Ներկայումս SiC արդյունաբերությունը 150 մմ-ից (6 դյույմ) անցնում է 200 մմ-ի (8 դյույմ): Արդյունաբերության մեջ մեծ չափի, բարձրորակ SiC հոմոէպիտաքսիալ թիթեղների հրատապ պահանջարկը բավարարելու համար արտադրվում են 150 մմ և 200 մմ:4H-SiC հոմեէպիտաքսիալ թիթեղներհաջողությամբ պատրաստվել են կենցաղային հիմքերի վրա՝ օգտագործելով անկախ մշակված 200 մմ SiC էպիտաքսիալ աճեցման սարքավորումները: Մշակվել է 150 մմ և 200 մմ-ի համար հարմար հոմոէպիտաքսիալ գործընթաց, որի դեպքում էպիտաքսիալ աճի արագությունը կարող է լինել ավելի քան 60 մկմ/ժ: Բարձր արագությամբ էպիտաքսիալ պահանջներին համապատասխանելով՝ էպիտաքսիալ վաֆլիի որակը գերազանց է: 150 մմ և 200 մմ հաստության միատարրությունըSiC էպիտաքսիալ վաֆլերներկարելի է վերահսկել 1.5%-ի սահմաններում, կոնցենտրացիայի միատարրությունը 3%-ից պակաս է, մահացու արատի խտությունը 0.3 մասնիկ/սմ2-ից պակաս է, իսկ էպիտաքսիալ մակերևույթի կոպտության միջին քառակուսի Ra-ն 0.15 նմ-ից պակաս է, և բոլոր հիմնական գործընթացների ցուցանիշները գտնվում են արդյունաբերության առաջադեմ մակարդակի վրա։
Սիլիցիումի կարբիդ (SiC)երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերի ներկայացուցիչներից մեկն է: Այն ունի բարձր քայքայման դաշտի ուժգնություն, գերազանց ջերմահաղորդականություն, մեծ էլեկտրոնային հագեցվածության շեղման արագություն և ուժեղ ճառագայթային դիմադրություն: Այն զգալիորեն ընդլայնել է հզոր սարքերի էներգիայի մշակման հզորությունը և կարող է բավարարել հզորության, փոքր չափի, բարձր ջերմաստիճանի, բարձր ճառագայթման և այլ ծայրահեղ պայմանների սարքերի հաջորդ սերնդի հզորության էլեկտրոնային սարքավորումների սպասարկման պահանջները: Այն կարող է կրճատել տարածքը, նվազեցնել էներգիայի սպառումը և նվազեցնել սառեցման պահանջները: Այն հեղափոխական փոփոխություններ է բերել նոր էներգետիկ տրանսպորտային միջոցներում, երկաթուղային տրանսպորտում, խելացի ցանցերում և այլ ոլորտներում: Հետևաբար, սիլիցիումի կարբիդային կիսահաղորդիչները ճանաչվել են որպես իդեալական նյութ, որը կառաջնորդի բարձր հզորության հզորության էլեկտրոնային սարքերի հաջորդ սերունդը: Վերջին տարիներին, երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային արդյունաբերության զարգացման ազգային քաղաքականության աջակցության շնորհիվ, Չինաստանում հիմնականում ավարտվել են 150 մմ SiC սարքերի արդյունաբերական համակարգի հետազոտությունները, մշակումները և կառուցումը, և արդյունաբերական շղթայի անվտանգությունը հիմնականում երաշխավորվել է: Հետևաբար, արդյունաբերության ուշադրությունը աստիճանաբար տեղափոխվել է ծախսերի վերահսկման և արդյունավետության բարելավման: Ինչպես ցույց է տրված աղյուսակ 1-ում, 150 մմ-ի համեմատ, 200 մմ SiC-ն ունի եզրերի ավելի բարձր օգտագործման մակարդակ, իսկ մեկ վաֆլի չիպերի արտադրությունը կարող է մեծացվել մոտ 1.8 անգամ: Տեխնոլոգիայի զարգացումից հետո մեկ չիպի արտադրության արժեքը կարող է կրճատվել 30%-ով: 200 մմ-ի տեխնոլոգիական առաջընթացը «ծախսերի կրճատման և արդյունավետության բարձրացման» ուղղակի միջոց է, և այն նաև բանալին է իմ երկրի կիսահաղորդչային արդյունաբերության «զուգահեռ աշխատելու» կամ նույնիսկ «առաջատարի» համար:
