Pašlaik SiC nozare pāriet no 150 mm (6 collām) uz 200 mm (8 collām). Lai apmierinātu steidzamo pieprasījumu pēc liela izmēra, augstas kvalitātes SiC homoepitaksiālajām plāksnēm nozarē, 150 mm un 200 mm4H-SiC homoepitaksiālās plāksnestika veiksmīgi sagatavoti uz vietējiem substrātiem, izmantojot neatkarīgi izstrādātu 200 mm SiC epitaksiālo audzēšanas iekārtu. Tika izstrādāts homoepitaksiāls process, kas piemērots 150 mm un 200 mm, kurā epitaksiālais augšanas ātrums var būt lielāks par 60 μm/h. Vienlaikus ievērojot ātrgaitas epitaksiju, epitaksiālās vafeļu kvalitāte ir lieliska. Biezuma vienmērīgums 150 mm un 200 mmSiC epitaksiālās plāksnesvar kontrolēt 1,5% robežās, koncentrācijas vienmērīgums ir mazāks par 3%, letālā defekta blīvums ir mazāks par 0,3 daļiņām/cm2, un epitaksiālā virsmas raupjuma vidējā kvadrātiskā vērtība Ra ir mazāka par 0,15 nm, un visi galvenie procesa rādītāji ir nozares progresīvajā līmenī.
Silīcija karbīds (SiC)ir viens no trešās paaudzes pusvadītāju materiālu pārstāvjiem. Tam piemīt augsta sabrukšanas lauka intensitāte, lieliska siltumvadītspēja, liels elektronu piesātinājuma dreifa ātrums un spēcīga izturība pret radiāciju. Tas ir ievērojami paplašinājis jaudas ierīču enerģijas apstrādes jaudu un var apmierināt nākamās paaudzes jaudas elektronisko iekārtu apkalpošanas prasības ierīcēm ar lielu jaudu, mazu izmēru, augstu temperatūru, augstu starojumu un citiem ekstremāliem apstākļiem. Tas var samazināt vietu, samazināt enerģijas patēriņu un samazināt dzesēšanas prasības. Tas ir ieviesis revolucionāras izmaiņas jaunos enerģijas transportlīdzekļos, dzelzceļa transportā, viedtīklos un citās jomās. Tāpēc silīcija karbīda pusvadītāji ir atzīti par ideālu materiālu, kas vadīs nākamās paaudzes lieljaudas jaudas elektronisko ierīču attīstību. Pēdējos gados, pateicoties valsts politikas atbalstam trešās paaudzes pusvadītāju nozares attīstībai, Ķīnā ir praktiski pabeigta 150 mm SiC ierīču nozares sistēmas pētniecība, izstrāde un būvniecība, un rūpniecības ķēdes drošība ir praktiski garantēta. Tāpēc nozares uzmanības centrā pakāpeniski ir bijusi izmaksu kontrole un efektivitātes uzlabošana. Kā parādīts 1. tabulā, salīdzinot ar 150 mm, 200 mm SiC ir augstāks malu izmantošanas līmenis, un atsevišķu mikroshēmu ražību var palielināt aptuveni 1,8 reizes. Pēc tehnoloģijas attīstības vienas mikroshēmas ražošanas izmaksas var samazināt par 30%. 200 mm tehnoloģiskais sasniegums ir tiešs līdzeklis "izmaksu samazināšanai un efektivitātes palielināšanai", un tas ir arī atslēga, lai manas valsts pusvadītāju rūpniecība varētu "darboties paralēli" vai pat "vadīt".
Atšķiras no Si ierīces procesa,SiC pusvadītāju jaudas ierīcestiek apstrādāti un sagatavoti, izmantojot epitaksiālos slāņus kā stūrakmeni. Epitaksiālās plāksnes ir būtiski SiC barošanas ierīču pamatmateriāli. Epitaksiālā slāņa kvalitāte tieši nosaka ierīces ražu, un tā izmaksas veido 20% no mikroshēmas ražošanas izmaksām. Tāpēc epitaksiālā augšana ir būtisks starpposms SiC barošanas ierīcēs. Epitaksiālā procesa līmeņa augšējo robežu nosaka epitaksiālās iekārtas. Pašlaik 150 mm SiC epitaksiālo iekārtu lokalizācijas pakāpe Ķīnā ir relatīvi augsta, taču 200 mm kopējais izkārtojums vienlaikus atpaliek no starptautiskā līmeņa. Tāpēc, lai atrisinātu steidzamās vajadzības un vājo vietu problēmas, kas saistītas ar liela izmēra, augstas kvalitātes epitaksiālo materiālu ražošanu vietējās trešās paaudzes pusvadītāju nozares attīstībai, šajā rakstā tiek iepazīstināts ar manā valstī veiksmīgi izstrādāto 200 mm SiC epitaksiālo iekārtu un pētīts epitaksiālais process. Optimizējot procesa parametrus, piemēram, procesa temperatūru, nesējgāzes plūsmas ātrumu, C/Si attiecību utt., ar neatkarīgi izstrādātu 200 mm silīcija karbīda epitaksiālo krāsni tiek iegūta 150 mm un 200 mm SiC epitaksiālo plākšņu koncentrācijas vienmērība <3%, biezuma nevienmērīgums <1,5%, raupjums Ra <0,2 nm un fatālu defektu blīvums <0,3 graudi/cm2. Iekārtu procesa līmenis var apmierināt augstas kvalitātes SiC barošanas ierīču sagatavošanas vajadzības.
