८-इंच SiC एपिटॅक्सियल फर्नेस आणि होमोएपिटाक्सियल प्रक्रियेवर संशोधन-Ⅰ

सध्या, SiC उद्योग १५० मिमी (६ इंच) वरून २०० मिमी (८ इंच) मध्ये बदलत आहे. उद्योगात मोठ्या आकाराच्या, उच्च-गुणवत्तेच्या SiC होमिओपिटॅक्सियल वेफर्सची तातडीची मागणी पूर्ण करण्यासाठी, १५० मिमी आणि २०० मिमी4H-SiC होमिओपिटाक्सियल वेफर्सस्वतंत्रपणे विकसित केलेल्या २०० मिमी SiC एपिटॅक्सियल ग्रोथ उपकरणांचा वापर करून घरगुती सब्सट्रेट्सवर यशस्वीरित्या तयार केले गेले. १५० मिमी आणि २०० मिमीसाठी योग्य असलेली होमोपिटॅक्सियल प्रक्रिया विकसित करण्यात आली, ज्यामध्ये एपिटॅक्सियल ग्रोथ रेट ६०um/तास पेक्षा जास्त असू शकतो. हाय-स्पीड एपिटॅक्सियल वेफरची गुणवत्ता उत्कृष्ट आहे. १५० मिमी आणि २०० मिमी जाडीची एकरूपताSiC एपिटॅक्सियल वेफर्स१.५% च्या आत नियंत्रित केले जाऊ शकते, एकाग्रता एकरूपता ३% पेक्षा कमी आहे, घातक दोष घनता ०.३ कण/सेमी२ पेक्षा कमी आहे आणि एपिटॅक्सियल पृष्ठभाग खडबडीतपणा मूळ सरासरी वर्ग Ra ०.१५nm पेक्षा कमी आहे आणि सर्व कोर प्रक्रिया निर्देशक उद्योगाच्या प्रगत स्तरावर आहेत.

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थांच्या प्रतिनिधींपैकी एक आहे. त्यात उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, मोठे इलेक्ट्रॉन संतृप्ति प्रवाह वेग आणि मजबूत रेडिएशन प्रतिरोधकता ही वैशिष्ट्ये आहेत. त्याने पॉवर उपकरणांची ऊर्जा प्रक्रिया क्षमता मोठ्या प्रमाणात वाढवली आहे आणि उच्च शक्ती, लहान आकार, उच्च तापमान, उच्च किरणोत्सर्ग आणि इतर अत्यंत परिस्थिती असलेल्या उपकरणांसाठी पुढील पिढीतील पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या सेवा आवश्यकता पूर्ण करू शकते. ते जागा कमी करू शकते, वीज वापर कमी करू शकते आणि थंड होण्याची आवश्यकता कमी करू शकते. यामुळे नवीन ऊर्जा वाहने, रेल्वे वाहतूक, स्मार्ट ग्रिड आणि इतर क्षेत्रांमध्ये क्रांतिकारी बदल घडवून आणले आहेत. म्हणूनच, सिलिकॉन कार्बाइड अर्धवाहकांना उच्च-शक्तीच्या पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या पुढील पिढीचे नेतृत्व करणारी आदर्श सामग्री म्हणून ओळखले गेले आहे. अलिकडच्या वर्षांत, तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक उद्योगाच्या विकासासाठी राष्ट्रीय धोरण समर्थनामुळे, चीनमध्ये 150 मिमी SiC उपकरण उद्योग प्रणालीचे संशोधन आणि विकास आणि बांधकाम मुळात पूर्ण झाले आहे आणि औद्योगिक साखळीची सुरक्षितता मुळात हमी देण्यात आली आहे. म्हणूनच, उद्योगाचे लक्ष हळूहळू खर्च नियंत्रण आणि कार्यक्षमता सुधारणेकडे वळले आहे. तक्ता १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, १५० मिमीच्या तुलनेत, २०० मिमी SiC चा एज वापर दर जास्त आहे आणि सिंगल वेफर चिप्सचे उत्पादन सुमारे १.८ पट वाढवता येते. तंत्रज्ञान परिपक्व झाल्यानंतर, सिंगल चिपचा उत्पादन खर्च ३०% कमी करता येतो. २०० मिमीची तांत्रिक प्रगती ही "खर्च कमी करणे आणि कार्यक्षमता वाढवण्याचे" थेट साधन आहे आणि माझ्या देशाच्या सेमीकंडक्टर उद्योगासाठी "समांतर चालणे" किंवा अगदी "लीड" देखील महत्त्वाचे आहे.

