtu pločice s uklanjanjem ruba od 5 mm. Za pločicu od 150 mm uzeto je 9 točaka duž linije jednog promjera (dva promjera bila su okomita jedan na drugi), a za pločicu od 200 mm uzeta je 21 točka, kao što je prikazano na slici 2. Atomski silovni mikroskop (proizvođač opreme Bruker, model Dimension Icon) korišten je za odabir područja od 30 μm × 30 μm u središnjem području i rubnom području (uklanjanje ruba od 5 mm) epitaksijalne pločice radi ispitivanja hrapavosti površine epitaksijalnog sloja; Defekti epitaksijalnog sloja izmjereni su pomoću uređaja za mjerenje površinskih defekata (proizvođač opreme China Electronics). 3D snimač karakteriziran je radarskim senzorom (model Mars 4410 pro) tvrtke Kefenghua.
Vrijeme objave: 04.09.2024.