Obecnie branża SiC przechodzi transformację z 150 mm (6 cali) na 200 mm (8 cali). Aby sprostać pilnemu zapotrzebowaniu na duże, wysokiej jakości homoepitaksjalne płytki SiC, dostępne są płytki o średnicach 150 mm i 200 mm.Płytki homoepitaksjalne 4H-SiCzostały pomyślnie przygotowane na krajowych podłożach za pomocą niezależnie opracowanego urządzenia do epitaksji SiC o średnicy 200 mm. Opracowano proces homoepitaksjalny odpowiedni dla warstw 150 mm i 200 mm, w którym tempo epitaksjalnego wzrostu może przekraczać 60 um/h. Pomimo spełnienia wymagań dotyczących epitaksji z dużą prędkością, jakość płytek epitaksjalnych jest doskonała. Jednorodność grubości wynosi 150 mm i 200 mm.Płytki epitaksjalne SiCmożna kontrolować z dokładnością do 1,5%, jednorodność stężenia wynosi mniej niż 3%, gęstość defektów śmiertelnych wynosi mniej niż 0,3 cząstek/cm2, a średni kwadratowy współczynnik chropowatości powierzchni epitaksjalnej Ra wynosi mniej niż 0,15 nm, a wszystkie podstawowe wskaźniki procesu są na zaawansowanym poziomie branży.
Węglik krzemu (SiC)jest jednym z przedstawicieli materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji. Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na pole przebicia, doskonałą przewodnością cieplną, dużą prędkością dryfu nasycenia elektronów oraz wysoką odpornością na promieniowanie. Znacznie zwiększył on wydajność przetwarzania energii w urządzeniach mocy i może sprostać wymaganiom serwisowym nowej generacji urządzeń elektroniki mocy dla urządzeń o dużej mocy, małych rozmiarach, wysokiej temperaturze, wysokim promieniowaniu i innych ekstremalnych warunkach. Pozwala to na redukcję zajmowanej przestrzeni, zmniejszenie zużycia energii i ograniczenie wymagań dotyczących chłodzenia. Przyniósł rewolucyjne zmiany w nowych pojazdach energetycznych, transporcie kolejowym, inteligentnych sieciach energetycznych i innych dziedzinach. Dlatego półprzewodniki z węglika krzemu zostały uznane za idealny materiał, który będzie wiodący w rozwoju kolejnej generacji urządzeń elektroniki mocy dużej mocy. W ostatnich latach, dzięki wsparciu polityki krajowej dla rozwoju przemysłu półprzewodników trzeciej generacji, badania i rozwój oraz budowa systemu przemysłowego urządzeń SiC 150 mm zostały w Chinach zasadniczo zakończone, a bezpieczeństwo łańcucha przemysłowego zostało zasadniczo zagwarantowane. W związku z tym, nacisk przemysłu stopniowo przesunął się na kontrolę kosztów i poprawę efektywności. Jak pokazano w tabeli 1, w porównaniu z płytką SiC o średnicy 150 mm, płytka SiC o średnicy 200 mm charakteryzuje się wyższym wskaźnikiem wykorzystania krawędzi, a wydajność pojedynczych płytek może wzrosnąć około 1,8-krotnie. Po udoskonaleniu technologii, koszt produkcji pojedynczego układu scalonego może zostać obniżony o 30%. Przełom technologiczny w postaci płytki SiC o średnicy 200 mm to bezpośredni sposób na „obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności”, a także klucz do „równoległego” lub wręcz „wyprzedzającego” rozwoju przemysłu półprzewodnikowego w moim kraju.
Różni się od procesu urządzeń Si,Urządzenia mocy z półprzewodników SiCWszystkie są przetwarzane i przygotowywane z warstwami epitaksjalnymi jako podstawą. Płytki epitaksjalne są niezbędnymi materiałami bazowymi dla urządzeń mocy SiC. Jakość warstwy epitaksjalnej bezpośrednio determinuje wydajność urządzenia, a jej koszt stanowi 20% kosztów produkcji chipa. Dlatego wzrost epitaksjalny jest istotnym ogniwem pośrednim w urządzeniach mocy SiC. Górna granica poziomu procesu epitaksjalnego jest określana przez urządzenia epitaksjalne. Obecnie stopień lokalizacji urządzeń epitaksjalnych SiC o średnicy 150 mm w Chinach jest stosunkowo wysoki, ale jednocześnie ogólny układ 200 mm pozostaje w tyle za poziomem międzynarodowym. Dlatego, aby rozwiązać pilne potrzeby i problemy wąskich gardeł w produkcji wielkogabarytowych, wysokiej jakości materiałów epitaksjalnych na potrzeby rozwoju krajowego przemysłu półprzewodników trzeciej generacji, niniejszy artykuł przedstawia urządzenia epitaksjalne SiC o średnicy 200 mm, pomyślnie opracowane w moim kraju, i bada proces epitaksjalny. Dzięki optymalizacji parametrów procesu, takich jak temperatura procesu, natężenie przepływu gazu nośnego, stosunek C/Si itp., uzyskano jednorodność stężenia <3%, nierównomierność grubości <1,5%, chropowatość Ra <0,2 nm i gęstość defektów <0,3 ziaren/cm2 dla płytek epitaksjalnych SiC o średnicy 150 mm i 200 mm, przy użyciu niezależnie opracowanego pieca epitaksjalnego z węglika krzemu o średnicy 200 mm. Poziom procesu technologicznego urządzenia może sprostać potrzebom wysokiej jakości przygotowania urządzeń mocy SiC.
