V súčasnosti sa priemysel SiC transformuje zo 150 mm (6 palcov) na 200 mm (8 palcov). Aby sa uspokojil naliehavý dopyt po veľkorozmerných a vysokokvalitných homoepitaxných SiC doštičkách v tomto odvetví, používajú sa doštičky s rozmermi 150 mm a 200 mm.Homoepitaxné doštičky 4H-SiCboli úspešne pripravené na domácich substrátoch s použitím nezávisle vyvinutého zariadenia na epitaxný rast SiC s priemerom 200 mm. Bol vyvinutý homoepitaxný proces vhodný pre 150 mm a 200 mm, pri ktorom môže byť rýchlosť epitaxného rastu vyššia ako 60 μm/h. Pri splnení požiadaviek na vysokorýchlostnú epitaxiu je kvalita epitaxných doštičiek vynikajúca. Rovnomernosť hrúbky 150 mm a 200 mmSiC epitaxné doštičkydá sa kontrolovať v rozmedzí 1,5 %, rovnomernosť koncentrácie je menšia ako 3 %, hustota fatálnych defektov je menšia ako 0,3 častíc/cm2 a stredná kvadratická hodnota drsnosti epitaxného povrchu Ra je menšia ako 0,15 nm a všetky ukazovatele základného procesu sú na pokročilej úrovni odvetvia.
Karbid kremíka (SiC)je jedným z predstaviteľov polovodičových materiálov tretej generácie. Vyznačuje sa vysokou intenzitou prierazného poľa, vynikajúcou tepelnou vodivosťou, veľkou rýchlosťou driftu saturácie elektrónov a silnou odolnosťou voči žiareniu. Výrazne rozšíril kapacitu spracovania energie výkonových zariadení a dokáže splniť servisné požiadavky novej generácie výkonových elektronických zariadení pre zariadenia s vysokým výkonom, malými rozmermi, vysokou teplotou, vysokým žiarením a inými extrémnymi podmienkami. Dokáže znížiť priestor, znížiť spotrebu energie a znížiť požiadavky na chladenie. Priniesol revolučné zmeny do nových energetických vozidiel, železničnej dopravy, inteligentných sietí a ďalších oblastí. Preto sa polovodiče z karbidu kremíka stali uznávanými ako ideálny materiál, ktorý povedie novú generáciu vysokovýkonných výkonových elektronických zariadení. V posledných rokoch, vďaka národnej politickej podpore rozvoja polovodičového priemyslu tretej generácie, bol v Číne v podstate dokončený výskum, vývoj a konštrukcia 150 mm systému priemyselného priemyslu SiC a bezpečnosť priemyselného reťazca bola v podstate zaručená. Preto sa zameranie priemyslu postupne presunulo na kontrolu nákladov a zvyšovanie efektívnosti. Ako je uvedené v tabuľke 1, v porovnaní so 150 mm má 200 mm SiC vyššiu mieru využitia hrán a produkcia jednotlivých čipov z doštičiek sa môže zvýšiť približne 1,8-krát. Po dozretí technológie sa môžu výrobné náklady na jeden čip znížiť o 30 %. Technologický prielom s 200 mm je priamym prostriedkom na „zníženie nákladov a zvýšenie efektívnosti“ a je tiež kľúčom k tomu, aby polovodičový priemysel v mojej krajine „bežal paralelne“ alebo dokonca „viedol“.
Na rozdiel od procesu zariadenia Si,Výkonové zariadenia SiC polovodičovVšetky sú spracované a pripravené s epitaxnými vrstvami ako základným kameňom. Epitaxné doštičky sú nevyhnutným základným materiálom pre výkonové zariadenia SiC. Kvalita epitaxnej vrstvy priamo určuje výťažnosť zariadenia a jej cena predstavuje 20 % nákladov na výrobu čipu. Preto je epitaxný rast nevyhnutným medzičlánkom vo výkonových zariadeniach SiC. Horná hranica úrovne epitaxného procesu je určená epitaxným zariadením. V súčasnosti je stupeň lokalizácie 150 mm epitaxného zariadenia SiC v Číne relatívne vysoký, ale celkové usporiadanie 200 mm zaostáva za medzinárodnou úrovňou. Preto s cieľom vyriešiť naliehavé potreby a problémy s úzkymi miestami pri výrobe veľkorozmerných, vysoko kvalitných epitaxných materiálov pre rozvoj domáceho polovodičového priemyslu tretej generácie tento článok predstavuje 200 mm epitaxné zariadenie SiC úspešne vyvinuté v mojej krajine a študuje epitaxný proces. Optimalizáciou procesných parametrov, ako je procesná teplota, prietok nosného plynu, pomer C/Si atď., sa dosiahla rovnomernosť koncentrácie <3 %, nerovnomernosť hrúbky <1,5 %, drsnosť Ra <0,2 nm a hustota fatálnych defektov <0,3 zrna/cm2 pri 150 mm a 200 mm epitaxných doštičkách SiC s nezávisle vyvinutou 200 mm epitaxnou pecou z karbidu kremíka. Úroveň procesného zariadenia dokáže splniť potreby prípravy vysokokvalitných výkonových zariadení SiC.
