Šiuo metu SiC pramonė keičia savo gaminius nuo 150 mm (6 colių) iki 200 mm (8 colių). Siekiant patenkinti skubų didelių, aukštos kokybės SiC homoepitaksinių plokštelių poreikį pramonėje, 150 mm ir 200 mm...4H-SiC homoepitaksinės plokštelėsbuvo sėkmingai paruošti ant vietinių substratų, naudojant nepriklausomai sukurtą 200 mm SiC epitaksinio auginimo įrangą. Buvo sukurtas homoepitaksinis procesas, tinkamas 150 mm ir 200 mm, kurio metu epitaksinis augimo greitis gali būti didesnis nei 60 μm/h. Nors epitaksijos greitis atitinka reikalavimus, epitaksinės plokštelės kokybė yra puiki. 150 mm ir 200 mm storio vienodumas.SiC epitaksinės plokštelėsgalima kontroliuoti 1,5% tikslumu, koncentracijos vienodumas yra mažesnis nei 3%, mirtinų defektų tankis yra mažesnis nei 0,3 dalelių/cm2, o epitaksinio paviršiaus šiurkštumo vidutinė kvadratinė vertė Ra yra mažesnė nei 0,15 nm, o visi pagrindiniai proceso rodikliai yra pažangiame pramonės lygyje.
Silicio karbidas (SiC)yra vienas iš trečios kartos puslaidininkinių medžiagų atstovų. Jis pasižymi dideliu pramušimo lauko stiprumu, puikiu šilumos laidumu, dideliu elektronų prisotinimo dreifo greičiu ir dideliu atsparumu spinduliuotei. Jis labai išplėtė galios įrenginių energijos apdorojimo pajėgumus ir gali patenkinti naujos kartos galios elektronikos įrangos aptarnavimo reikalavimus, taikomus didelės galios, mažo dydžio, aukštos temperatūros, didelės spinduliuotės ir kitomis ekstremaliomis sąlygomis veikiantiems įrenginiams. Jis gali sumažinti erdvę, sumažinti energijos suvartojimą ir aušinimo poreikius. Jis atnešė revoliucinius pokyčius naujos kartos energijos transporto priemonėse, geležinkelių transporte, išmaniuosiuose tinkluose ir kitose srityse. Todėl silicio karbido puslaidininkiai tapo pripažinti idealia medžiaga, kuri ves naujos kartos didelės galios galios elektronikos įrenginius. Pastaraisiais metais, dėka nacionalinės politikos paramos trečios kartos puslaidininkių pramonės plėtrai, Kinijoje iš esmės buvo baigti 150 mm SiC įrenginių pramonės sistemos tyrimai, plėtra ir statyba, o pramonės grandinės saugumas iš esmės buvo garantuotas. Todėl pramonės dėmesys palaipsniui perėjo į sąnaudų kontrolę ir efektyvumo didinimą. Kaip parodyta 1 lentelėje, 200 mm SiC pasižymi didesniu briaunų panaudojimo koeficientu, palyginti su 150 mm, o pavienių plokštelių lustų našumą galima padidinti maždaug 1,8 karto. Technologijai tobulėjant, pavienių lustų gamybos sąnaudas galima sumažinti 30 %. 200 mm technologinis proveržis yra tiesioginė priemonė „mažinti sąnaudas ir didinti efektyvumą“, be to, tai yra raktas į mano šalies puslaidininkių pramonės „lygiagretų“ ar net „pirmavimą“.
Skirtingai nuo Si įrenginio proceso,SiC puslaidininkiniai galios įtaisaivisi apdorojami ir paruošiami naudojant epitaksinius sluoksnius kaip kertinį akmenį. Epitaksinės plokštelės yra esminės pagrindinės medžiagos SiC maitinimo įrenginiams. Epitaksinio sluoksnio kokybė tiesiogiai lemia įrenginio išeigą, o jo kaina sudaro 20% lustų gamybos sąnaudų. Todėl epitaksinis augimas yra esminė tarpinė grandis SiC maitinimo įrenginiuose. Viršutinę epitaksinio proceso lygio ribą nustato epitaksinė įranga. Šiuo metu 150 mm SiC epitaksinės įrangos lokalizacijos laipsnis Kinijoje yra gana aukštas, tačiau bendras 200 mm išdėstymas atsilieka nuo tarptautinio lygio. Todėl, siekiant išspręsti skubius didelių matmenų, aukštos kokybės epitaksinių medžiagų gamybos poreikius ir kliūtis, skirtas šalies trečiosios kartos puslaidininkių pramonės plėtrai, šiame straipsnyje pristatoma mano šalyje sėkmingai sukurta 200 mm SiC epitaksinė įranga ir nagrinėjamas epitaksinis procesas. Optimizuojant proceso parametrus, tokius kaip proceso temperatūra, nešiklio dujų srauto greitis, C/Si santykis ir kt., gaunamas 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių koncentracijos vienodumas <3 %, storio nevienodumas <1,5 %, šiurkštumas Ra <0,2 nm ir mirtinų defektų tankis <0,3 grūdai/cm2, naudojant nepriklausomai sukurtą 200 mm silicio karbido epitaksinę krosnį. Įrangos proceso lygis gali patenkinti aukštos kokybės SiC galios įrenginių paruošimo poreikius.
