Trenutno se industrija SiC preoblikuje s 150 mm (6 palcev) na 200 mm (8 palcev). Da bi zadostili nujnemu povpraševanju po velikih, visokokakovostnih homoepitaksialnih rezinah SiC v industriji, se uporabljajo rezine velikosti 150 mm in 200 mm.4H-SiC homoepitaksialne rezineso bili uspešno pripravljeni na domačih substratih z uporabo neodvisno razvite opreme za epitaksialno rast SiC 200 mm. Razvit je bil homoepitaksialni postopek, primeren za 150 mm in 200 mm, pri katerem je lahko epitaksialna hitrost rasti večja od 60 μm/h. Ob izpolnjevanju zahtev za visokohitrostno epitaksijo je kakovost epitaksialne rezine odlična. Enakomernost debeline 150 mm in 200 mmSiC epitaksialne rezineje mogoče nadzorovati znotraj 1,5 %, enakomernost koncentracije je manjša od 3 %, gostota smrtnih napak je manjša od 0,3 delcev/cm2, povprečna kvadratna vrednost hrapavosti epitaksialne površine Ra pa je manjša od 0,15 nm, vsi kazalniki osrednjega procesa pa so na napredni ravni industrije.
Silicijev karbid (SiC)je eden od predstavnikov polprevodniških materialov tretje generacije. Ima značilnosti visoke prebojne poljske jakosti, odlične toplotne prevodnosti, velike hitrosti nasičenosti elektronov in močne odpornosti na sevanje. Močno je razširil zmogljivost obdelave energije energetskih naprav in lahko izpolni zahteve naslednje generacije energetske elektronske opreme za naprave z visoko močjo, majhnostjo, visoko temperaturo, visokim sevanjem in drugimi ekstremnimi pogoji. Lahko zmanjša prostor, zmanjša porabo energije in zmanjša potrebe po hlajenju. Prinesel je revolucionarne spremembe na področju novih energetskih vozil, železniškega prometa, pametnih omrežij in drugih področij. Zato so polprevodniki iz silicijevega karbida postali prepoznani kot idealen material, ki bo vodil naslednjo generacijo visokozmogljivih energetskih elektronskih naprav. V zadnjih letih so bile zaradi nacionalne politične podpore razvoju polprevodniške industrije tretje generacije na Kitajskem v osnovi zaključene raziskave, razvoj in izdelava 150 mm sistema industrije SiC naprav, varnost industrijske verige pa je v osnovi zagotovljena. Zato se je poudarek industrije postopoma preusmeril na nadzor stroškov in izboljšanje učinkovitosti. Kot je prikazano v tabeli 1, ima 200 mm SiC v primerjavi s 150 mm višjo stopnjo izkoriščenosti robov, proizvodnja posameznih rezin pa se lahko poveča za približno 1,8-krat. Ko tehnologija dozori, se lahko proizvodni stroški enega samega čipa zmanjšajo za 30 %. Tehnološki preboj 200 mm je neposredno sredstvo za "zmanjšanje stroškov in povečanje učinkovitosti" ter je tudi ključ do tega, da polprevodniška industrija v moji državi "teče vzporedno" ali celo "prevzame vodilno vlogo".
Za razliko od postopka Si naprave,Polprevodniške napajalne naprave SiCVsi so obdelani in pripravljeni z epitaksialnimi plastmi kot temeljem. Epitaksialne rezine so bistveni osnovni materiali za SiC napajalne naprave. Kakovost epitaksialne plasti neposredno določa izkoristek naprave, njeni stroški pa predstavljajo 20 % stroškov izdelave čipa. Zato je epitaksialna rast bistven vmesni člen v SiC napajalnih napravah. Zgornjo mejo ravni epitaksialnega procesa določa epitaksialna oprema. Trenutno je stopnja lokalizacije 150 mm SiC epitaksialne opreme na Kitajskem relativno visoka, vendar splošna postavitev 200 mm zaostaja za mednarodno ravnjo. Zato ta članek predstavlja 200 mm SiC epitaksialno opremo, ki je bila uspešno razvita v moji državi, in preučuje epitaksialni postopek, da bi rešili nujne potrebe in težave z ozkimi grli pri proizvodnji velikih, visokokakovostnih epitaksialnih materialov za razvoj domače polprevodniške industrije tretje generacije. Z optimizacijo procesnih parametrov, kot so procesna temperatura, pretok nosilnega plina, razmerje C/Si itd., so bile dosežene enakomernost koncentracije <3 %, neenakomernost debeline <1,5 %, hrapavost Ra <0,2 nm in gostota fatalnih napak <0,3 zrna/cm2 pri 150 mm in 200 mm epitaksialnih rezinah SiC z neodvisno razvito 200 mm epitaksialno pečjo iz silicijevega karbida. Raven procesa opreme lahko zadovolji potrebe po visokokakovostni pripravi energetskih naprav SiC.
