Obecnie przemysł SiC przechodzi transformację z 150 mm (6 cali) na 200 mm (8 cali). Aby sprostać pilnemu zapotrzebowaniu na duże, wysokiej jakości homoepitaksjalne wafle SiC w przemyśle, 150 mm i 200 mmPłytki homoepitaksjalne 4H-SiCzostały pomyślnie przygotowane na krajowych podłożach przy użyciu niezależnie opracowanego 200mm urządzenia do epitaksjalnego wzrostu SiC. Opracowano homoepitaksjalny proces odpowiedni dla 150mm i 200mm, w którym szybkość epitaksjalnego wzrostu może być większa niż 60um/h. Przy spełnieniu wymagań epitaksji o dużej prędkości, jakość płytek epitaksjalnych jest doskonała. Jednorodność grubości 150 mm i 200 mmPłytki epitaksjalne SiCmożna kontrolować z dokładnością do 1,5%, jednorodność stężenia wynosi mniej niż 3%, gęstość defektów śmiertelnych wynosi mniej niż 0,3 cząstek/cm2, średni kwadrat 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. Posiada cechy wysokiej wytrzymałości pola przebicia, doskonałej przewodności cieplnej, dużej prędkości dryfu nasycenia elektronów i silnej odporności na promieniowanie. Znacznie zwiększyło to zdolność przetwarzania energii urządzeń mocy i może sprostać wymaganiom serwisowym następnej generacji urządzeń elektronicznych mocy dla urządzeń o dużej mocy, małych rozmiarach, wysokiej temperaturze, wysokim promieniowaniu i innych ekstremalnych warunkach. Może zmniejszyć przestrzeń, zmniejszyć zużycie energii i zmniejszyć wymagania dotyczące chłodzenia. Wprowadziło rewolucyjne zmiany w nowych pojazdach energetycznych, transporcie kolejowym, inteligentnych sieciach i innych dziedzinach. Dlatego półprzewodniki z węglika krzemu zostały uznane za idealny materiał, który będzie przewodził następnej generacji urządzeń elektronicznych 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 zasadniczo ukończone w Chinach, a bezpieczeństwo łańcucha przemysłowego zostało zasadniczo zagwarantowane. Dlatego też nacisk przemysłu stopniowo przesunął się na kontrolę kosztów i poprawę wydajności. Jak pokazano w Tabeli 1, w porównaniu z 150 mm, 200 mm SiC ma wyższy wskaźnik wykorzystania krawędzi, a produkcja pojedynczych chipów waflowych może być zwiększona o około 1,8 raza. Po dojrzeniu technologii koszt produkcji pojedynczego chipa może zostać zmniejszony o 30%. Przełom technologiczny 200 mm jest bezpośrednim sposobem na „obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności”, a także jest kluczem dla przemysłu półprzewodników w moim kraju, aby „działać równolegle”, a nawet „prowadzić”.
Różni się od procesu urządzeń Si,Urządzenia mocy z półprzewodników SiCsą przetwarzane i przygotowywane z warstwami epitaksjalnymi jako kamieniem węgielnym. Wafle epitaksjalne są podstawowymi materiałami do urządzeń zasilających SiC. Jakość warstwy epitaksjalnej bezpośrednio determinuje wydajność urządzenia, a jej koszt stanowi 20% kosztów produkcji chipa. Dlatego wzrost epitaksjalny jest niezbędnym ogniwem pośrednim w urządzeniach zasilających SiC. Górna granica poziomu procesu epitaksjalnego jest określana przez sprzęt epitaksjalny. Obecnie stopień lokalizacji sprzętu epitaksjalnego SiC 150 mm w Chinach jest stosunkowo wysoki, ale ogólny układ 200 mm jednocześnie pozostaje w tyle za poziomem międzynarodowym. Dlatego też, aby rozwiązać pilne potrzeby i problemy wąskiego gardła w produkcji wielkogabarytowych, wysokiej jakości materiałów epitaksjalnych na potrzeby rozwoju krajowego przemysłu półprzewodników trzeciej generacji, w niniejszym artykule przedstawiono sprzęt epitaksjalny SiC 200 mm pomyślnie opracowany w moim kraju i zbadano proces epitaksjalny. Dzięki optymalizacji parametrów procesu, takich jak temperatura procesu, szybkość przepływu gazu nośnego, stosunek C/Si itp., uzyskuje się jednorodność stężenia <3%, niejednorodność grubości <1,5%, chropowatość Ra <0,2 nm i gęstość defektów śmiertelnych <0,3 ziaren/cm2 150 mm i 200 mm płytek epitaksjalnych SiC z niezależnie opracowanym 200 mm piecem epitaksjalnym z węglika krzemu. Poziom procesu wyposażenia może sprostać potrzebom przygotowania wysokiej jakości urządzeń mocy SiC.
1 Eksperyment
1.1 ZasadaEpitaksjalny SiCproces
Proces wzrostu homoepitaksjalnego 4H-SiC obejmuje głównie 2 kluczowe etapy, a mianowicie, trawienie in situ w wysokiej temperaturze podłoża 4H-SiC i jednorodny proces osadzania chemicznego z fazy gazowej. Głównym celem trawienia in situ podłoża jest usunięcie uszkodzeń podpowierzchniowych podłoża po polerowaniu wafli, pozostałości cieczy polerującej, cząstek i warstwy tlenku, a regularna struktura stopni atomowych może zostać utworzona na powierzchni podłoża poprzez trawienie. Trawienie in situ jest zwykle przeprowadzane w atmosferze wodoru. Zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami procesu można również dodać niewielką ilość gazu pomocniczego, takiego jak chlorowodór, propan, etylen lub silan. Temperatura trawienia wodorem in situ wynosi zazwyczaj powyżej 1 600 ℃, a ciśnienie w komorze reakcyjnej jest zazwyczaj kontrolowane poniżej 2×104 Pa podczas procesu trawienia.