Si उपकरण प्रक्रियेपेक्षा वेगळे,SiC सेमीकंडक्टर पॉवर डिव्हाइसेससर्व प्रक्रिया केलेले आणि एपिटॅक्सियल थरांना कोनशिला म्हणून वापरून तयार केले जातात. एपिटॅक्सियल वेफर्स हे SiC पॉवर उपकरणांसाठी आवश्यक मूलभूत साहित्य आहेत. एपिटॅक्सियल थराची गुणवत्ता थेट उपकरणाचे उत्पादन निश्चित करते आणि त्याची किंमत चिप उत्पादन खर्चाच्या 20% असते. म्हणून, एपिटॅक्सियल वाढ ही SiC पॉवर उपकरणांमध्ये एक आवश्यक मध्यवर्ती दुवा आहे. एपिटॅक्सियल प्रक्रियेच्या पातळीची वरची मर्यादा एपिटॅक्सियल उपकरणांद्वारे निश्चित केली जाते. सध्या, चीनमध्ये 150 मिमी SiC एपिटॅक्सियल उपकरणांचे स्थानिकीकरण पदवी तुलनेने जास्त आहे, परंतु त्याच वेळी 200 मिमीचा एकूण लेआउट आंतरराष्ट्रीय पातळीपेक्षा मागे आहे. म्हणूनच, देशांतर्गत तिसऱ्या पिढीच्या सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या विकासासाठी मोठ्या आकाराच्या, उच्च-गुणवत्तेच्या एपिटॅक्सियल मटेरियल मॅन्युफॅक्चरिंगच्या तातडीच्या गरजा आणि अडथळ्याच्या समस्या सोडवण्यासाठी, हा पेपर माझ्या देशात यशस्वीरित्या विकसित केलेल्या 200 मिमी SiC एपिटॅक्सियल उपकरणांचा परिचय करून देतो आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रियेचा अभ्यास करतो. प्रक्रिया तापमान, वाहक वायू प्रवाह दर, C/Si गुणोत्तर इत्यादी प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे ऑप्टिमायझेशन करून, एकाग्रता एकरूपता <3%, जाडी नॉन-युनिफॉर्मिटी <1.5%, खडबडीतपणा Ra <0.2 nm आणि घातक दोष घनता <0.3 ग्रेन/सेमी2 150 मिमी आणि 200 मिमी SiC एपिटॅक्सियल वेफर्स स्वतंत्रपणे विकसित 200 मिमी सिलिकॉन कार्बाइड एपिटॅक्सियल फर्नेससह प्राप्त केली जाते. उपकरणे प्रक्रिया पातळी उच्च-गुणवत्तेच्या SiC पॉवर डिव्हाइस तयारीच्या गरजा पूर्ण करू शकते.

 

१ प्रयोग

 

१.१ चे तत्वSiC एपिटॅक्सियलप्रक्रिया

4H-SiC होमोएपिटाक्सियल ग्रोथ प्रक्रियेमध्ये प्रामुख्याने 2 प्रमुख टप्पे समाविष्ट असतात, म्हणजे, 4H-SiC सब्सट्रेटचे उच्च-तापमान इन-सीटू एचिंग आणि एकसंध रासायनिक वाष्प जमा करण्याची प्रक्रिया. सब्सट्रेट इन-सीटू एचिंगचा मुख्य उद्देश वेफर पॉलिशिंग, अवशिष्ट पॉलिशिंग द्रव, कण आणि ऑक्साईड थरानंतर सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरील नुकसान काढून टाकणे आहे आणि एचिंगद्वारे सब्सट्रेट पृष्ठभागावर नियमित अणु चरण रचना तयार केली जाऊ शकते. इन-सीटू एचिंग सहसा हायड्रोजन वातावरणात केले जाते. वास्तविक प्रक्रियेच्या आवश्यकतांनुसार, हायड्रोजन क्लोराईड, प्रोपेन, इथिलीन किंवा सिलेन सारखे थोड्या प्रमाणात सहायक वायू देखील जोडले जाऊ शकतात. इन-सीटू हायड्रोजन एचिंगचे तापमान सामान्यतः 1 600 ℃ पेक्षा जास्त असते आणि एचिंग प्रक्रियेदरम्यान प्रतिक्रिया चेंबरचा दाब सामान्यतः 2×104 Pa च्या खाली नियंत्रित केला जातो.

