Aktuell transforméiert sech d'SiC-Industrie vun 150 mm (6 Zoll) op 200 mm (8 Zoll). Fir der dréngender Nofro no groussen, héichwäertege SiC homoepitaxialen Waferen an der Industrie gerecht ze ginn, goufen 150 mm an 200 mm ...4H-SiC homoepitaxial Waferengoufen erfollegräich op haushaltleche Substrater mat der onofhängeg entwéckelter 200mm SiC epitaktischer Wuessausrüstung preparéiert. En homoepitaxialen Prozess, deen fir 150mm an 200mm gëeegent ass, gouf entwéckelt, bei deem d'epitaxial Wuessrat méi wéi 60µm/h ka sinn. Wärend d'High-Speed-Epitaxie erfëllt gëtt, ass d'Qualitéit vun der epitaktischer Wafer exzellent. D'Dickeuniformitéit vun 150mm an 200mmSiC epitaxial Waferenkann bannent 1,5% kontrolléiert ginn, d'Konzentratiounsuniformitéit ass manner wéi 3%, d'Dicht vum fatale Defekt ass manner wéi 0,3 Partikelen/cm2, an d'Epitaxialflächenrauheetswurzel Ra ass manner wéi 0,15 nm, an all Kärprozessindikatoren sinn um fortgeschrattene Niveau vun der Industrie.
Siliziumkarbid (SiC)ass ee vun de Vertrieder vun den Hallefleedermaterialien vun der drëtter Generatioun. Et huet d'Charakteristike vun héijer Duerchbrochfeldstäerkt, exzellenter Wärmeleitfäegkeet, grousser Elektronensättigungsdriftgeschwindegkeet a staarker Stralungsbeständegkeet. Et huet d'Energieveraarbechtungskapazitéit vu Kraaftgeräter staark erweidert a kann d'Serviceufuerderunge vun der nächster Generatioun vun elektronesche Kraaftgeräter fir Geräter mat héijer Leeschtung, klenger Gréisst, héijer Temperatur, héijer Stralung an aner extremen Konditiounen erfëllen. Et kann de Raum reduzéieren, de Stroumverbrauch reduzéieren an de Killbedarf reduzéieren. Et huet revolutionär Ännerungen an neien Energiefahrzeugen, dem Schinneverkéier, Smart Grids an anere Beräicher bruecht. Dofir sinn Siliziumkarbid-Halbleeder als dat ideal Material unerkannt ginn, dat déi nächst Generatioun vun elektronesche Kraaftgeräter mat héijer Leeschtung féiert. An de leschte Joren, dank der nationaler politescher Ënnerstëtzung fir d'Entwécklung vun der Hallefleederindustrie vun der drëtter Generatioun, sinn d'Fuerschung an d'Entwécklung an de Bau vum 150 mm SiC-Gerätindustriesystem a China grondsätzlech ofgeschloss ginn, an d'Sécherheet vun der Industriekette ass grondsätzlech garantéiert ginn. Dofir huet sech de Fokus vun der Industrie lues a lues op Käschtekontroll an Effizienzverbesserung verlagert. Wéi an der Tabell 1 gewisen, huet 200 mm SiC am Verglach mat 150 mm eng méi héich Kantenauslastungsquote, an d'Produktioun vun eenzelne Waferchips kann ëm ongeféier 1,8 Mol erhéicht ginn. Nodeems d'Technologie reif ass, kënnen d'Produktiounskäschte vun engem eenzege Chip ëm 30% reduzéiert ginn. Den technologeschen Duerchbroch vun 200 mm ass e direkt Mëttel fir "Käschten ze reduzéieren an d'Effizienz ze erhéijen", an et ass och de Schlëssel fir d'Halbleiterindustrie vu mengem Land fir "parallel" oder souguer "féierend" ze lafen.
