Saiki, industri SiC lagi owah saka 150 mm (6 inci) dadi 200 mm (8 inci). Kanggo nyukupi panjaluk sing mendesak kanggo wafer homoepitaxial SiC ukuran gedhe lan berkualitas tinggi ing industri kasebut, 150mm lan 200mmWafer homoepitaksial 4H-SiCkasil disiapake ing substrat domestik nggunakake peralatan pertumbuhan epitaksial SiC 200mm sing dikembangake kanthi mandiri. Proses homoepitaksial sing cocog kanggo 150mm lan 200mm dikembangake, ing ngendi tingkat pertumbuhan epitaksial bisa luwih saka 60um/jam. Nalika nyukupi epitaksi kecepatan tinggi, kualitas wafer epitaksial apik banget. Keseragaman kekandelan 150 mm lan 200 mmWafer epitaksial SiCbisa dikontrol sajrone 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang saka 3%, kapadhetan cacat fatal kurang saka 0,3 partikel / cm2, lan kekasaran permukaan epitaksial root mean square Ra kurang saka 0,15 nm, lan kabeh indikator proses inti ana ing tingkat lanjut industri.
Silikon Karbida (SiC)minangka salah sawijining wakil saka bahan semikonduktor generasi katelu. Iki nduweni ciri kekuatan medan breakdown sing dhuwur, konduktivitas termal sing apik banget, kecepatan hanyutan saturasi elektron sing gedhe, lan resistensi radiasi sing kuwat. Iki wis ngembangake kapasitas pangolahan energi piranti daya lan bisa nyukupi syarat layanan peralatan elektronik daya generasi sabanjure kanggo piranti kanthi daya dhuwur, ukuran cilik, suhu dhuwur, radiasi dhuwur lan kahanan ekstrem liyane. Iki bisa nyuda ruang, nyuda konsumsi daya lan nyuda syarat pendinginan. Iki wis nggawa owah-owahan revolusioner kanggo kendaraan energi anyar, transportasi rel, jaringan cerdas lan bidang liyane. Mulane, semikonduktor silikon karbida wis diakoni minangka bahan ideal sing bakal mimpin generasi sabanjure piranti elektronik daya daya dhuwur. Ing taun-taun pungkasan, amarga dhukungan kebijakan nasional kanggo pangembangan industri semikonduktor generasi katelu, riset lan pangembangan lan konstruksi sistem industri piranti SiC 150 mm wis rampung ing China, lan keamanan rantai industri wis dijamin. Mulane, fokus industri wis mboko sithik pindhah menyang kontrol biaya lan peningkatan efisiensi. Kaya sing dituduhake ing Tabel 1, dibandhingake karo 150 mm, SiC 200 mm nduweni tingkat pemanfaatan pinggiran sing luwih dhuwur, lan output chip wafer tunggal bisa ditambah udakara 1,8 kali lipat. Sawise teknologi kasebut diwasa, biaya manufaktur chip tunggal bisa dikurangi nganti 30%. Terobosan teknologi 200 mm minangka sarana langsung kanggo "ngurangi biaya lan nambah efisiensi", lan uga minangka kunci kanggo industri semikonduktor negaraku kanggo "mlaku paralel" utawa malah "mimpin".
Beda karo proses piranti Si,Piranti daya semikonduktor SiCKabeh diproses lan disiapake nganggo lapisan epitaksial minangka pondasi. Wafer epitaksial minangka bahan dhasar sing penting kanggo piranti daya SiC. Kualitas lapisan epitaksial langsung nemtokake asil piranti kasebut, lan biayane nyumbang 20% saka biaya manufaktur chip. Mulane, pertumbuhan epitaksial minangka pranala perantara sing penting ing piranti daya SiC. Wates ndhuwur tingkat proses epitaksial ditemtokake dening peralatan epitaksial. Saiki, tingkat lokalisasi peralatan epitaksial SiC 150mm ing China relatif dhuwur, nanging tata letak sakabèhé 200mm isih ketinggalan saka tingkat internasional ing wektu sing padha. Mulane, kanggo ngatasi kabutuhan mendesak lan masalah hambatan manufaktur bahan epitaksial ukuran gedhe lan berkualitas tinggi kanggo pangembangan industri semikonduktor generasi katelu domestik, makalah iki ngenalake peralatan epitaksial SiC 200 mm sing dikembangake kanthi sukses ing negaraku, lan nyinaoni proses epitaksial. Kanthi ngoptimalake parameter proses kaya ta suhu proses, laju aliran gas pembawa, rasio C/Si, lan liya-liyane, keseragaman konsentrasi <3%, kekandelan non-keseragaman <1,5%, kekasaran Ra <0,2 nm lan kapadhetan cacat fatal <0,3 butir/cm2 saka wafer epitaksial SiC 150 mm lan 200 mm kanthi tungku epitaksial silikon karbida 200 mm sing dikembangake kanthi mandiri bisa dipikolehi. Tingkat proses peralatan bisa nyukupi kabutuhan persiapan piranti daya SiC sing berkualitas tinggi.