Si սարքի գործընթացից տարբերվող,SiC կիսահաղորդչային հզորության սարքերԲոլորը մշակվում և պատրաստվում են՝ օգտագործելով էպիտաքսիալ շերտերը որպես անկյունաքար: Էպիտաքսիալ թիթեղները SiC հզոր սարքերի համար անհրաժեշտ հիմնական նյութեր են: Էպիտաքսիալ շերտի որակը ուղղակիորեն որոշում է սարքի արտադրողականությունը, և դրա արժեքը կազմում է չիպի արտադրության արժեքի 20%-ը: Հետևաբար, էպիտաքսիալ աճը SiC հզոր սարքերի կարևոր միջանկյալ օղակ է: Էպիտաքսիալ գործընթացի մակարդակի վերին սահմանը որոշվում է էպիտաքսիալ սարքավորումներով: Ներկայումս Չինաստանում 150 մմ SiC էպիտաքսիալ սարքավորումների տեղայնացման աստիճանը համեմատաբար բարձր է, բայց 200 մմ-ի ընդհանուր դասավորությունը միևնույն ժամանակ հետ է մնում միջազգային մակարդակից: Հետևաբար, ներքին երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային արդյունաբերության զարգացման համար մեծ չափերի, բարձրորակ էպիտաքսիալ նյութերի արտադրության հրատապ կարիքները և խոչընդոտների խնդիրները լուծելու համար, այս հոդվածը ներկայացնում է իմ երկրում հաջողությամբ մշակված 200 մմ SiC էպիտաքսիալ սարքավորումները և ուսումնասիրում է էպիտաքսիալ գործընթացը: Գործընթացի պարամետրերի, ինչպիսիք են գործընթացի ջերմաստիճանը, կրող գազի հոսքի արագությունը, C/Si հարաբերակցությունը և այլն, օպտիմալացնելով՝ անկախ մշակված 200 մմ սիլիցիումի կարբիդային էպիտաքսիալ վառարանով ստացվում են 150 մմ և 200 մմ SiC էպիտաքսիալ վաֆլերի կոնցենտրացիայի միատարրություն <3%, հաստության անմիատարրություն <1.5%, կոպտություն Ra <0.2 նմ և մահացու արատի խտություն <0.3 հատիկ/սմ2: Սարքավորումների գործընթացի մակարդակը կարող է բավարարել բարձրորակ SiC հզորության սարքերի պատրաստման կարիքները:
1 փորձ
1.1 ՍկզբունքSiC էպիտաքսիալգործընթաց
4H-SiC հոմոէպիտաքսիալ աճի գործընթացը հիմնականում ներառում է 2 հիմնական քայլ՝ 4H-SiC հիմքի բարձր ջերմաստիճանում տեղում փորագրում և համասեռ քիմիական գոլորշու նստեցման գործընթաց։ Հիմքի տեղում փորագրման հիմնական նպատակը վաֆլի հղկումից հետո հիմքի ենթամակերեսային վնասվածքի, մնացորդային հղկող հեղուկի, մասնիկների և օքսիդային շերտի հեռացումն է, և փորագրման միջոցով հիմքի մակերեսին կարող է ձևավորվել կանոնավոր ատոմային քայլային կառուցվածք։ Տեղում փորագրումը սովորաբար իրականացվում է ջրածնային մթնոլորտում։ Գործընթացի իրական պահանջներին համապատասխան, կարող է ավելացվել նաև օժանդակ գազի փոքր քանակություն, ինչպիսիք են ջրածնի քլորիդը, պրոպանը, էթիլենը կամ սիլանը։ Տեղում ջրածնի փորագրման ջերմաստիճանը սովորաբար 1600 ℃-ից բարձր է, իսկ ռեակցիայի խցիկի ճնշումը սովորաբար վերահսկվում է 2×104 Պա-ից ցածր փորագրման գործընթացի ընթացքում։
Հիմքի մակերեսը տեղում փորագրմամբ ակտիվացնելուց հետո այն մտնում է բարձր ջերմաստիճանի քիմիական գոլորշու նստեցման գործընթացի մեջ, այսինքն՝ աճի աղբյուրը (օրինակ՝ էթիլեն/պրոպան, TCS/սիլան), խառնուրդի աղբյուրը (n-տիպի խառնուրդի աղբյուր՝ ազոտ, p-տիպի խառնուրդի աղբյուր՝ TMAl) և օժանդակ գազը, ինչպիսին է ջրածնի քլորիդը, տեղափոխվում են ռեակցիայի խցիկ՝ կրող գազի (սովորաբար ջրածնի) մեծ հոսքի միջոցով: Բարձր ջերմաստիճանի ռեակցիայի խցիկում գազի ռեակցիայից հետո, նախորդի մի մասը քիմիապես ռեակցիայի մեջ է մտնում և ադսորբվում է վաֆլիի մակերեսին, և հիմքի մակերեսին ձևավորվում է միաբյուրեղային համասեռ 4H-SiC էպիտաքսիալ շերտ՝ խառնուրդի որոշակի կոնցենտրացիայով, որոշակի հաստությամբ և ավելի բարձր որակով՝ օգտագործելով միաբյուրեղային 4H-SiC հիմքը որպես ձևանմուշ: Տարիների տեխնիկական հետազոտություններից հետո 4H-SiC հոմոէպիտաքսիալ տեխնոլոգիան հիմնականում հասունացել է և լայնորեն կիրառվում է արդյունաբերական արտադրության մեջ: Աշխարհում ամենատարածված 4H-SiC հոմոէպիտաքսիալ տեխնոլոգիան ունի երկու բնորոշ բնութագիր.