1 Eksperyment
1.1 ZasadaEpitaksjalny SiCproces
Proces homoepitaksjalnego wzrostu 4H-SiC obejmuje dwa główne etapy: wysokotemperaturowe trawienie in-situ podłoża 4H-SiC oraz jednorodny proces chemicznego osadzania z fazy gazowej. Głównym celem trawienia in-situ podłoża jest usunięcie uszkodzeń podłoża powstałych po polerowaniu płytki, pozostałości płynu polerującego, cząstek i warstwy tlenków, a także uzyskanie regularnej struktury atomowej na powierzchni podłoża. Trawienie in-situ zazwyczaj przeprowadza się w atmosferze wodoru. W zależności od wymagań procesu, można również dodać niewielką ilość gazu pomocniczego, takiego jak chlorowodór, propan, etylen lub silan. Temperatura trawienia wodorowego in-situ wynosi zazwyczaj powyżej 1600°C, a ciśnienie w komorze reakcyjnej jest zazwyczaj utrzymywane poniżej 2×104 Pa podczas procesu trawienia.
Po aktywacji powierzchni podłoża poprzez trawienie in-situ, wchodzi ona w proces wysokotemperaturowego chemicznego osadzania z fazy gazowej, tzn. źródło wzrostu (takie jak etylen/propan, TCS/silan), źródło domieszkowania (azot typu n, TMAl typu p) oraz gaz pomocniczy, taki jak chlorowodór, są transportowane do komory reakcyjnej przez duży strumień gazu nośnego (zwykle wodoru). Po reakcji gazu w wysokotemperaturowej komorze reakcyjnej, część prekursora reaguje chemicznie i adsorbuje się na powierzchni płytki, a na powierzchni podłoża formuje się monokrystaliczna, jednorodna warstwa epitaksjalna 4H-SiC o określonym stężeniu domieszki, określonej grubości i wyższej jakości, wykorzystując monokrystaliczne podłoże 4H-SiC jako szablon. Po latach badań technicznych, technologia homoepitaksjalna 4H-SiC zasadniczo dojrzała i jest szeroko stosowana w produkcji przemysłowej. Najpowszechniej stosowana na świecie technologia homoepitaksjalna 4H-SiC charakteryzuje się dwiema typowymi cechami:
(1) Wykorzystując podłoże o przekroju skośnym, poza osią (względem płaszczyzny kryształu <0001>, w kierunku kryształu <11-20>), jako szablon, na podłożu osadza się warstwę epitaksjalną monokrystalicznego 4H-SiC o wysokiej czystości, bez zanieczyszczeń, w formie wzrostu krokowego. Wczesny wzrost homoepitaksjalny 4H-SiC wykorzystywał dodatnie podłoże krystaliczne, czyli płaszczyznę Si <0001>. Gęstość stopni atomowych na powierzchni dodatniego podłoża krystalicznego jest niska, a tarasy szerokie. Dwuwymiarowy wzrost nukleacyjny jest łatwy do zajścia podczas procesu epitaksji, tworząc kryształ 3C SiC (3C-SiC). Dzięki cięciu pozaosiowemu na powierzchnię podłoża 4H-SiC <0001> można wprowadzić stopnie atomowe o dużej gęstości i wąskiej szerokości tarasu, a zaadsorbowany prekursor może skutecznie osiągnąć pozycję stopnia atomowego przy stosunkowo niskiej energii powierzchniowej poprzez dyfuzję powierzchniową. W tym stopniu położenie wiązania atomu prekursora z grupą cząsteczkową jest unikalne, dzięki czemu w trybie wzrostu przepływowego warstwa epitaksjalna może idealnie odziedziczyć sekwencję ułożenia podwójnej warstwy atomowej Si-C podłoża, tworząc monokryształ o tej samej fazie krystalicznej co podłoże.