Anescht wéi de Prozess vum Si-Apparat,SiC-Halbleiter-Energieversuergungsapparaterginn all mat epitaktischen Schichten als Grondsteen veraarbecht a virbereet. Epitaktesch Wafere si wesentlech Basismaterialien fir SiC-Energieversuergungskomponenten. D'Qualitéit vun der epitaktischer Schicht bestëmmt direkt den Ausbezug vum Komponent, an hir Käschte maachen 20% vun de Chipfabrikatiounskäschte aus. Dofir ass d'epitaxialt Wuesstum eng wesentlech Zwëschenlinn an SiC-Energieversuergungskomponenten. Déi iewescht Grenz vum epitaktischen Prozessniveau gëtt vun der epitaktischer Ausrüstung bestëmmt. Am Moment ass de Lokaliséierungsgrad vun 150 mm SiC epitaktischer Ausrüstung a China relativ héich, awer gläichzäiteg läit d'Gesamtbild vun 200 mm hannert dem internationale Niveau. Fir dofir déi dréngend Bedierfnesser an d'Engpässeproblemer vun der grousser, héichqualitativer Produktioun vun epitaktischem Material fir d'Entwécklung vun der nationaler Hallefleederindustrie vun der drëtter Generatioun ze léisen, stellt dëse Pabeier déi 200 mm SiC epitaktesch Ausrüstung vir, déi a mengem Land erfollegräich entwéckelt gouf, an ënnersicht den epitaktischen Prozess. Duerch d'Optimiséierung vun de Prozessparameter wéi Prozesstemperatur, Trägergasduerchflussrate, C/Si-Verhältnis, etc., ginn d'Konzentratiounsuniformitéit <3%, d'Déckennetuniformitéit <1,5%, d'Rauheet Ra <0,2 nm an d'Fataldefektdicht <0,3 Kären/cm2 vun 150 mm an 200 mm SiC epitaktesch Waferen mat onofhängeg entwéckeltem 200 mm Siliziumcarbid-Epitaxiofhuewen erreecht. Den Ausrüstungsprozessniveau kann den Ufuerderunge vun der Virbereedung vun héichwäertege SiC-Energieversuergungsapparater gerecht ginn.
1 Experiment
1.1 Prinzip vunEpitaktesch SiCProzess
De 4H-SiC homoepitaxialen Wuessprozess ëmfaasst haaptsächlech 2 Schlësselschrëtt, nämlech Héichtemperatur-In-situ-Ätzen vum 4H-SiC-Substrat an en homogenen chemeschen Dampfoflagerungsprozess. Den Haaptzweck vum Substrat-In-situ-Ätzen ass d'Ënnerflächeschädigung vum Substrat nom Waferpoléieren, Reschtpoléierflëssegkeet, Partikelen an Oxidschicht ze entfernen, an eng reegelméisseg atomar Stufenstruktur kann duerch d'Ätzen op der Substratoberfläch geformt ginn. D'In-situ-Ätzen gëtt normalerweis an enger Waasserstoffatmosphär duerchgefouert. Geméiss den aktuellen Prozessufuerderunge kann och eng kleng Quantitéit un Hëllefsgas bäigefüügt ginn, wéi Waasserstoffchlorid, Propan, Ethylen oder Silan. D'Temperatur vum In-situ-Waasserstoffätzen ass allgemeng iwwer 1600 ℃, an den Drock vun der Reaktiounskammer gëtt während dem Ätzeprozess allgemeng ënner 2 × 104 Pa kontrolléiert.