1 eksperiments
1.1 PrincipsSiC epitaksiālaisprocess
4H-SiC homoepitaksiālā augšanas process galvenokārt ietver divus galvenos soļus, proti, 4H-SiC substrāta kodināšanu augstā temperatūrā in situ un homogēnu ķīmisko tvaiku uzklāšanas procesu. Substrāta in situ kodināšanas galvenais mērķis ir noņemt substrāta pazemes bojājumus pēc vafeļu pulēšanas, atlikušo pulēšanas šķidrumu, daļiņas un oksīda slāni, un kodināšanas ceļā uz substrāta virsmas var veidot regulāru atomu pakāpju struktūru. In situ kodināšana parasti tiek veikta ūdeņraža atmosfērā. Atbilstoši faktiskajām procesa prasībām var pievienot arī nelielu daudzumu palīggāzes, piemēram, ūdeņraža hlorīdu, propānu, etilēnu vai silānu. In situ ūdeņraža kodināšanas temperatūra parasti ir virs 1600 ℃, un reakcijas kameras spiediens kodināšanas procesa laikā parasti tiek kontrolēts zem 2 × 104 Pa.
Pēc tam, kad substrāta virsma ir aktivizēta ar in situ kodināšanu, tā nonāk augstas temperatūras ķīmiskās tvaiku nogulsnēšanas procesā, tas ir, augšanas avots (piemēram, etilēns/propāns, TCS/silāns), dopinga avots (n-tipa dopinga avots slāpeklis, p-tipa dopinga avots TMAl) un palīggāze, piemēram, ūdeņraža hlorīds, tiek transportēti uz reakcijas kameru caur lielu nesējgāzes (parasti ūdeņraža) plūsmu. Pēc tam, kad gāze reaģē augstas temperatūras reakcijas kamerā, daļa prekursora ķīmiski reaģē un adsorbējas uz vafeļa virsmas, un, izmantojot monokristāla 4H-SiC substrātu kā veidni, uz substrāta virsmas veidojas monokristāla homogēns 4H-SiC epitaksiālais slānis ar noteiktu dopinga koncentrāciju, noteiktu biezumu un augstāku kvalitāti. Pēc daudzu gadu tehniskās izpētes 4H-SiC homoepitaksiālā tehnoloģija ir pamatā nobriedusi un tiek plaši izmantota rūpnieciskajā ražošanā. Visplašāk izmantotajai 4H-SiC homoepitaksiālajai tehnoloģijai pasaulē ir divas raksturīgas īpašības:
(1) Izmantojot ārpus ass (attiecībā pret <0001> kristāla plakni, virzienā uz <11-20> kristāla virzienu) slīpi grieztu substrātu kā veidni, uz substrāta pakāpeniskas plūsmas augšanas režīmā tiek uzklāts augstas tīrības pakāpes monokristāla 4H-SiC epitaksiāls slānis bez piemaisījumiem. Agrīnā 4H-SiC homoepitaksiālā audzēšana audzēšanai izmantoja pozitīvu kristāla substrātu, tas ir, <0001> Si plakni. Atomu pakāpienu blīvums uz pozitīvā kristāla substrāta virsmas ir zems, un terases ir platas. Epitaksijas procesā viegli notiek divdimensiju nukleācijas augšana, veidojot 3C kristālu SiC (3C-SiC). Ar ārpus ass griešanu uz 4H-SiC <0001> substrāta virsmas var ieviest augsta blīvuma, šaura terases platuma atomu pakāpienus, un adsorbētais prekursors var efektīvi sasniegt atomu pakāpiena pozīciju ar relatīvi zemu virsmas enerģiju, izmantojot virsmas difūziju. Pakāpeniski prekursora atoma/molekulārās grupas saistīšanas pozīcija ir unikāla, tāpēc pakāpeniskās plūsmas augšanas režīmā epitaksiālais slānis var perfekti mantot substrāta Si-C dubultā atomu slāņa sakraušanas secību, veidojot monokristālu ar tādu pašu kristāla fāzi kā substrātam.