Po aktywacji powierzchni podłoża przez trawienie in situ, wchodzi ona w proces osadzania chemicznego z fazy gazowej w wysokiej temperaturze, tzn. źródło wzrostu (takie jak etylen/propan, TCS/silan), źródło domieszkowania (źródło domieszkowania typu n azot, źródło domieszkowania typu p TMAl) i gaz pomocniczy, taki jak chlorowodór, są transportowane do komory reakcyjnej przez duży przepływ gazu nośnego (zwykle wodoru). Po reakcji gazu w komorze reakcyjnej o wysokiej temperaturze, część prekursora reaguje chemicznie i adsorbuje się na powierzchni płytki, a na powierzchni podłoża powstaje monokrystaliczna jednorodna warstwa epitaksjalna 4H-SiC o określonym stężeniu domieszkowania, określonej grubości i wyższej jakości, przy użyciu monokrystalicznego podłoża 4H-SiC jako szablonu. Po latach eksploracji technicznej 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) Używając podłoża o ukośnym cięciu poza osią (względem płaszczyzny kryształu <0001>, w kierunku kryształu <11-20>) jako szablonu, na podłożu osadza się warstwę epitaksjalną monokrystalicznego 4H-SiC bez zanieczyszczeń w formie trybu wzrostu przepływowego. Wczesny homoepitaksjalny wzrost 4H-SiC wykorzystywał dodatnie podłoże kryształu, to znaczy płaszczyznę Si <0001> do wzrostu. Gęstość stopni atomowych na powierzchni dodatniego podłoża kryształu jest niska, a tarasy są szerokie. Dwuwymiarowy wzrost nukleacji jest łatwy do wystąpienia podczas procesu epitaksji w celu utworzenia 3C kryształu SiC (3C-SiC). Poprzez cięcie poza osią, na powierzchni 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. Na stopniu pozycja wiązania atomu prekursora/grupy cząsteczkowej jest unikalna, więc w trybie wzrostu przepływu stopniowego warstwa epitaksjalna może idealnie odziedziczyć sekwencję układania podwójnej warstwy atomowej Si-C podłoża, aby utworzyć pojedynczy kryształ z tą samą fazą krystaliczną co podłoże.
(2) Szybki wzrost epitaksjalny uzyskuje się poprzez wprowadzenie źródła krzemu zawierającego chlor. W konwencjonalnych systemach osadzania chemicznego z fazy gazowej SiC, silan i propan (lub etylen) są głównymi źródłami wzrostu. W procesie zwiększania szybkości wzrostu poprzez zwiększanie szybkości przepływu źródła wzrostu, gdy równowagowe ciśnienie parcjalne składnika krzemu nadal rośnie, łatwo jest tworzyć klastry krzemu poprzez jednorodne zarodkowanie fazy gazowej, co znacznie zmniejsza szybkość wykorzystania źródła krzemu. Tworzenie klastrów krzemu znacznie ogranicza poprawę szybkości wzrostu epitaksjalnego. Jednocześnie klastry krzemu mogą zakłócić 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.
1.2 200 mm (8 cali) Sprzęt epitaksjalny SiC i warunki procesu
Eksperymenty opisane w tym artykule zostały przeprowadzone na kompatybilnym monolitycznym poziomym gorącym urządzeniu epitaksjalnym SiC o wymiarach 150/200 mm (6/8 cala) niezależnie opracowanym przez 48. Instytut China Electronics Technology Group Corporation. Piec epitaksjalny obsługuje w pełni automatyczne ładowanie i rozładowywanie 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 komora reakcyjna o wysokiej temperaturze, która składa się z izolacyjnego filcu węglowego, specjalnej wnęki grafitowej o wysokiej czystości, obracającej się podstawy z grafitu gazowego itp. Cały dzwon kwarcowy jest pokryty cylindryczną cewką indukcyjną, a komora reakcyjna wewnątrz dzwonu jest ogrzewana elektromagnetycznie przez średnioczęstotliwościowy zasilacz indukcyjny. Jak pokazano na rysunku 1 (b), gaz nośny, gaz reakcyjny i gaz domieszkujący przepływają przez powierzchnię płytki w poziomym przepływie laminarnym od góry komory reakcyjnej do dołu komory reakcyjnej i są odprowadzane z końca gazu resztkowego. Aby zapewnić spójność wewnątrz płytki, płytka przenoszona przez unoszącą się w powietrzu podstawę jest zawsze obracana w trakcie procesu.
Podłoże użyte w eksperymencie to komercyjne podłoże SiC 150 mm, 200 mm (6 cali, 8 cali) <1120> o kącie 4° odchylenia od osi n, przewodzące, dwustronnie polerowane, wyprodukowane przez Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilan (SiHCl3, TCS) i etylen (C2H4) są używane jako główne źródła wzrostu w eksperymencie procesowym, wśród 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 1 600 ~ 1 660 ℃, ciśnienie procesu wynosi 8×103 ~12×103 Pa, a natężenie przepływu gazu nośnego H2 wynosi 100～140 l/min.
1.3 Badania i charakteryzacja 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 warstwy epitaksjalnej określono, biorąc punkty wzdłuż linii średnicy przecinającej linię normalną 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 centralnym 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). Obrazowanie 3D zostało scharakteryzowane za pomocą czujnika radarowego (model Mars 4410 pro) firmy Kefenghua.
Czas publikacji: 04-09-2024