1 Experiment
1.1 PrincípSiC epitaxnýproces
Homoepitaxný rastový proces 4H-SiC zahŕňa hlavne 2 kľúčové kroky, a to vysokoteplotné in-situ leptanie substrátu 4H-SiC a homogénny proces chemického nanášania z pár. Hlavným účelom in-situ leptania substrátu je odstrániť podpovrchové poškodenie substrátu po leštení doštičky, odstrániť zvyškovú leštiacu kvapalinu, častice a oxidovú vrstvu a leptaním vytvoriť na povrchu substrátu pravidelnú atómovú stupňovitú štruktúru. In-situ leptanie sa zvyčajne vykonáva vo vodíkovej atmosfére. Podľa aktuálnych požiadaviek procesu sa môže pridať aj malé množstvo pomocného plynu, ako je chlorovodík, propán, etylén alebo silán. Teplota in-situ vodíkového leptania je vo všeobecnosti nad 1 600 ℃ a tlak v reakčnej komore sa počas procesu leptania vo všeobecnosti udržiava pod 2 × 10⁴ Pa.
Po aktivácii povrchu substrátu leptaním in situ vstupuje do procesu chemickej depozície z pár pri vysokých teplotách, to znamená, že zdroj rastu (ako napríklad etylén/propán, TCS/silán), zdroj dopovania (zdroj dopovania n-typu dusík, zdroj dopovania p-typu TMAli) a pomocný plyn, ako napríklad chlorovodík, sa transportujú do reakčnej komory veľkým prúdom nosného plynu (zvyčajne vodíka). Po reakcii plynu vo vysokoteplotnej reakčnej komore časť prekurzora chemicky reaguje a adsorbuje sa na povrchu doštičky a na povrchu substrátu sa pomocou monokryštálového substrátu 4H-SiC ako templátu vytvorí homogénna epitaxná vrstva 4H-SiC s určitou koncentráciou dopovania, špecifickou hrúbkou a vyššou kvalitou. Po rokoch technického výskumu je homoepitaxná technológia 4H-SiC v podstate zrelá a široko sa používa v priemyselnej výrobe. Najpoužívanejšia homoepitaxná technológia 4H-SiC na svete má dve typické vlastnosti:
(1) Použitím mimoosového (vzhľadom na kryštálovú rovinu <0001>, smerom k kryštálovému smeru <11-20>) šikmého rezu substrátu ako templátu sa na substrát nanesie vysoko čistá epitaxná vrstva monokryštálov 4H-SiC bez nečistôt vo forme postupného rastu. Pri skoršom homoepitaxnom raste 4H-SiC sa na rast používal pozitívny kryštálový substrát, teda rovina <0001> Si. Hustota atómových stupňov na povrchu pozitívneho kryštálového substrátu je nízka a terasy sú široké. Počas epitaxného procesu ľahko dochádza k dvojrozmernému nukleačnému rastu za vzniku 3C kryštálového SiC (3C-SiC). Mimoosovým rezaním sa na povrch substrátu 4H-SiC <0001> môžu zaviesť atómové stupne s vysokou hustotou a úzkou terasou a adsorbovaný prekurzor môže efektívne dosiahnuť polohu atómového stupňa s relatívne nízkou povrchovou energiou prostredníctvom povrchovej difúzie. V tomto kroku je väzbová poloha prekurzorového atómu/molekulárnej skupiny jedinečná, takže v režime rastu s postupným tokom môže epitaxná vrstva dokonale zdediť sekvenciu skladania dvojitej atómovej vrstvy Si-C substrátu a vytvoriť tak monokryštál s rovnakou kryštalickou fázou ako substrát.