(2) Szybki wzrost epitaksjalny uzyskuje się poprzez wprowadzenie źródła krzemu zawierającego chlor. W konwencjonalnych systemach chemicznego osadzania z fazy gazowej SiC, silan i propan (lub etylen) są głównymi źródłami wzrostu. W procesie zwiększania szybkości wzrostu poprzez zwiększanie natężenia przepływu źródła wzrostu, wraz ze wzrostem ciśnienia parcjalnego równowagowego składnika krzemu, łatwo jest tworzyć klastry krzemu poprzez jednorodne zarodkowanie fazy gazowej, co znacznie zmniejsza stopień wykorzystania źródła krzemu. Tworzenie klastrów krzemu znacznie ogranicza poprawę szybkości wzrostu epitaksjalnego. Jednocześnie klastry krzemu mogą zaburzać wzrost przepływu skokowego i powodować zarodkowanie defektów. Aby uniknąć jednorodnego zarodkowania fazy gazowej i zwiększyć szybkość wzrostu epitaksjalnego, wprowadzenie źródeł krzemu na bazie chloru jest obecnie główną metodą zwiększania szybkości wzrostu epitaksjalnego 4H-SiC.
1.2 Sprzęt epitaksjalny SiC o średnicy 200 mm (8 cali) i warunki procesu
Eksperymenty opisane w tym artykule przeprowadzono na kompatybilnym monolitycznym poziomym urządzeniu epitaksjalnym SiC o średnicy 150/200 mm (6/8 cala) niezależnie opracowanym przez 48. Instytut China Electronics Technology Group Corporation. Piec epitaksjalny obsługuje w pełni automatyczny załadunek i rozładunek płytek. Rysunek 1 przedstawia schematyczny diagram wewnętrznej struktury komory reakcyjnej urządzenia epitaksjalnego. Jak pokazano na rysunku 1, zewnętrzna ściana komory reakcyjnej to dzwon kwarcowy z chłodzoną wodą warstwą pośrednią, a wnętrze dzwonu to wysokotemperaturowa komora reakcyjna, która składa się z izolacyjnego filcu węglowego, specjalnej wnęki grafitowej o wysokiej czystości, obrotowej podstawy unoszącej się w powietrzu z grafitu gazowego itp. Cały dzwon kwarcowy jest pokryty cylindryczną cewką indukcyjną, a komora reakcyjna wewnątrz dzwonu jest ogrzewana elektromagnetycznie przez zasilacz indukcyjny średniej częstotliwości. Jak pokazano na rysunku 1 (b), gaz nośny, gaz reakcyjny i gaz domieszkujący przepływają przez powierzchnię płytki w poziomym, laminarnym przepływie od góry komory reakcyjnej do dołu komory reakcyjnej i są odprowadzane przez końcówkę gazu resztkowego. Aby zapewnić spójność struktury płytki, płytka uniesiona na unoszącej się w powietrzu podstawie jest zawsze obracana w trakcie procesu.
Podłoże użyte w eksperymencie to komercyjne podłoże SiC o wymiarach 150 mm, 200 mm (6 cali, 8 cali) <1120>, o kącie 4°, przewodzące, dwustronnie polerowane, typu n 4H-SiC, wyprodukowane przez Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilan (SiHCl3, TCS) i etylen (C2H4) są używane jako główne źródła wzrostu w eksperymencie procesowym, spośród których TCS i C2H4 są używane odpowiednio jako źródło krzemu i źródło węgla, azot o wysokiej czystości (N2) jest używany jako źródło domieszkowania typu n, a wodór (H2) jest używany jako gaz rozcieńczający i gaz nośny. Zakres temperatur procesu epitaksjalnego wynosi 1600 ~1660 ℃, ciśnienie procesu wynosi 8×103 ~12×103 Pa, a natężenie przepływu gazu nośnego H2 wynosi 100～140 l/min.
1.3 Badania i charakterystyka płytek epitaksjalnych
Do scharakteryzowania średniej i rozkładu grubości warstwy epitaksjalnej oraz stężenia domieszek wykorzystano spektrometr w podczerwieni Fouriera (producent sprzętu Thermalfisher, model iS50) oraz tester stężenia sondy rtęciowej (producent sprzętu Semilab, model 530L); grubość i stężenie domieszek każdego punktu w warstwie epitaksjalnej określono, biorąc punkty wzdłuż linii średnicy przecinającej linię normalną do głównej krawędzi odniesienia pod kątem 45° w środku płytki, z 5 mm usunięciem krawędzi. W przypadku płytki o średnicy 150 mm pobrano 9 punktów wzdłuż pojedynczej linii średnicy (dwie średnice były prostopadłe do siebie), a w przypadku płytki o średnicy 200 mm pobrano 21 punktów, jak pokazano na rysunku 2. Mikroskop sił atomowych (producent sprzętu Bruker, model Dimension Icon) został użyty do wybrania obszarów o wymiarach 30 μm×30 μm w obszarze środkowym i obszarze krawędziowym (usunięcie krawędzi o 5 mm) płytki epitaksjalnej w celu przetestowania chropowatości powierzchni warstwy epitaksjalnej; defekty warstwy epitaksjalnej mierzono za pomocą testera defektów powierzchni (producent sprzętu China Electronics). Urządzenie do obrazowania 3D zostało scharakteryzowane za pomocą czujnika radarowego (model Mars 4410 pro) firmy Kefenghua.
Czas publikacji: 04.09.2024