Қазіргі уақытта SiC өнеркәсібі 150 мм (6 дюйм)-ден 200 мм (8 дюйм)-ге дейін өзгеруде. Өнеркәсіптегі үлкен өлшемді, жоғары сапалы SiC гомоэпитаксиалды пластиналарына деген шұғыл сұранысты қанағаттандыру үшін 150 мм және 200 мм4H-SiC гомеопитаксиалды пластиналарытәуелсіз әзірленген 200 мм SiC эпитаксиалды өсіру жабдығын пайдаланып, тұрмыстық негіздер бойынша сәтті дайындалды. 150 мм және 200 мм үшін қолайлы гомеопитаксиалды процесс жасалды, онда эпитаксиалды өсу жылдамдығы сағатына 60 мкм-ден жоғары болуы мүмкін. Жоғары жылдамдықты эпитаксиалды талапқа сай келетін эпитаксиалды пластинаның сапасы өте жақсы. Қалыңдығы біркелкі 150 мм және 200 ммSiC эпитаксиалды пластиналары1,5% шегінде басқаруға болады, концентрацияның біркелкілігі 3% -дан аз, өлімге әкелетін ақау тығыздығы 0,3 бөлшектер/см2-ден аз, ал эпитаксиалды беттің кедір-бұдырлығының орташа квадраттық Ra түбірі 0,15 нм-ден аз, және барлық негізгі процесс көрсеткіштері саланың озық деңгейінде.
Кремний карбиді (SiC)үшінші буын жартылай өткізгіш материалдарының өкілдерінің бірі болып табылады. Ол жоғары ыдырау өрісінің беріктігі, тамаша жылу өткізгіштігі, үлкен электрондардың қанығу жылдамдығы және күшті радиациялық кедергі сипаттамаларына ие. Ол қуат құрылғыларының энергия өңдеу қуатын айтарлықтай кеңейтті және жоғары қуатты, шағын өлшемді, жоғары температуралы, жоғары радиациялық және басқа да экстремалды жағдайлардағы құрылғыларға арналған келесі буын қуатты электронды жабдықтардың қызмет көрсету талаптарын қанағаттандыра алады. Ол кеңістікті азайта алады, қуат тұтынуды азайта алады және салқындату талаптарын азайта алады. Ол жаңа энергия көліктеріне, теміржол көлігіне, ақылды желілерге және басқа да салаларға революциялық өзгерістер әкелді. Сондықтан кремний карбидті жартылай өткізгіштер келесі буын жоғары қуатты электронды құрылғыларды басқаратын идеалды материал ретінде танылды. Соңғы жылдары үшінші буын жартылай өткізгіштер өнеркәсібін дамытуға арналған ұлттық саясаттың қолдауының арқасында Қытайда 150 мм SiC құрылғылары өнеркәсібі жүйесін зерттеу, әзірлеу және салу жұмыстары негізінен аяқталды және өнеркәсіптік тізбектің қауіпсіздігі негізінен кепілдендірілген. Сондықтан саланың назары біртіндеп шығындарды бақылауға және тиімділікті арттыруға ауысты. 1-кестеде көрсетілгендей, 150 мм-мен салыстырғанда, 200 мм SiC жиекті пайдалану коэффициенті жоғары, ал бір пластиналы чиптердің өнімділігін шамамен 1,8 есеге арттыруға болады. Технология жетілгеннен кейін бір чиптің өндірістік құнын 30%-ға төмендетуге болады. 200 мм технологиялық серпіліс «шығындарды азайту және тиімділікті арттырудың» тікелей құралы болып табылады, сонымен қатар менің елімнің жартылай өткізгіш өнеркәсібінің «параллель жұмыс істеуінің» немесе тіпті «жетекшілік етуінің» кілті болып табылады.