Nodeems d'Substratoberfläche duerch In-situ-Ätzen aktivéiert gouf, geet se an den Héichtemperatur-chemeschen Dampfoflagerungsprozess, dat heescht, d'Wuesstumsquell (wéi Ethylen/Propan, TCS/Silan), d'Dotierungsquell (n-Typ Dotierungsquell Stickstoff, p-Typ Dotierungsquell TMAl) an Hëllefsgas wéi Waasserstoffchlorid ginn duerch e grousse Floss vun Trägergas (normalerweis Waasserstoff) an d'Reaktiounskammer transportéiert. Nodeems d'Gas an der Héichtemperatur-Reaktiounskammer reagéiert huet, reagéiert en Deel vum Virleefer chemesch an adsorbéiert op der Waferoberfläche, an eng homogen Eenkristall-4H-SiC-Epitaxialschicht mat enger spezifescher Dotierungskonzentratioun, spezifescher Déckt a méi héijer Qualitéit gëtt op der Substratoberfläche mat dem Eenkristall-4H-SiC-Substrat als Schabloun geformt. No Jore vun technescher Exploratioun ass d'4H-SiC-Homoepitaxialtechnologie grondsätzlech reif ginn a gëtt wäit verbreet an der industrieller Produktioun benotzt. Déi am meeschte verbreet 4H-SiC-Homoepitaxialtechnologie op der Welt huet zwou typesch Charakteristiken:
(1) Mat engem Off-Achs (relativ zu der <0001> Kristallfläch, a Richtung <11-20> Kristallrichtung) schräg geschniddene Substrat als Schabloun, gëtt eng héichrein Eenkristall 4H-SiC Epitaxialschicht ouni Ongereinheeten op de Substrat a Form vun engem Schrëtt-Floss-Wuesstumsmodus ofgesat. Fréi 4H-SiC Homoepitaxialwuesstum huet e positivt Kristallsubstrat, dat heescht d'<0001> Si-Fläch fir de Wuesstum, benotzt. D'Dicht vun den Atomstufen op der Uewerfläch vum positive Kristallsubstrat ass niddreg an d'Terrassen si breet. Zweedimensionalt Keimbildungswuesstum ass einfach während dem Epitaxieprozess fir 3C Kristall SiC (3C-SiC) ze bilden. Duerch Off-Achs-Schnëtt kënnen Atomstufen mat héijer Dicht a schmuel Terrassbreet op der Uewerfläch vum 4H-SiC <0001> Substrat agefouert ginn, an den adsorbéierte Virleefer kann d'Atomstufepositioun effektiv mat relativ gerénger Uewerflächenenergie duerch Uewerflächendiffusioun erreechen. Um Schrëtt ass d'Bindungspositioun vum Virleeferatom/Molekulargrupp eenzegaarteg, sou datt am Schrëtt-Floss-Wuesstumsmodus d'epitaxial Schicht d'Si-C Duebelatomschicht-Stapelsequenz vum Substrat perfekt ierwe kann, fir en Eenzelkristall mat der selwechter Kristallphase wéi de Substrat ze bilden.
(2) E séier epitaktesch Wuesstum gëtt duerch d'Aféierung vun enger chlorhalteger Siliziumquell erreecht. A konventionelle SiC-chemeschen Dampfoflagerungssystemer sinn Silan a Propan (oder Ethylen) déi wichtegst Wuesstumsquellen. Beim Prozess vun der Erhéijung vun der Wuesstumsquote duerch d'Erhéijung vum Duerchfluss vun der Wuesstumsquell, wann de Gläichgewiichtspartialdrock vun der Siliziumkomponent weider eropgeet, ass et einfach, Siliziumcluster duerch homogen Gasphasennukleatioun ze bilden, wat d'Auslastungsquote vun der Siliziumquell däitlech reduzéiert. D'Bildung vu Siliziumcluster limitéiert d'Verbesserung vun der epitaktischer Wuesstumsquote staark. Gläichzäiteg kënnen Siliziumcluster de Stufenflusswuesstum stéieren an Defektnukleatioun verursaachen. Fir eng homogen Gasphasennukleatioun ze vermeiden an d'epitaxial Wuesstumsquote ze erhéijen, ass d'Aféierung vu chlorbaséierte Siliziumquellen de Moment déi allgemeng Method fir d'epitaxial Wuesstumsquote vu 4H-SiC ze erhéijen.