सब्सट्रेट पृष्ठभाग इन-सीटू एचिंगद्वारे सक्रिय झाल्यानंतर, ते उच्च-तापमानाच्या रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रियेत प्रवेश करते, म्हणजेच, वाढीचा स्रोत (जसे की इथिलीन/प्रोपेन, TCS/सिलेन), डोपिंग स्रोत (n-प्रकार डोपिंग स्रोत नायट्रोजन, p-प्रकार डोपिंग स्रोत TMAl), आणि हायड्रोजन क्लोराईड सारखा सहायक वायू वाहक वायूच्या (सामान्यतः हायड्रोजन) मोठ्या प्रवाहाद्वारे प्रतिक्रिया कक्षात नेला जातो. उच्च-तापमानाच्या प्रतिक्रिया कक्षात वायूची प्रतिक्रिया झाल्यानंतर, पूर्वसूचकाचा काही भाग रासायनिकरित्या प्रतिक्रिया देतो आणि वेफर पृष्ठभागावर शोषून घेतो आणि विशिष्ट डोपिंग एकाग्रता, विशिष्ट जाडी आणि उच्च गुणवत्तेसह एकल-क्रिस्टल एकसंध 4H-SiC एपिटॅक्सियल थर सब्सट्रेट पृष्ठभागावर तयार होतो. एकल-क्रिस्टल 4H-SiC सब्सट्रेटचा टेम्पलेट म्हणून वापर करून. अनेक वर्षांच्या तांत्रिक अन्वेषणानंतर, 4H-SiC होमोपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान मुळात परिपक्व झाले आहे आणि औद्योगिक उत्पादनात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. जगातील सर्वात मोठ्या प्रमाणात वापरल्या जाणाऱ्या 4H-SiC होमोपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाची दोन विशिष्ट वैशिष्ट्ये आहेत:
(१) ऑफ-अक्ष (<0001> क्रिस्टल प्लेनच्या सापेक्ष, <11-20> क्रिस्टल दिशेकडे) तिरकस कट सब्सट्रेटचा टेम्पलेट म्हणून वापर करून, अशुद्धतेशिवाय उच्च-शुद्धता सिंगल-क्रिस्टल 4H-SiC एपिटॅक्सियल थर स्टेप-फ्लो ग्रोथ मोडच्या स्वरूपात सब्सट्रेटवर जमा केला जातो. सुरुवातीच्या 4H-SiC होमोएपिटाक्सियल वाढीमध्ये सकारात्मक क्रिस्टल सब्सट्रेटचा वापर केला जातो, म्हणजेच वाढीसाठी <0001> Si प्लेन. पॉझिटिव्ह क्रिस्टल सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरील अणु चरणांची घनता कमी असते आणि टेरेस रुंद असतात. एपिटॅक्सी प्रक्रियेदरम्यान 3C क्रिस्टल SiC (3C-SiC) तयार करण्यासाठी द्विमितीय न्यूक्लिएशन वाढ होणे सोपे असते. ऑफ-अक्ष कटिंगद्वारे, उच्च-घनता, अरुंद टेरेस रुंदीचे अणु चरण 4H-SiC <0001> सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर सादर केले जाऊ शकतात आणि शोषित पूर्वसूचक पृष्ठभागाच्या प्रसाराद्वारे तुलनेने कमी पृष्ठभागाच्या उर्जेसह अणु चरण स्थितीपर्यंत प्रभावीपणे पोहोचू शकतो. पायरीवर, पूर्वसूचक अणू/आण्विक गट बंधन स्थिती अद्वितीय आहे, म्हणून स्टेप फ्लो ग्रोथ मोडमध्ये, एपिटॅक्सियल थर सब्सट्रेटच्या Si-C दुहेरी अणु थर स्टॅकिंग अनुक्रमाचा उत्तम प्रकारे वारसा घेऊ शकतो आणि सब्सट्रेट सारख्याच क्रिस्टल टप्प्यासह एकल क्रिस्टल तयार करू शकतो.
(२) क्लोरीनयुक्त सिलिकॉन स्रोत सादर करून उच्च-गती एपिटॅक्सियल वाढ साध्य केली जाते. पारंपारिक SiC रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रणालींमध्ये, सिलेन आणि प्रोपेन (किंवा इथिलीन) हे मुख्य वाढीचे स्रोत आहेत. वाढीच्या स्त्रोताचा प्रवाह दर वाढवून वाढीचा दर वाढविण्याच्या प्रक्रियेत, सिलिकॉन घटकाचा समतोल आंशिक दाब वाढत राहिल्याने, एकसंध वायू फेज न्यूक्लिएशनद्वारे सिलिकॉन क्लस्टर्स तयार करणे सोपे होते, ज्यामुळे सिलिकॉन स्त्रोताचा वापर दर लक्षणीयरीत्या कमी होतो. सिलिकॉन क्लस्टर्सची निर्मिती एपिटॅक्सियल वाढीच्या दराच्या सुधारणेला मोठ्या प्रमाणात मर्यादित करते. त्याच वेळी, सिलिकॉन क्लस्टर्स स्टेप फ्लो वाढीस अडथळा आणू शकतात आणि दोष न्यूक्लिएशन होऊ शकतात. एकसंध वायू फेज न्यूक्लिएशन टाळण्यासाठी आणि एपिटॅक्सियल वाढीचा दर वाढवण्यासाठी, क्लोरीन-आधारित सिलिकॉन स्त्रोतांचा परिचय सध्या 4H-SiC चा एपिटॅक्सियल वाढीचा दर वाढवण्यासाठी मुख्य प्रवाह पद्धत आहे.