Si құрылғысының процесінен өзгеше,SiC жартылай өткізгіштік қуат құрылғыларыбарлығы өңделіп, дайындалады, негізгі тасы ретінде эпитаксиалды қабаттар қолданылады. Эпитаксиалды пластиналар SiC қуат құрылғылары үшін маңызды негізгі материалдар болып табылады. Эпитаксиалды қабаттың сапасы құрылғының өнімділігін тікелей анықтайды, ал оның құны чип өндірісінің құнының 20%-ын құрайды. Сондықтан, эпитаксиалды өсу SiC қуат құрылғыларындағы маңызды аралық буын болып табылады. Эпитаксиалды процесс деңгейінің жоғарғы шегі эпитаксиалды жабдықпен анықталады. Қазіргі уақытта Қытайда 150 мм SiC эпитаксиалды жабдықтарының локализация дәрежесі салыстырмалы түрде жоғары, бірақ 200 мм жалпы орналасуы халықаралық деңгейден артта қалып отыр. Сондықтан, отандық үшінші буын жартылай өткізгіш өнеркәсібін дамыту үшін ірі көлемді, жоғары сапалы эпитаксиалды материал өндірісінің шұғыл қажеттіліктері мен тар мәселелерін шешу үшін бұл мақалада менің елімде сәтті жасалған 200 мм SiC эпитаксиалды жабдықтары таныстырылады және эпитаксиалды процесс зерттеледі. Процесс температурасы, тасымалдаушы газ ағынының жылдамдығы, C/Si қатынасы және т.б. сияқты процесс параметрлерін оңтайландыру арқылы 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластиналарының концентрация біркелкілігі <3%, қалыңдығы біркелкі еместігі <1,5%, кедір-бұдырлығы Ra <0,2 нм және өлімге әкелетін ақау тығыздығы <0,3 түйір/см2 тәуелсіз жасалған 200 мм кремний карбиді эпитаксиалды пеші алынады. Жабдықтың процесс деңгейі жоғары сапалы SiC қуат құрылғысын дайындау қажеттіліктерін қанағаттандыра алады.
1 тәжірибе
1.1 ПринципіSiC эпитаксиалдыпроцесс
4H-SiC гомоэпитаксиалды өсу процесі негізінен 2 негізгі қадамды қамтиды, атап айтқанда, 4H-SiC субстратын жоғары температурада in situ ою және біртекті химиялық бумен тұндыру процесі. Субстратты in situ оюдың негізгі мақсаты - пластинаны жылтыратудан кейін субстраттың жер асты зақымдануын, қалдық жылтырату сұйықтығын, бөлшектерді және оксид қабатын жою, ал субстрат бетінде ою арқылы тұрақты атомдық сатылы құрылымды қалыптастыруға болады. In situ ою әдетте сутегі атмосферасында жүзеге асырылады. Нақты процестің талаптарына сәйкес, аз мөлшерде қосалқы газды, мысалы, сутегі хлоридін, пропанды, этиленді немесе силанды қосуға болады. In situ сутегі ою температурасы әдетте 1600 ℃ жоғары, ал ою процесінде реакция камерасының қысымы әдетте 2 × 104 Па-дан төмен бақыланады.