1 Eksperimen
1.1 Prinsip sakaSiC epitaksialproses
Proses pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC utamane kalebu 2 langkah utama, yaiku, etsa in-situ suhu dhuwur saka substrat 4H-SiC lan proses deposisi uap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat yaiku kanggo mbusak kerusakan ing sangisore permukaan substrat sawise polesan wafer, cairan polesan sisa, partikel lan lapisan oksida, lan struktur langkah atom sing teratur bisa dibentuk ing permukaan substrat kanthi etsa. Etsa in-situ biasane ditindakake ing atmosfer hidrogen. Miturut syarat proses sing nyata, jumlah gas tambahan sing sithik uga bisa ditambahake, kayata hidrogen klorida, propana, etilen utawa silana. Suhu etsa hidrogen in-situ umume ndhuwur 1 600 ℃, lan tekanan ruang reaksi umume dikontrol ing ngisor 2 × 104 Pa sajrone proses etsa.
Sawise permukaan substrat diaktifake kanthi etsa in-situ, permukaan kasebut mlebu ing proses deposisi uap kimia suhu dhuwur, yaiku, sumber pertumbuhan (kayata etilena/propana, TCS/silane), sumber doping (sumber doping tipe-n nitrogen, sumber doping tipe-p TMAl), lan gas tambahan kayata hidrogen klorida diangkut menyang ruang reaksi liwat aliran gas pembawa sing gedhe (biasane hidrogen). Sawise gas kasebut reaksi ing ruang reaksi suhu dhuwur, sebagian saka prekursor reaksi sacara kimia lan adsorpsi ing permukaan wafer, lan lapisan epitaksial 4H-SiC homogen kristal tunggal kanthi konsentrasi doping tartamtu, kekandelan tartamtu, lan kualitas sing luwih dhuwur dibentuk ing permukaan substrat nggunakake substrat 4H-SiC kristal tunggal minangka cithakan. Sawise pirang-pirang taun eksplorasi teknis, teknologi homoepitaksial 4H-SiC wis diwasa lan digunakake sacara wiyar ing produksi industri. Teknologi homoepitaksial 4H-SiC sing paling akeh digunakake ing donya duwe rong ciri khas:
(1) Nggunakake substrat potongan miring sing ora ana sumbune (relatif marang bidang kristal <0001>, menyang arah kristal <11-20>) minangka cithakan, lapisan epitaksial kristal tunggal 4H-SiC kanthi kemurnian dhuwur tanpa rereged diendapke ing substrat ing wangun mode pertumbuhan aliran langkah. Pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC awal nggunakake substrat kristal positif, yaiku, bidang <0001> Si kanggo pertumbuhan. Kapadhetan langkah atom ing permukaan substrat kristal positif kurang lan teras amba. Pertumbuhan nukleasi rong dimensi gampang kedadeyan sajrone proses epitaksi kanggo mbentuk kristal 3C SiC (3C-SiC). Kanthi pemotongan sing ora ana sumbune, langkah atom kanthi kapadhetan dhuwur lan jembar teras sempit bisa dilebokake ing permukaan substrat 4H-SiC <0001>, lan prekursor sing diadsorpsi bisa kanthi efektif tekan posisi langkah atom kanthi energi permukaan sing relatif kurang liwat difusi permukaan. Ing langkah kasebut, posisi ikatan atom/gugus molekul prekursor iku unik, mula ing mode pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaksial bisa kanthi sampurna nurunake urutan susun lapisan atom ganda Si-C saka substrat kanggo mbentuk kristal tunggal kanthi fase kristal sing padha karo substrat.