(2) Ātrdarbīga epitaksiāla augšana tiek panākta, ieviešot hloru saturošu silīcija avotu. Parastajās SiC ķīmiskās tvaiku uzklāšanas sistēmās galvenie augšanas avoti ir silāns un propāns (vai etilēns). Palielinot augšanas ātrumu, palielinot augšanas avota plūsmas ātrumu, silīcija komponenta līdzsvara daļējajam spiedienam turpinot palielināties, ir viegli veidot silīcija klasterus ar homogēnu gāzes fāzes kodolu veidošanos, kas ievērojami samazina silīcija avota izmantošanas ātrumu. Silīcija klasteru veidošanās ievērojami ierobežo epitaksiālā augšanas ātruma uzlabošanos. Tajā pašā laikā silīcija klasteri var traucēt pakāpeniskās plūsmas augšanu un izraisīt defektu kodolu veidošanos. Lai izvairītos no homogēnas gāzes fāzes kodolu veidošanās un palielinātu epitaksiālo augšanas ātrumu, hlora bāzes silīcija avotu ieviešana pašlaik ir galvenā metode 4H-SiC epitaksiālā augšanas ātruma palielināšanai.
1.2 200 mm (8 collu) SiC epitaksiālā iekārta un procesa apstākļi
Šajā rakstā aprakstītie eksperimenti tika veikti ar 150/200 mm (6/8 collu) saderīgu monolītu horizontālu karstās sienas SiC epitaksiālo iekārtu, ko neatkarīgi izstrādāja Ķīnas Elektronikas tehnoloģiju grupas korporācijas 48. institūts. Epitaksiālā krāsns nodrošina pilnībā automātisku vafeļu iekraušanu un izkraušanu. 1. attēls ir epitaksiālās iekārtas reakcijas kameras iekšējās struktūras shematiska diagramma. Kā parādīts 1. attēlā, reakcijas kameras ārējā siena ir kvarca zvans ar ūdens dzesēšanas starpslāni, un zvana iekšpusē ir augstas temperatūras reakcijas kamera, kas sastāv no siltumizolējoša oglekļa filca, augstas tīrības pakāpes speciāla grafīta dobuma, grafīta gāzi peldošas rotējošas pamatnes utt. Viss kvarca zvans ir pārklāts ar cilindrisku indukcijas spoli, un reakcijas kamera zvana iekšpusē tiek elektromagnētiski uzkarsēta ar vidējas frekvences indukcijas barošanas avotu. Kā parādīts 1. attēlā (b), nesējgāze, reakcijas gāze un dopinga gāze plūst caur vafeļu virsmu horizontālā laminārā plūsmā no reakcijas kameras augšpuses uz reakcijas kameras lejpusi un tiek izvadītas no atplūdes gāzes gala. Lai nodrošinātu vafeles konsistenci, vafele, ko nes gaisā peldošā pamatne, procesa laikā vienmēr tiek rotēta.
Eksperimentā izmantotais substrāts ir komerciāls 150 mm, 200 mm (6 collas, 8 collas) <1120> virzienā 4° leņķī vadītspējīgs n-tipa 4H-SiC divpusēji pulēts SiC substrāts, ko ražo Shanxi Shuoke Crystal. Kā galvenie augšanas avoti procesa eksperimentā tiek izmantoti trihlorsilāns (SiHCl3, TCS) un etilēns (C2H4), starp kuriem TCS un C2H4 tiek izmantoti attiecīgi kā silīcija avots un oglekļa avots, augstas tīrības pakāpes slāpeklis (N2) tiek izmantots kā n-tipa leģēšanas avots, un ūdeņradis (H2) tiek izmantots kā atšķaidīšanas gāze un nesējgāze. Epitaksiālā procesa temperatūras diapazons ir 1600–1660 ℃, procesa spiediens ir 8×103 ~12×103 Pa, un H2 nesējgāzes plūsmas ātrums ir 100–140 L/min.
1.3 Epitaksiālā vafeļu testēšana un raksturojums
Furjē infrasarkanais spektrometrs (iekārtu ražotājs Thermalfisher, modelis iS50) un dzīvsudraba zondes koncentrācijas testeris (iekārtu ražotājs Semilab, modelis 530L) tika izmantoti, lai raksturotu epitaksiālā slāņa biezuma un leģēšanas koncentrācijas vidējo vērtību un sadalījumu; katra epitaksiālā slāņa punkta biezums un leģēšanas koncentrācija tika noteikta, ņemot punktus gar diametra līniju, kas krustojas ar galvenās atskaites malas normāli 45° leņķī plāksnītes centrā ar 5 mm malu noņemšanu. 150 mm plāksnei tika ņemti 9 punkti gar vienu diametra līniju (divi diametri bija perpendikulāri viens otram), bet 200 mm plāksnei tika ņemti 21 punkts, kā parādīts 2. attēlā. Lai pārbaudītu epitaksiālā slāņa virsmas raupjumu, tika izmantots atomspēka mikroskops (iekārtu ražotājs Bruker, modelis Dimension Icon), lai izvēlētos 30 μm × 30 μm laukumus epitaksiālā plāksnītes centrālajā zonā un malas zonā (5 mm malu noņemšana); Epitaksiālā slāņa defekti tika mērīti, izmantojot virsmas defektu testeri (iekārtu ražotājs China Electronics). 3D attēlveidotāju raksturoja ar Kefenghua radara sensoru (modelis Mars 4410 pro).
Publicēšanas laiks: 2024. gada 4. septembris