1,2 200 mm (8-Zoll) SiC epitaktesch Ausrüstung a Prozessbedingungen
D'Experimenter, déi an dësem Pabeier beschriwwe ginn, goufen all op enger 150/200 mm (6/8-Zoll) kompatiblen monolithescher horizontaler Heisswand-SiC-Epitaxialausrüstung duerchgefouert, déi onofhängeg vum 48. Institut vun der China Electronics Technology Group Corporation entwéckelt gouf. Den Epitaxiofen ënnerstëtzt vollautomatesch Waferbelaaschtung an -entluedung. Figur 1 ass e schematescht Diagramm vun der interner Struktur vun der Reaktiounskammer vun der Epitaxialausrüstung. Wéi an der Figur 1 gewisen, ass déi baussenzeg Mauer vun der Reaktiounskammer eng Quarzklack mat enger waassergekillter Zwëschenschicht, an d'Innere vun der Klack ass eng Héichtemperaturreaktiounskammer, déi aus Wärmeisolatiounskuelestofffilz, enger spezieller héichreineger Graphitkavitéit, enger rotéierender Graphitgas-Schwebbasis, etc. besteet. Déi ganz Quarzklack ass mat enger zylindrescher Induktiounsspule bedeckt, an d'Reaktiounskammer an der Klack gëtt elektromagnetesch vun enger mëttelfrequenter Induktiounsstroumversuergung erhëtzt. Wéi an der Figur 1 (b) gewisen, fléissen den Trägergas, d'Reaktiounsgas an d'Dotiergas all duerch d'Waferuewerfläch an engem horizontalen laminaren Stroum vum Virwärtspunkt vun der Reaktiounskammer bis zum Ofwärtspunkt vun der Reaktiounskammer a ginn vum Réckgas-Enn ofgeleet. Fir d'Konsistenz am Wafer ze garantéieren, gëtt de Wafer, deen vun der Loft-Schwimmbasis gedroe gëtt, ëmmer während dem Prozess gedréit.
De Substrat, deen am Experiment benotzt gouf, ass e kommerziellt 150 mm, 200 mm (6 Zoll, 8 Zoll) <1120> Richtung 4° Off-Wénkel leetfäeg n-Typ 4H-SiC duebelsäiteg poléiert SiC Substrat, dat vu Shanxi Shuoke Crystal produzéiert gëtt. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) an Ethylen (C2H4) ginn als Haaptwuesstumsquellen am Prozessexperiment benotzt, dorënner TCS a C2H4 als Siliziumquell respektiv Kuelestoffquell benotzt, héichreine Stéckstoff (N2) gëtt als n-Typ Dotierungsquell benotzt, a Waasserstoff (H2) gëtt als Verdënnungsgas an Trägergas benotzt. Den Temperaturberäich vum epitaktischen Prozess ass 1600 ~1660 ℃, den Prozessdrock ass 8×103 ~12×103 Pa, an den H2 Trägergasduerchfluss ass 100~140 L/min.
1.3 Epitaktesch Waferprüfung a Charakteriséierung
E Fourier-Infraroutspektrometer (Ausrüstungshersteller Thermalfisher, Modell iS50) an e Quecksëlwer-Sond-Konzentratiounstester (Ausrüstungshersteller Semilab, Modell 530L) goufe benotzt fir de Mëttelwäert an d'Verdeelung vun der epitaktischer Schichtdicke an der Dotierungskonzentratioun ze charakteriséieren; d'Dicke an d'Dotierungskonzentratioun vun all Punkt an der epitaktischer Schicht goufe bestëmmt andeems Punkten laanscht d'Duerchmiesserlinn geholl goufen, déi d'Normallinn vun der Haaptreferenzkant bei 45° an der Mëtt vum Wafer mat enger Kantentfernung vun 5 mm schneiden. Fir e 150 mm Wafer goufen 9 Punkten laanscht eng Linn mat engem Duerchmiesser geholl (zwee Duerchmiesser ware senkrecht zueneen), a fir e 200 mm Wafer goufen 21 Punkten geholl, wéi an der Figur 2 gewisen. En Atomkraaftmikroskop (Ausrüstungshersteller Bruker, Modell Dimension Icon) gouf benotzt fir 30 μm×30 μm Beräicher am Zentrumberäich an der Kantenfläch (5 mm Kantentfernung) vum epitaktischen Wafer ze wielen, fir d'Uewerflächenrauheet vun der epitaktischer Schicht ze testen; D'Defekter vun der epitaktischer Schicht goufen mat engem Uewerflächendefekttester (Ausrüstungshersteller China Electronics) gemooss. Den 3D-Bildgerät gouf duerch e Radarsensor (Modell Mars 4410 pro) vu Kefenghua charakteriséiert.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 04.09.2024