Субстрат беті in-situ ою арқылы белсендірілгеннен кейін, ол жоғары температуралы химиялық бу тұндыру процесіне, яғни өсу көзі (мысалы, этилен/пропан, TCS/силан), қоспа көзі (n-типті қоспа көзі азот, p-типті қоспа көзі TMal) және сутегі хлориді сияқты қосалқы газ тасымалдаушы газдың (әдетте сутегі) үлкен ағыны арқылы реакция камерасына тасымалданады. Газ жоғары температуралы реакция камерасында әрекеттескеннен кейін, прекурсордың бір бөлігі химиялық реакцияға түсіп, пластина бетінде адсорбцияланады, ал субстрат бетінде шаблон ретінде монокристалды 4H-SiC субстратын пайдаланып, белгілі бір қоспа концентрациясы, нақты қалыңдығы және жоғары сапасы бар монокристалды біртекті 4H-SiC эпитаксиалды қабаты пайда болады. Жылдар бойы техникалық зерттеулерден кейін 4H-SiC гомоэпитаксиалды технологиясы негізінен жетіліп, өнеркәсіптік өндірісте кеңінен қолданылады. Әлемде ең көп қолданылатын 4H-SiC гомоэпитаксиалды технологиясының екі типтік сипаттамасы бар:
(1) Шаблон ретінде осьтен тыс (<0001> кристалдық жазықтыққа қатысты, <11-20> кристалдық бағытқа қарай) қиғаш кесілген субстратты пайдаланып, қоспасыз жоғары тазалықтағы монокристаллды 4H-SiC эпитаксиалды қабаты субстратқа сатылы ағынды өсу режимі түрінде тұндырылады. Ерте 4H-SiC гомоэпитаксиалды өсу өсу үшін оң кристалдық субстратты, яғни <0001> Si жазықтығын пайдаланды. Оң кристалдық субстрат бетіндегі атомдық сатылардың тығыздығы төмен және террасалар кең. Эпитаксиалды процесс кезінде 3C кристалды SiC (3C-SiC) түзу үшін екі өлшемді ядролану өсімі оңай жүреді. Осьтен тыс кесу арқылы 4H-SiC <0001> субстратының бетіне жоғары тығыздықтағы, тар терраса еніндегі атомдық сатыларды енгізуге болады, ал адсорбцияланған прекурсор беттік диффузия арқылы салыстырмалы түрде төмен беттік энергиямен атомдық саты позициясына тиімді жете алады. Бастапқы кезеңде прекурсорлық атом/молекулалық топ байланысының орны ерекше, сондықтан сатылы ағынның өсу режимінде эпитаксиалды қабат субстраттың Si-C қос атомдық қабатының қабаттасу тізбегін тамаша мұра ете алады, бұл субстратпен бірдей кристалдық фазасы бар монокристалды құрайды.
(2) Эпитаксиалды өсудің жоғары жылдамдығы хлор құрамдас кремний көзін енгізу арқылы жүзеге асырылады. Дәстүрлі SiC химиялық бу тұндыру жүйелерінде силан және пропан (немесе этилен) негізгі өсу көздері болып табылады. Өсу көзінің ағын жылдамдығын арттыру арқылы өсу жылдамдығын арттыру процесінде, кремний компонентінің тепе-теңдік парциалды қысымы артуды жалғастырған сайын, біртекті газ фазалық ядролану арқылы кремний кластерлерін қалыптастыру оңай, бұл кремний көзінің пайдалану жылдамдығын айтарлықтай төмендетеді. Кремний кластерлерінің пайда болуы эпитаксиалды өсу жылдамдығының жақсаруын айтарлықтай шектейді. Сонымен қатар, кремний кластерлері сатылы ағынның өсуін бұзып, ақаулық ядролануын тудыруы мүмкін. Біртекті газ фазалық ядролануды болдырмау және эпитаксиалды өсу жылдамдығын арттыру үшін хлор негізіндегі кремний көздерін енгізу қазіргі уақытта 4H-SiC эпитаксиалды өсу жылдамдығын арттырудың негізгі әдісі болып табылады.
