Jelenleg a SiC iparág 150 mm-ről (6 hüvelyk) 200 mm-re (8 hüvelyk) áll át. Annak érdekében, hogy kielégítse az iparágban a nagyméretű, kiváló minőségű SiC homoepitaxiális ostyák iránti sürgető igényt, 150 mm-es és 200 mm-es...4H-SiC homoepitaxiális ostyáksikeresen előállítottak hazai hordozókon a függetlenül kifejlesztett 200 mm-es SiC epitaxiális növekedési berendezéssel. Kifejlesztettek egy 150 mm-es és 200 mm-es epitaxiális növekedési eljárást, amelyben az epitaxiális növekedési sebesség meghaladhatja a 60 μm/h-t. A nagysebességű epitaxiális növekedés mellett az epitaxiális ostya minősége kiváló. A 150 mm-es és 200 mm-es vastagság egyenletessége...SiC epitaxiális ostyák1,5%-on belül szabályozható, a koncentráció egyenletessége kevesebb, mint 3%, a halálos hiba sűrűsége kevesebb, mint 0,3 részecske/cm2, az epitaxiális felületi érdesség négyzetes középértéke (Ra) kevesebb, mint 0,15 nm, és minden alapvető folyamatmutató az iparág haladó szintjén van.
Szilícium-karbid (SiC)a harmadik generációs félvezető anyagok egyik képviselője. Jellemzői a nagy átütési térerősség, a kiváló hővezető képesség, a nagy elektrontelítési sodródási sebesség és az erős sugárzásállóság. Jelentősen kibővítette az erőeszközök energiafeldolgozó kapacitását, és képes kielégíteni a következő generációs erőeszközök szolgáltatási követelményeit a nagy teljesítményű, kis méretű, magas hőmérsékletű, nagy sugárzású és egyéb extrém körülmények között működő eszközök esetében. Csökkentheti a helyet, az energiafogyasztást és a hűtési igényeket. Forradalmi változásokat hozott az új energiahordozókban, a vasúti közlekedésben, az intelligens hálózatokban és más területeken. Ezért a szilícium-karbid félvezetőket ideális anyagként ismerik el, amely a következő generációs nagy teljesítményű erőeszközök vezetőjévé válik. Az elmúlt években a harmadik generációs félvezetőipar fejlesztését támogató nemzeti politikai támogatásnak köszönhetően Kínában alapvetően befejeződött a 150 mm-es SiC eszközipari rendszer kutatása, fejlesztése és építése, és az ipari lánc biztonsága alapvetően garantált. Ezért az iparág fókusza fokozatosan a költségellenőrzésre és a hatékonyság javítására helyeződött át. Amint az az 1. táblázatban látható, a 150 mm-eshez képest a 200 mm-es SiC élkihasználtsági aránya magasabb, és az egyetlen ostyalap-chipek termelése körülbelül 1,8-szorosára növelhető. A technológia kiforrottsága után egyetlen chip gyártási költsége 30%-kal csökkenthető. A 200 mm-es technológiai áttörés közvetlen eszköze a „költségek csökkentésének és a hatékonyság növelésének”, és kulcsfontosságú az ország félvezetőipara számára a „párhuzamos működés” vagy akár az „vezető szerep” szempontjából is.
Eltér a Si eszközfolyamattól,SiC félvezető teljesítményeszközökmindegyiket epitaxiális rétegekkel dolgozzák fel és készítik elő sarokkőként. Az epitaxiális ostyák alapvető alapanyagok a SiC teljesítményeszközökhöz. Az epitaxiális réteg minősége közvetlenül meghatározza az eszköz hozamát, és költsége a chip gyártási költségének 20%-át teszi ki. Ezért az epitaxiális növekedés alapvető közbenső láncszem a SiC teljesítményeszközökben. Az epitaxiális folyamat szintjének felső határát az epitaxiális berendezések határozzák meg. Jelenleg a 150 mm-es SiC epitaxiális berendezések lokalizációs foka Kínában viszonylag magas, de a 200 mm-es általános elrendezés elmarad a nemzetközi szinttől. Ezért a hazai harmadik generációs félvezetőipar fejlesztése érdekében a nagyméretű, kiváló minőségű epitaxiális anyaggyártás sürgős igényeinek és szűk keresztmetszeteinek megoldása érdekében ez a cikk bemutatja az országomban sikeresen kifejlesztett 200 mm-es SiC epitaxiális berendezést, és tanulmányozza az epitaxiális folyamatot. A folyamatparaméterek, például a folyamathőmérséklet, a vivőgáz áramlási sebessége, a C/Si arány stb. optimalizálásával a függetlenül kifejlesztett 200 mm-es szilícium-karbid epitaxiális kemencével készült 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális ostyák koncentrációegyenletessége <3%, vastagság-instabilitás <1,5%, érdesség Ra <0,2 nm és végzetes hibasűrűség <0,3 szemcse/cm2 érhető el. A berendezés technológiai szintje képes kielégíteni a kiváló minőségű SiC teljesítményeszközök előkészítésének igényeit.