(1) Որպես ձևանմուշ օգտագործելով առանց առանցքի (<0001> բյուրեղային հարթության նկատմամբ, դեպի <11-20> բյուրեղային ուղղություն) թեք կտրվածքով ենթաշերտ, հիմքի վրա աստիճանական հոսքային աճի ռեժիմով նստեցվում է բարձր մաքրության միաբյուրեղային 4H-SiC էպիտաքսիալ շերտ՝ առանց խառնուրդների: Վաղ 4H-SiC հոմոէպիտաքսիալ աճը աճի համար օգտագործել է դրական բյուրեղային ենթաշերտ, այսինքն՝ <0001> Si հարթությունը: Դրական բյուրեղային ենթաշերտի մակերեսին ատոմային աստիճանների խտությունը ցածր է, իսկ տեռասները՝ լայն: Էպիտաքսիայի գործընթացի ընթացքում հեշտությամբ տեղի է ունենում երկչափ միջուկագոյացման աճ՝ 3C բյուրեղային SiC (3C-SiC) ձևավորելու համար: Առանցքային կտրվածքով 4H-SiC <0001> ենթաշերտի մակերեսին կարող են ներմուծվել բարձր խտության, նեղ տեռասային լայնությամբ ատոմային աստիճաններ, և ադսորբված նախորդը կարող է արդյունավետորեն հասնել ատոմային աստիճանի դիրքին՝ համեմատաբար ցածր մակերևութային էներգիայով՝ մակերևութային դիֆուզիայի միջոցով: Քայլում նախորդի ատոմի/մոլեկուլային խմբի կապի դիրքը եզակի է, ուստի քայլային հոսքի աճի ռեժիմում էպիտաքսիալ շերտը կարող է կատարելապես ժառանգել հիմքի Si-C կրկնակի ատոմային շերտերի կուտակման հաջորդականությունը՝ ձևավորելով միաբյուրեղ՝ հիմքի նույն բյուրեղային փուլով։
(2) Բարձր արագությամբ էպիտաքսիալ աճը իրականացվում է քլոր պարունակող սիլիցիումի աղբյուրի ներմուծմամբ: SiC քիմիական գոլորշու նստեցման ավանդական համակարգերում աճի հիմնական աղբյուրներն են սիլանը և պրոպանը (կամ էթիլենը): Աճի աղբյուրի հոսքի արագությունը մեծացնելով՝ աճի տեմպը մեծացնելու գործընթացում, քանի որ սիլիցիումային բաղադրիչի հավասարակշռության մասնակի ճնշումը շարունակում է աճել, հեշտ է ձևավորել սիլիցիումի կլաստերներ՝ համասեռ գազային փուլի միջուկագոյացման միջոցով, ինչը զգալիորեն նվազեցնում է սիլիցիումի աղբյուրի օգտագործման տեմպը: Սիլիցիումի կլաստերների ձևավորումը մեծապես սահմանափակում է էպիտաքսիալ աճի տեմպի բարելավումը: Միևնույն ժամանակ, սիլիցիումի կլաստերները կարող են խանգարել քայլային հոսքի աճին և առաջացնել արատավոր միջուկագոյացում: Համասեռ գազային փուլի միջուկագոյացումից խուսափելու և էպիտաքսիալ աճի տեմպը մեծացնելու համար, քլորի վրա հիմնված սիլիցիումի աղբյուրների ներմուծումը ներկայումս 4H-SiC-ի էպիտաքսիալ աճի տեմպը մեծացնելու հիմնական մեթոդն է:
1.2 200 մմ (8 դյույմ) SiC էպիտաքսիալ սարքավորումներ և գործընթացի պայմաններ
Այս հոդվածում նկարագրված փորձերը կատարվել են 150/200 մմ (6/8 դյույմ) համատեղելի մոնոլիտ հորիզոնական տաք պատերով SiC էպիտաքսիալ սարքավորումների վրա, որոնք անկախ կերպով մշակվել են Չինաստանի էլեկտրոնիկայի տեխնոլոգիաների խմբի կորպորացիայի 48-րդ ինստիտուտի կողմից: Էպիտաքսիալ վառարանը ապահովում է վաֆլիների լիովին ավտոմատ բեռնում և բեռնաթափում: Նկար 1-ը էպիտաքսիալ սարքավորումների ռեակցիոն խցիկի ներքին կառուցվածքի սխեմատիկ դիագրամ է: Ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում, ռեակցիայի խցիկի արտաքին պատը քվարցե