(2) Vysokorýchlostný epitaxný rast sa dosahuje zavedením zdroja kremíka obsahujúceho chlór. V konvenčných systémoch chemického nanášania SiC z pár sú hlavnými zdrojmi rastu silán a propán (alebo etylén). Pri zvyšovaní rýchlosti rastu zvýšením prietoku zdroja rastu, keď sa rovnovážny parciálny tlak kremíkovej zložky neustále zvyšuje, je ľahké vytvárať kremíkové zhluky homogénnou nukleáciou v plynnej fáze, čo výrazne znižuje mieru využitia zdroja kremíka. Tvorba kremíkových zhlukov výrazne obmedzuje zlepšenie epitaxnej rýchlosti rastu. Zároveň môžu kremíkové zhluky narušiť stupňovitý rast a spôsobiť nukleáciu defektov. Aby sa predišlo homogénnej nukleácii v plynnej fáze a zvýšila sa epitaxná rýchlosť rastu, zavedenie kremíkových zdrojov na báze chlóru je v súčasnosti hlavnou metódou na zvýšenie epitaxnej rýchlosti rastu 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-palcové) epitaxné zariadenie SiC a procesné podmienky
Experimenty opísané v tomto článku boli vykonané na 150/200 mm (6/8 palca) kompatibilnom monolitickom horizontálnom epitaxnom zariadení s horúcou stenou z SiC, ktoré nezávisle vyvinula spoločnosť 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxná pec podporuje plne automatické vkladanie a vykladanie doštičiek. Obrázok 1 je schematický diagram vnútornej štruktúry reakčnej komory epitaxného zariadenia. Ako je znázornené na obrázku 1, vonkajšia stena reakčnej komory je kremenný zvon s vodou chladenou medzivrstvou a vnútro zvona je vysokoteplotná reakčná komora, ktorá sa skladá z tepelne izolačnej uhlíkovej plsti, dutiny z vysoko čistého špeciálneho grafitu, rotačnej základne s grafitovým plynom atď. Celý kremenný zvon je pokrytý valcovou indukčnou cievkou a reakčná komora vo vnútri zvona je elektromagneticky ohrievaná strednofrekvenčným indukčným zdrojom energie. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), nosný plyn, reakčný plyn a dopujúci plyn prúdia cez povrch doštičky v horizontálnom laminárnom prúdení od prednej časti reakčnej komory po spodnú časť reakčnej komory a sú vypúšťané z konca zvyškového plynu. Aby sa zabezpečila konzistencia v rámci oblátky, oblátka nesená vzduchom unášanou základňou sa počas procesu neustále otáča.
Substrát použitý v experimente je komerčný 150 mm, 200 mm (6 palcov, 8 palcov) <1120> vodivý obojstranne leštený SiC substrát typu n s uhlom 4° mimo uhla, vyrobený spoločnosťou Shanxi Shuoke Crystal. Ako hlavné zdroje rastu v procesnom experimente sa použil trichlórsilán (SiHCl3, TCS) a etylén (C2H4), pričom ako zdroj kremíka a uhlíka sa použili TCS a C2H4, ako zdroj dopovania typu n sa použil vysoko čistý dusík (N2) a ako riediaci a nosný plyn sa použil vodík (H2). Teplotný rozsah epitaxného procesu je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesný tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa a prietok nosného plynu H2 je 100～140 l/min.
1.3 Testovanie a charakterizácia epitaxných doštičiek
Na charakterizáciu priemeru a rozloženia hrúbky epitaxnej vrstvy a koncentrácie dopingu sa použil Fourierov infračervený spektrometer (výrobca zariadenia Thermalfisher, model iS50) a tester koncentrácie ortuťovej sondy (výrobca zariadenia Semilab, model 530L); hrúbka a koncentrácia dopingu každého bodu v epitaxnej vrstve sa určili odobratím bodov pozdĺž čiary priemeru pretínajúcej normálu hlavnej referenčnej hrany pod uhlom 45° v strede doštičky s 5 mm odstránením hrany. Pre doštičku s rozmermi 150 mm sa odobralo 9 bodov pozdĺž čiary jedného priemeru (dva priemery boli na seba kolmé) a pre doštičku s rozmermi 200 mm sa odobralo 21 bodov, ako je znázornené na obrázku 2. Na výber oblastí s rozmermi 30 μm × 30 μm v strednej oblasti a na okraji (5 mm odstránenie hrany) epitaxnej doštičky na testovanie drsnosti povrchu epitaxnej vrstvy sa použil atómový silový mikroskop (výrobca zariadenia Bruker, model Dimension Icon); Defekty epitaxnej vrstvy boli merané pomocou testera povrchových defektov (výrobca zariadení China Electronics). 3D zobrazovač bol charakterizovaný radarovým senzorom (model Mars 4410 pro) od spoločnosti Kefenghua.
Čas uverejnenia: 4. septembra 2024