1 kísérlet
1.1 Az alapelvSiC epitaxiálisfolyamat
A 4H-SiC homoepitaxiális növekedési folyamata főként két fő lépésből áll, nevezetesen a 4H-SiC szubsztrát magas hőmérsékletű in situ maratásából és a homogén kémiai gőzfázisú leválasztási eljárásból. A szubsztrát in situ maratásának fő célja a szubsztrát felület alatti sérüléseinek, a polírozófolyadék-maradványok, a részecskék és az oxidréteg eltávolítása a lapka polírozása után, és a szubsztrát felületén szabályos atomi lépcsős szerkezet kialakítása maratással. Az in situ maratást általában hidrogénatmoszférában végzik. A tényleges folyamatkövetelményeknek megfelelően kis mennyiségű segédgáz is hozzáadható, például hidrogén-klorid, propán, etilén vagy szilán. Az in situ hidrogénmaratás hőmérséklete általában 1600 ℃ felett van, és a reakciókamra nyomását általában 2×104 Pa alatt szabályozzák a maratási folyamat során.
Miután a szubsztrát felületét in situ maratással aktiválták, belép a magas hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztási folyamatba, azaz a növekedési forrást (például etilén/propán, TCS/szilán), a doppingforrást (n-típusú doppingforrás nitrogén, p-típusú doppingforrás TMAl) és a segédgázt, például a hidrogén-kloridot nagy mennyiségű vivőgáz (általában hidrogén) szállítja a reakciókamrába. Miután a gáz reagál a magas hőmérsékletű reakciókamrában, a prekurzor egy része kémiailag reagál és adszorbeálódik az ostya felületén, és egy egykristályos homogén 4H-SiC epitaxiális réteg alakul ki a szubsztrát felületén, meghatározott doppingkoncentrációval, fajlagos vastagsággal és magasabb minőséggel, az egykristályos 4H-SiC szubsztrátot sablonként használva. Évekig tartó műszaki kutatás után a 4H-SiC homoepitaxiális technológia alapvetően kiforrotttá vált, és széles körben alkalmazzák az ipari termelésben. A világon legszélesebb körben használt 4H-SiC homoepitaxiális technológia két tipikus jellemzővel rendelkezik:
(1) Egy tengelyen kívüli (a <0001> kristálysíkhoz képest, a <11-20> kristályirány felé) ferdén vágott hordozót sablonként használva, egy nagy tisztaságú, szennyeződésektől mentes egykristályos 4H-SiC epitaxiális réteget választanak le a hordozóra lépésszerű növekedési mód formájában. A korai 4H-SiC homoepitaxiális növekedés pozitív kristályszubsztrátot, azaz a <0001> Si síkot használt a növekedéshez. A pozitív kristályszubsztrát felületén az atomlépcsők sűrűsége alacsony, a teraszok szélesek. Az epitaxiális folyamat során könnyen létrejön kétdimenziós nukleációs növekedés, ami 3C kristályos SiC (3C-SiC) kialakulását eredményezi. Tengelyen kívüli vágással nagy sűrűségű, keskeny teraszszélességű atomlépcsők vihetők be a 4H-SiC <0001> hordozó felületére, és az adszorbeált prekurzor felületi diffúzió révén viszonylag alacsony felületi energiával hatékonyan elérheti az atomlépcső pozícióját. A lépésben a prekurzor atom/molekulacsoport kötési pozíciója egyedi, így a lépéses áramlási növekedési módban az epitaxiális réteg tökéletesen örökölheti a szubsztrát Si-C kettős atomréteg-halmozási szekvenciáját, így egyetlen kristályt képezve, amelynek kristályfázisa megegyezik a szubsztráttal.