 

१.२ २०० मिमी (८-इंच) SiC एपिटॅक्सियल उपकरणे आणि प्रक्रिया परिस्थिती

या पेपरमध्ये वर्णन केलेले सर्व प्रयोग ४८ व्या इन्स्टिट्यूट ऑफ चायना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नॉलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशनने स्वतंत्रपणे विकसित केलेल्या १५०/२०० मिमी (६/८-इंच) सुसंगत मोनोलिथिक हॉट वॉल SiC एपिटॅक्सियल उपकरणावर केले गेले. एपिटॅक्सियल फर्नेस पूर्णपणे स्वयंचलित वेफर लोडिंग आणि अनलोडिंगला समर्थन देते. आकृती १ ही एपिटॅक्सियल उपकरणाच्या रिअॅक्शन चेंबरच्या अंतर्गत रचनेची योजनाबद्ध आकृती आहे. आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, रिअॅक्शन चेंबरची बाह्य भिंत वॉटर-कूल्ड इंटरलेयर असलेली क्वार्ट्ज बेल आहे आणि बेलच्या आतील बाजूस उच्च-तापमान रिअॅक्शन चेंबर आहे, जो थर्मल इन्सुलेशन कार्बन फील्ट, उच्च-शुद्धता विशेष ग्रेफाइट पोकळी, ग्रेफाइट गॅस-फ्लोटिंग रोटेटिंग बेस इत्यादींनी बनलेला आहे. संपूर्ण क्वार्ट्ज बेल एका दंडगोलाकार इंडक्शन कॉइलने झाकलेला आहे आणि बेलच्या आत रिअॅक्शन चेंबर मध्यम-फ्रिक्वेन्सी इंडक्शन पॉवर सप्लायद्वारे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिकली गरम केला जातो. आकृती १ (ब) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, वाहक वायू, अभिक्रिया वायू आणि डोपिंग वायू हे सर्व वेफर पृष्ठभागावरून अभिक्रिया कक्षाच्या वरच्या प्रवाहापासून अभिक्रिया कक्षाच्या डाउनस्ट्रीमपर्यंत क्षैतिज लॅमिनार प्रवाहात वाहतात आणि टेल गॅस एंडमधून सोडले जातात. वेफरमध्ये सुसंगतता सुनिश्चित करण्यासाठी, हवेत तरंगणाऱ्या बेसद्वारे वाहून नेलेले वेफर प्रक्रियेदरम्यान नेहमीच फिरवले जाते.