1 eksperimentas
1.1 PrincipasSiC epitaksinisprocesas
4H-SiC homoepitaksinio auginimo procesas daugiausia apima 2 pagrindinius etapus: aukštos temperatūros 4H-SiC substrato ėsdinimą vietoje ir homogeninį cheminį garų nusodinimą. Pagrindinis substrato ėsdinimo vietoje tikslas – pašalinti substrato paviršutiniškus pažeidimus po plokštelių poliravimo, likusį poliravimo skystį, daleles ir oksido sluoksnį, o ėsdinimo būdu ant substrato paviršiaus galima suformuoti taisyklingą atominę pakopinę struktūrą. Ėsdinimas vietoje paprastai atliekamas vandenilio atmosferoje. Atsižvelgiant į faktinius proceso reikalavimus, taip pat galima pridėti nedidelį kiekį pagalbinių dujų, pvz., vandenilio chlorido, propano, etileno arba silano. Ėsdinimo vietoje vandenilio ėsdinimo temperatūra paprastai viršija 1600 ℃, o reakcijos kameros slėgis ėsdinimo proceso metu paprastai kontroliuojamas žemiau 2 × 104 Pa.
Po to, kai substrato paviršius aktyvuojamas vietoje ėsdinant, jis patenka į aukštos temperatūros cheminio garų nusodinimo procesą, t. y. augimo šaltinis (pvz., etilenas/propanas, TCS/silanas), legiravimo šaltinis (n tipo legiravimo šaltinis azotas, p tipo legiravimo šaltinis TMAl) ir pagalbinės dujos, pvz., vandenilio chloridas, per didelį nešiklio dujų (dažniausiai vandenilio) srautą transportuojamos į reakcijos kamerą. Po to, kai dujos sureaguoja aukštos temperatūros reakcijos kameroje, dalis pirmtako chemiškai reaguoja ir adsorbuojasi ant plokštelės paviršiaus, o ant substrato paviršiaus, naudojant monokristalinį 4H-SiC substratą kaip šabloną, susidaro monokristalinis homogeninis 4H-SiC epitaksinis sluoksnis su specifine legiravimo koncentracija, specifiniu storiu ir aukštesne kokybe. Po daugelio metų techninių tyrimų 4H-SiC homoepitaksinė technologija iš esmės subrendo ir yra plačiai naudojama pramoninėje gamyboje. Plačiausiai pasaulyje naudojama 4H-SiC homoepitaksinė technologija turi dvi tipines savybes:
(1) Naudojant neašinį (<0001> kristalo plokštumos atžvilgiu, <11-20> kristalo kryptimi) įstrižai pjaunamą substratą kaip šabloną, ant substrato laipsniško augimo režimu nusodinamas labai grynas monokristalinis 4H-SiC epitaksinis sluoksnis be priemaišų. Ankstyvajame 4H-SiC homoepitaksiniame augime augimui buvo naudojamas teigiamas kristalinis substratas, t. y. <0001> Si plokštuma. Atominių pakopų tankis teigiamo kristalinio substrato paviršiuje yra mažas, o terasos – plačios. Epitaksijos proceso metu lengva augti dvimatėje branduolių formoje ir susidaryti 3C kristaliniam SiC (3C-SiC). Pjaunant neašiškai, 4H-SiC <0001> substrato paviršiuje galima įvesti didelio tankio, siauro terasos pločio atominius pakopų, o adsorbuotas pirmtakas gali efektyviai pasiekti atominio pakopų padėtį su santykinai maža paviršiaus energija per paviršiaus difuziją. Žingsnyje pirmtako atomo / molekulinės grupės jungimosi padėtis yra unikali, todėl žingsninio srauto augimo režimu epitaksinis sluoksnis gali puikiai paveldėti substrato Si-C dvigubo atominio sluoksnio kaupimo seką ir sudaryti vieną kristalą su ta pačia kristaline faze kaip ir substratas.