(2) A nagy sebességű epitaxiális növekedést klórtartalmú szilíciumforrás bevezetésével érik el. A hagyományos SiC kémiai gőzfázisú leválasztási rendszerekben a szilán és a propán (vagy etilén) a fő növekedési források. A növekedési forrás áramlási sebességének növelésével a növekedési sebesség növelése során, ahogy a szilíciumkomponens egyensúlyi parciális nyomása folyamatosan növekszik, könnyen kialakulhatnak szilíciumklaszterek homogén gázfázisú nukleációval, ami jelentősen csökkenti a szilíciumforrás kihasználtsági arányát. A szilíciumklaszterek képződése nagymértékben korlátozza az epitaxiális növekedési sebesség javulását. Ugyanakkor a szilíciumklaszterek zavarhatják a lépcsőzetes áramlású növekedést és hibanukleációt okozhatnak. A homogén gázfázisú nukleáció elkerülése és az epitaxiális növekedési sebesség növelése érdekében a klóralapú szilíciumforrások bevezetése jelenleg a fő módszer a 4H-SiC epitaxiális növekedési sebességének növelésére.
1.2 200 mm-es (8 hüvelykes) SiC epitaxiális berendezés és folyamatfeltételek
A cikkben leírt kísérleteket egy 150/200 mm-es (6/8 hüvelykes), kompatibilis monolitikus vízszintes melegfalú SiC epitaxiális berendezésen végezték, amelyet a 48. Kínai Elektronikai Technológiai Csoport Vállalata fejlesztett ki függetlenül. Az epitaxiális kemence teljesen automatikus ostyaadagolást és -kirakodást tesz lehetővé. Az 1. ábra az epitaxiális berendezés reakciókamrájának belső szerkezetének vázlatos rajza. Amint az 1. ábrán látható, a reakciókamra külső fala egy kvarcharang, vízhűtéses közbenső réteggel, a harang belseje pedig egy magas hőmérsékletű reakciókamra, amely hőszigetelő szénfilcből, nagy tisztaságú speciális grafitüregből, grafitgázzal úszó forgó alapból stb. áll. A teljes kvarcharangot egy hengeres indukciós tekercs borítja, és a harang belsejében lévő reakciókamrát elektromágnesesen melegíti egy középfrekvenciás indukciós tápegység. Amint az 1. ábra (b) részén látható, a vivőgáz, a reakciógáz és a doppinggáz mind vízszintes lamináris áramlásban áramlik az ostya felületén a reakciókamra felső áramlásától a reakciókamra alsó áramlásáig, és a véggáz végén távozik. Az ostyán belüli konzisztencia biztosítása érdekében a levegőben lebegő talp által hordozott ostyát a folyamat során folyamatosan forgatják.
A kísérletben használt szubsztrát egy kereskedelmi forgalomban kapható, 150 mm-es, 200 mm-es (6 hüvelyk, 8 hüvelyk) <1120> irányú, 4°-os szögben vezetőképes, n-típusú 4H-SiC kétoldalas polírozott SiC szubsztrát, amelyet a Shanxi Shuoke Crystal gyárt. A folyamatkísérletben fő növekedési forrásként triklór-szilánt (SiHCl3, TCS) és etilént (C2H4) használnak, amelyek közül a TCS szilíciumforrásként és szénforrásként C2H4, n-típusú adalékforrásként nagy tisztaságú nitrogént (N2), hígítógázként és vivőgázként pedig hidrogént (H2) használnak. Az epitaxiális folyamat hőmérséklet-tartománya 1600 ~1660 ℃, a folyamatnyomás 8×103 ~12×103 Pa, a H2 vivőgáz áramlási sebessége pedig 100～140 l/perc.
1.3 Epitaxiális ostyavizsgálat és jellemzés
Fourier infravörös spektrométert (Thermalfisher berendezésgyártó, iS50 modell) és higanyszondás koncentrációmérőt (Semilab berendezésgyártó, 530L modell) használtak az epitaxiális réteg vastagságának és a doppingkoncentrációjának átlagának és eloszlásának jellemzésére; az epitaxiális réteg minden pontjának vastagságát és doppingkoncentrációját úgy határozták meg, hogy pontokat vettek fel az átmérővonal mentén, amely a fő referenciaél normálvvonalát metszi 45°-os szögben a lapka közepén, 5 mm-es éleltávolítással. Egy 150 mm-es lapka esetében 9 pontot vettek fel egyetlen átmérővonal mentén (két átmérő merőleges volt egymásra), egy 200 mm-es lapka esetében pedig 21 pontot vettek fel, ahogy a 2. ábra mutatja. Atomi erőmikroszkóppal (Bruker berendezésgyártó, Dimension Icon modell) 30 μm × 30 μm-es területeket választottak ki az epitaxiális lapka középső területén és szélének területén (5 mm-es éleltávolítás) az epitaxiális réteg felületi érdességének vizsgálatához. Az epitaxiális réteg hibáit felületi hibavizsgálóval (a berendezés gyártója a China Electronics) mérték. A 3D képalkotót egy Kefenghua radarérzékelővel (Mars 4410 Pro modell) jellemezték.
Közzététel ideje: 2024. szeptember 4.