प्रयोगात वापरलेला सब्सट्रेट हा शांक्सी शुओके क्रिस्टलने तयार केलेला व्यावसायिक १५० मिमी, २०० मिमी (६ इंच, ८ इंच) <११२०> दिशा ४° ऑफ-अँगल कंडक्टिव्ह एन-टाइप ४H-SiC दुहेरी बाजू असलेला पॉलिश केलेला SiC सब्सट्रेट आहे. प्रक्रिया प्रयोगात ट्रायक्लोरोसिलेन (SiHCl3, TCS) आणि इथिलीन (C2H4) हे मुख्य वाढीचे स्रोत म्हणून वापरले जातात, त्यापैकी TCS आणि C2H4 अनुक्रमे सिलिकॉन स्रोत आणि कार्बन स्रोत म्हणून वापरले जातात, उच्च-शुद्धता नायट्रोजन (N2) हा n-टाइप डोपिंग स्रोत म्हणून वापरला जातो आणि हायड्रोजन (H2) हा डायल्युशन गॅस आणि कॅरियर गॅस म्हणून वापरला जातो. एपिटॅक्सियल प्रक्रियेची तापमान श्रेणी १ 600 ~१ 660 ℃ आहे, प्रक्रियेचा दाब 8×103 ~12×103 Pa आहे आणि H2 कॅरियर गॅस प्रवाह दर १००～१४० L/मिनिट आहे.

 

१.३ एपिटॅक्सियल वेफर चाचणी आणि वैशिष्ट्यीकरण

एपिटॅक्सियल लेयर जाडी आणि डोपिंग एकाग्रतेचे सरासरी आणि वितरण दर्शविण्यासाठी फूरियर इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर (उपकरणे निर्माता थर्मलफिशर, मॉडेल iS50) आणि पारा प्रोब एकाग्रता परीक्षक (उपकरणे निर्माता सेमिलॅब, मॉडेल 530L) वापरले गेले; एपिटॅक्सियल लेयरमधील प्रत्येक बिंदूची जाडी आणि डोपिंग एकाग्रता वेफरच्या मध्यभागी 45° वर मुख्य संदर्भ काठाच्या सामान्य रेषेला छेदणाऱ्या व्यास रेषेसह बिंदू घेऊन निश्चित केले गेले. 5 मिमी एज रिमूव्हलसह. 150 मिमी वेफरसाठी, एका व्यासाच्या रेषेसह 9 बिंदू घेतले गेले (दोन व्यास एकमेकांना लंब होते), आणि 200 मिमी वेफरसाठी, आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे 21 बिंदू घेतले गेले. एपिटॅक्सियल लेयरच्या पृष्ठभागाच्या खडबडीतपणाची चाचणी घेण्यासाठी मध्यभागी असलेल्या क्षेत्रातील 30 μm×30 μm क्षेत्रे आणि एपिटॅक्सियल वेफरच्या काठाचे क्षेत्र (5 मिमी एज रिमूव्हल) निवडण्यासाठी अणु बल सूक्ष्मदर्शक (उपकर निर्माता ब्रुकर, मॉडेल डायमेंशन आयकॉन) वापरण्यात आला; एपिटॅक्सियल लेयरमधील दोष पृष्ठभाग दोष परीक्षक (उपकरणे उत्पादक चायना इलेक्ट्रॉनिक्स) वापरून मोजले गेले. केफेंगुआ येथील रडार सेन्सर (मॉडेल मार्स ४४१० प्रो) द्वारे ३D इमेजरचे वैशिष्ट्य होते.