(2) Pertumbuhan epitaksial kanthi kecepatan tinggi digayuh kanthi ngenalake sumber silikon sing ngemot klorin. Ing sistem deposisi uap kimia SiC konvensional, silana lan propana (utawa etilen) minangka sumber pertumbuhan utama. Ing proses nambah tingkat pertumbuhan kanthi nambah tingkat aliran sumber pertumbuhan, amarga tekanan parsial keseimbangan komponen silikon terus meningkat, gampang mbentuk kluster silikon kanthi nukleasi fase gas homogen, sing sacara signifikan nyuda tingkat pemanfaatan sumber silikon. Pembentukan kluster silikon mbatesi banget peningkatan tingkat pertumbuhan epitaksial. Ing wektu sing padha, kluster silikon bisa ngganggu pertumbuhan aliran langkah lan nyebabake nukleasi cacat. Kanggo nyegah nukleasi fase gas homogen lan nambah tingkat pertumbuhan epitaksial, introduksi sumber silikon berbasis klorin saiki minangka metode utama kanggo nambah tingkat pertumbuhan epitaksial 4H-SiC.
1.2 200 mm (8 inci) peralatan epitaksial SiC lan kahanan proses
Eksperimen sing diterangake ing makalah iki kabeh ditindakake ing peralatan epitaksial SiC tembok panas horisontal monolitik sing kompatibel karo 150/200 mm (6/8 inci) sing dikembangake kanthi mandiri dening Institut Teknologi Elektronik China kaping 48. Tungku epitaksial ndhukung pemuatan lan pembongkaran wafer kanthi otomatis. Gambar 1 minangka diagram skematis struktur internal ruang reaksi peralatan epitaksial. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1, tembok njaba ruang reaksi yaiku lonceng kuarsa kanthi lapisan interlayer sing didinginkan banyu, lan sisih njero lonceng yaiku ruang reaksi suhu dhuwur, sing kasusun saka insulasi termal karbon felt, rongga grafit khusus kemurnian dhuwur, basis puteran ngambang gas grafit, lan liya-liyane. Kabeh lonceng kuarsa ditutupi karo koil induksi silinder, lan ruang reaksi ing njero lonceng dipanasake kanthi elektromagnetik dening catu daya induksi frekuensi menengah. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (b), gas pembawa, gas reaksi, lan gas doping kabeh mili liwat permukaan wafer kanthi aliran laminar horisontal saka hulu ruang reaksi menyang hilir ruang reaksi lan dibuwang saka ujung gas buntut. Kanggo njamin konsistensi ing njero wafer, wafer sing digawa dening basis udara sing ngambang mesthi diputer sajrone proses kasebut.
Substrat sing digunakake ing eksperimen iki yaiku substrat SiC polesan rong sisi konduktif tipe-n 4H-SiC arah 4° off-angle komersial ukuran 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> sing diprodhuksi dening Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) lan etilena (C2H4) digunakake minangka sumber pertumbuhan utama ing eksperimen proses, ing antarane TCS lan C2H4 digunakake minangka sumber silikon lan sumber karbon, nitrogen kemurnian tinggi (N2) digunakake minangka sumber doping tipe-n, lan hidrogen (H2) digunakake minangka gas pengencer lan gas pembawa. Kisaran suhu proses epitaksial yaiku 1 600 ~ 1 660 ℃, tekanan proses yaiku 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, lan laju aliran gas pembawa H2 yaiku 100 ~ 140 L/menit.
1.3 Pengujian lan karakterisasi wafer epitaksial
Spektrometer inframerah Fourier (produsen peralatan Thermalfisher, model iS50) lan alat uji konsentrasi probe merkuri (produsen peralatan Semilab, model 530L) digunakake kanggo nggambarake rata-rata lan distribusi kekandelan lapisan epitaksial lan konsentrasi doping; kekandelan lan konsentrasi doping saben titik ing lapisan epitaksial ditemtokake kanthi njupuk titik ing sadawane garis diameter sing motong garis normal pinggiran referensi utama ing 45° ing tengah wafer kanthi penghapusan pinggiran 5 mm. Kanggo wafer 150 mm, 9 titik dijupuk ing sadawane garis diameter tunggal (rong diameter tegak lurus siji liyane), lan kanggo wafer 200 mm, 21 titik dijupuk, kaya sing dituduhake ing Gambar 2. Mikroskop gaya atom (produsen peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakake kanggo milih area 30 μm × 30 μm ing area tengah lan area pinggiran (penghapusan pinggiran 5 mm) saka wafer epitaksial kanggo nguji kekasaran permukaan lapisan epitaksial; Cacat lapisan epitaksial diukur nggunakake alat uji cacat permukaan (produsen peralatan China Electronics). Imager 3D kasebut ditondoi nganggo sensor radar (model Mars 4410 pro) saka Kefenghua.
Wektu kiriman: 04-Sep-2024