զանգ է՝ ջրով սառեցվող միջշերտով, իսկ զանգի ներսը բարձր ջերմաստիճանի ռեակցիայի խցիկ է, որը կազմված է ջերմամեկուսիչ ածխածնային թաղանթից, բարձր մաքրության հատուկ գրաֆիտային խոռոչից, գրաֆիտային գազով լողացող պտտվող հիմքից և այլն: Ամբողջ քվարցե զանգը ծածկված է գլանաձև ինդուկցիոն կծիկով, իսկ զանգի ներսում գտնվող ռեակցիայի խցիկը էլեկտրամագնիսականորեն տաքացվում է միջին հաճախականության ինդուկցիոն էլեկտրամատակարարմամբ: Ինչպես ցույց է տրված նկար 1 (բ)-ում, կրող գազը, ռեակցիայի գազը և խառնուրդային գազը բոլորը հոսում են վաֆլիի մակերեսով՝ հորիզոնական լամինար հոսքով՝ ռեակցիայի խցիկի վերևից մինչև ռեակցիայի խցիկի ներքևի մասը, և արտանետվում են պոչային գազի ծայրից։ Վաֆլիի ներսում հետևողականությունն ապահովելու համար, օդային լողացող հիմքի վրա գտնվող վաֆլին միշտ պտտվում է գործընթացի ընթացքում։
Փորձի մեջ օգտագործված հիմքը Shanxi Shuoke Crystal-ի կողմից արտադրված առևտրային 150 մմ, 200 մմ (6 դյույմ, 8 դյույմ) <1120> ուղղությամբ 4°-ից դուրս անկյան տակ հաղորդիչ n-տիպի 4H-SiC երկկողմանի հղկված SiC հիմք է: Տեխնոլոգիական փորձի մեջ որպես հիմնական աճի աղբյուրներ օգտագործվում են տրիքլորսիլանը (SiHCl3, TCS) և էթիլենը (C2H4), որոնցից TCS-ն և C2H4-ը օգտագործվում են համապատասխանաբար որպես սիլիցիումի և ածխածնի աղբյուր, բարձր մաքրության ազոտը (N2) օգտագործվում է որպես n-տիպի խառնուրդի աղբյուր, իսկ ջրածինը (H2) օգտագործվում է որպես նոսրացման գազ և կրող գազ: Էպիտաքսիալ գործընթացի ջերմաստիճանային միջակայքը 1600 ~1660 ℃ է, գործընթացի ճնշումը՝ 8×103 ~12×103 Պա, իսկ H2 կրող գազի հոսքի արագությունը՝ 100~140 լ/րոպե:
1.3 Էպիտաքսիալ վաֆլիի փորձարկում և բնութագրում
Էպիտաքսիալ շերտի հաստության և խառնուրդի կոնցենտրացիայի միջինը և բաշխումը բնութագրելու համար օգտագործվել են Ֆուրիեի ինֆրակարմիր սպեկտրոմետր (սարքավորումների արտադրող Thermalfisher, մոդել iS50) և սնդիկային զոնդի կոնցենտրացիայի չափիչ (սարքավորումների արտադրող Semilab, մոդել 530L): Էպիտաքսիալ շերտի յուրաքանչյուր կետի հաստությունը և խառնուրդի կոնցենտրացիան որոշվել են՝ վերցնելով կետեր տրամագծի գծի երկայնքով, որը հատում է հիմնական հղման եզրի նորմալ գիծը 45° անկյան տակ՝ վաֆլիի կենտրոնում՝ 5 մմ եզրը հեռացնելով: 150 մմ վաֆլիի համար մեկ տրամագծի գծի երկայնքով վերցվել է 9 կետ (երկու տրամագծերը ուղղահայաց էին միմյանց), իսկ 200 մմ վաֆլիի համար՝ 21 կետ, ինչպես ցույց է տրված նկար 2-ում: Էպիտաքսիալ շերտի մակերեսային կոպտությունը ստուգելու համար օգտագործվել է ատոմային ուժային մանրադիտակ (սարքավորումների արտադրող Bruker, մոդել Dimension Icon)՝ էպիտաքսիալ վաֆլիի կենտրոնական տարածքում և եզրի տարածքում (5 մմ եզրը հեռացնելով) 30 մկմ×30 մկմ տարածքներ ընտրելու համար: Էպիտաքսիալ շերտի արատները չափվել են մակերեսային արատների ստուգիչով (սարքավորումների արտադրող՝ China Electronics): 3D պատկերիչը բնութագրվել է Kefenghua ընկերության ռադարային սենսորով (մոդել՝ Mars 4410 pro):
Հրապարակման ժամանակը. Սեպտեմբեր-04-2024