1,2 200 мм (8 дюйм) SiC эпитаксиалды жабдығы және технологиялық жағдайлары
Осы мақалада сипатталған тәжірибелердің барлығы Қытай электроника технологиялары тобының 48-ші институты корпорациясы тәуелсіз әзірлеген 150/200 мм (6/8 дюйм) үйлесімді монолитті көлденең ыстық қабырғалы SiC эпитаксиалды жабдығында жүргізілді. Эпитаксиалды пеш толығымен автоматты түрде пластинаны тиеу және түсіруді қолдайды. 1-суретте эпитаксиалды жабдықтың реакция камерасының ішкі құрылымының схемалық диаграммасы көрсетілген. 1-суретте көрсетілгендей, реакция камерасының сыртқы қабырғасы сумен салқындатылған қабаты бар кварц қоңырауы, ал қоңыраудың ішкі жағы жылу оқшаулағыш көміртегі киізінен, жоғары тазалықтағы арнайы графит қуысынан, графит газымен қалқып жүретін айналмалы негізден және т.б. тұратын жоғары температуралы реакция камерасы орналасқан. Кварц қоңырауының барлығы цилиндрлік индукциялық катушкамен жабылған, ал қоңыраудың ішіндегі реакция камерасы орташа жиілікті индукциялық қуат көзі арқылы электромагниттік түрде қыздырылады. 1(b)-суретте көрсетілгендей, тасымалдаушы газ, реакция газы және қоспа газы пластина беті арқылы реакция камерасының жоғарғы ағысынан реакция камерасының төменгі ағысына дейін көлденең ламинарлы ағынмен ағады және құйрық газының ұшынан шығарылады. Пластинаның ішіндегі консистенцияны қамтамасыз ету үшін ауа қалқымалы негізі тасымалдайтын пластина процесс кезінде әрқашан айналады.
Тәжірибеде қолданылатын субстрат - Shanxi Shuoke Crystal компаниясы шығарған коммерциялық 150 мм, 200 мм (6 дюйм, 8 дюйм) <1120> бағыты 4° бұрыштан тыс өткізгіш n-типті 4H-SiC екі жақты жылтыратылған SiC субстраты. Процесстік тәжірибеде негізгі өсу көздері ретінде трихлорсилан (SiHCl3, TCS) және этилен (C2H4) қолданылады, олардың ішінде TCS және C2H4 сәйкесінше кремний көзі және көміртегі көзі ретінде, жоғары тазалықтағы азот (N2) n-типті қоспа көзі ретінде, ал сутегі (H2) сұйылту газы және тасымалдаушы газ ретінде қолданылады. Эпитаксиалды процестің температура диапазоны 1 600 ~ 1 660 ℃, процестің қысымы 8 × 103 ~ 12 × 103 Па, ал H2 тасымалдаушы газ ағынының жылдамдығы 100 ~ 140 л/мин.
1.3 Эпитаксиалды пластинаны сынау және сипаттау
Эпитаксиалды қабат қалыңдығы мен қоспа концентрациясының орташа мәнін және таралуын сипаттау үшін Фурье инфрақызыл спектрометрі (жабдық өндірушісі Thermalfisher, iS50 моделі) және сынап зондының концентрациясын өлшегіш (жабдық өндірушісі Semilab, 530L моделі) пайдаланылды; эпитаксиалды қабаттағы әрбір нүктенің қалыңдығы мен қоспа концентрациясы пластинаның ортасында 45° бұрышта негізгі тірек жиегінің қалыпты сызығымен қиылысатын диаметр сызығы бойындағы нүктелерді 5 мм жиекті алып тастау арқылы анықтау арқылы анықталды. 150 мм пластина үшін бір диаметрлі сызық бойымен 9 нүкте алынды (екі диаметр бір-біріне перпендикуляр болды), ал 200 мм пластина үшін 21 нүкте алынды, бұл 2-суретте көрсетілген. Эпитаксиалды қабаттың беткі кедір-бұдырлығын тексеру үшін эпитаксиалды пластинаның орталық аймағында және жиек аймағында (5 мм жиекті алып тастау) 30 мкм × 30 мкм аймақтарды таңдау үшін атомдық күш микроскопы (жабдық өндірушісі Bruker, Dimension Icon моделі) пайдаланылды; Эпитаксиалды қабаттың ақаулары беттік ақауларды тексеру құралын (жабдық өндірушісі China Electronics) пайдаланып өлшенді. 3D бейнелеу құралы Kefenghua компаниясының радар сенсорымен (Mars 4410 pro моделі) сипатталды.
Жарияланған уақыты: 04 қыркүйек 2024 ж.