(2) Didelės spartos epitaksinis augimas pasiekiamas įvedant chloro turintį silicio šaltinį. Įprastose SiC cheminio garinimo sistemose pagrindiniai augimo šaltiniai yra silanas ir propanas (arba etilenas). Didinant augimo šaltinio srauto greitį, didėjant silicio komponento pusiausvyriniam daliniam slėgiui, lengva suformuoti silicio klasterius homogeninės dujų fazės branduolio susidarymo būdu, o tai žymiai sumažina silicio šaltinio panaudojimo greitį. Silicio klasterių susidarymas labai riboja epitaksinio augimo greičio pagerėjimą. Tuo pačiu metu silicio klasteriai gali sutrikdyti laipsniško srauto augimą ir sukelti defektų branduolio susidarymą. Siekiant išvengti homogeninės dujų fazės branduolio susidarymo ir padidinti epitaksinį augimo greitį, chloro pagrindo silicio šaltinių įvedimas šiuo metu yra pagrindinis 4H-SiC epitaksinio augimo greičio didinimo metodas.
1.2 200 mm (8 colių) SiC epitaksinė įranga ir proceso sąlygos
Šiame straipsnyje aprašyti eksperimentai buvo atlikti naudojant 150/200 mm (6/8 colio) suderinamą monolitinę horizontalią karštos sienos SiC epitaksinę įrangą, kurią nepriklausomai sukūrė 48-asis Kinijos elektronikos technologijų grupės korporacijos institutas. Epitaksinė krosnis palaiko visiškai automatinį plokštelių įkrovimą ir iškrovimą. 1 paveiksle pateikta epitaksinės įrangos reakcijos kameros vidinės struktūros schema. Kaip parodyta 1 paveiksle, išorinė reakcijos kameros sienelė yra kvarcinis varpas su vandeniu aušinamu tarpiniu sluoksniu, o varpo viduje yra aukštos temperatūros reakcijos kamera, sudaryta iš šilumos izoliacijos anglies veltinio, didelio grynumo specialios grafito ertmės, grafito dujomis plūduriuojančio besisukančio pagrindo ir kt. Visas kvarcinis varpas yra padengtas cilindrine indukcine rite, o reakcijos kamera varpo viduje yra elektromagnetiškai šildoma vidutinio dažnio indukcinio maitinimo šaltiniu. Kaip parodyta 1 paveiksle (b), nešiklio dujos, reakcijos dujos ir legiruojančios dujos teka per plokštelės paviršių horizontaliu laminariniu srautu nuo reakcijos kameros prieš srovę iki reakcijos kameros pasrovio ir išleidžiamos per dujų išmetimo galą. Siekiant užtikrinti plokštelės konsistenciją, ant oru plūduriuojančio pagrindo nešama plokštelė proceso metu visada sukama.
Eksperimente naudotas substratas yra komercinis 150 mm, 200 mm (6 colių, 8 colių) <1120> krypties 4° kampu laidus n tipo 4H-SiC dvipusis poliruotas SiC substratas, pagamintas „Shanxi Shuoke Crystal“. Pagrindiniai augimo šaltiniai proceso eksperimente yra trichlorosilanas (SiHCl3, TCS) ir etilenas (C2H4), iš kurių TCS ir C2H4 naudojami atitinkamai kaip silicio ir anglies šaltinis, didelio grynumo azotas (N2) naudojamas kaip n tipo legiravimo šaltinis, o vandenilis (H2) – kaip skiedimo dujos ir nešiklio dujos. Epitaksinio proceso temperatūros diapazonas yra 1 600–1 660 ℃, proceso slėgis – 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, o H2 nešiklio dujų srautas – 100–140 l/min.
1.3 Epitaksinis plokštelių bandymas ir charakterizavimas
Epitaksinio sluoksnio storio ir legiravimo koncentracijos vidurkiui ir pasiskirstymui apibūdinti buvo naudojamas Furjė infraraudonųjų spindulių spektrometras (įrangos gamintojas „Thermalfisher“, modelis „iS50“) ir gyvsidabrio zondo koncentracijos matuoklis (įrangos gamintojas „Semilab“, modelis 530L); kiekvieno epitaksinio sluoksnio taško storis ir legiravimo koncentracija buvo nustatyti imant taškus išilgai skersmens linijos, kertančios pagrindinio etaloninio krašto statmenę liniją 45° kampu plokštelės centre, pašalinus kraštus 5 mm. 150 mm plokštelei išilgai vienos skersmens linijos buvo paimti 9 taškai (du skersmenys buvo statmeni vienas kitam), o 200 mm plokštelei – 21 taškas, kaip parodyta 2 paveiksle. Atominės jėgos mikroskopu (įrangos gamintojas „Bruker“, modelis „Dimension Icon“) buvo pasirinkti 30 μm × 30 μm plotai epitaksinės plokštelės centrinėje srityje ir kraštinėje srityje (5 mm kraštų pašalinimas), siekiant patikrinti epitaksinio sluoksnio paviršiaus šiurkštumą; Epitaksinio sluoksnio defektai buvo išmatuoti naudojant paviršiaus defektų testerį (įrangos gamintojas „China Electronics“). 3D vaizduoklis buvo apibūdintas radaro jutikliu („Mars 4410 Pro“ modelis) iš „Kefenghua“.
Įrašo laikas: 2024-09-04