1 Poskus
1.1 NačeloSiC epitaksialnipostopek
Homoepitaksialni postopek rasti 4H-SiC vključuje predvsem dva ključna koraka, in sicer visokotemperaturno in situ jedkanje substrata 4H-SiC in postopek homogenega kemičnega nanašanja iz pare. Glavni namen in situ jedkanja substrata je odstranitev podpovršinske poškodbe substrata po poliranju rezin, odstranitev preostale polirne tekočine, delcev in oksidne plasti, pri čemer se na površini substrata z jedkanjem lahko oblikuje pravilna atomska stopničasta struktura. In situ jedkanje se običajno izvaja v vodikovi atmosferi. Glede na dejanske zahteve postopka se lahko doda tudi majhna količina pomožnega plina, kot so vodikov klorid, propan, etilen ali silan. Temperatura in situ jedkanja z vodikom je običajno nad 1600 ℃, tlak v reakcijski komori pa se med postopkom jedkanja običajno nadzoruje pod 2 × 10⁴ Pa.
Ko je površina substrata aktivirana z jedkanjem in situ, vstopi v postopek visokotemperaturnega kemičnega nanašanja iz pare, to pomeni, da se vir rasti (kot je etilen/propan, TCS/silan), vir dopiranja (vir dopiranja n-tipa dušik, vir dopiranja p-tipa TMAli) in pomožni plin, kot je vodikov klorid, prenesejo v reakcijsko komoro z velikim pretokom nosilnega plina (običajno vodika). Po reakciji plina v visokotemperaturni reakcijski komori del predhodnika kemično reagira in se adsorbira na površino rezine, na površini substrata pa se z uporabo monokristalnega substrata 4H-SiC kot predloge oblikuje monokristalna homogena epitaksialna plast 4H-SiC s specifično koncentracijo dopiranja, specifično debelino in višjo kakovostjo. Po letih tehničnih raziskav je homoepitaksialna tehnologija 4H-SiC v osnovi dozorela in se pogosto uporablja v industrijski proizvodnji. Najbolj razširjena homoepitaksialna tehnologija 4H-SiC na svetu ima dve tipični značilnosti:
(1) Z uporabo poševno rezanega substrata izven osi (glede na kristalno ravnino <0001>, proti kristalni smeri <11-20>) kot predloge se na substrat nanese visoko čista epitaksialna plast monokristala 4H-SiC brez nečistoč v obliki stopničastega načina rasti. Zgodnja homoepitaksialna rast 4H-SiC je za rast uporabljala pozitivni kristalni substrat, to je ravnino <0001> Si. Gostota atomskih stopnic na površini pozitivnega kristalnega substrata je nizka, terase pa široke. Med epitaksialnim procesom zlahka pride do dvodimenzionalne nukleacijske rasti, ki tvori 3C kristalni SiC (3C-SiC). Z izvenosnim rezanjem se lahko na površino substrata 4H-SiC <0001> uvedejo atomske stopnice visoke gostote in ozke terase, adsorbirani predhodnik pa lahko učinkovito doseže položaj atomske stopnice z relativno nizko površinsko energijo s površinsko difuzijo. V tem koraku je položaj vezi med atomom predhodnika in molekulsko skupino edinstven, zato lahko epitaksialna plast v načinu rasti s postopnim tokom popolnoma podeduje zaporedje zlaganja dvojnih atomskih plasti Si-C substrata in tvori en sam kristal z isto kristalno fazo kot substrat.
(2) Hitra epitaksialna rast se doseže z uvedbo vira silicija, ki vsebuje klor. V običajnih sistemih za kemično nanašanje SiC sta glavna vira rasti silan in propan (ali etilen). Med povečevanjem hitrosti rasti s povečanjem pretoka vira rasti, ko se ravnotežni parcialni tlak silicijeve komponente še naprej povečuje, se lahko silicijevi grozdi tvorijo s homogeno plinskofazno nukleacijo, kar znatno zmanjša stopnjo izkoriščenosti silicijevega vira. Nastanek silicijevih grozdov močno omejuje izboljšanje epitaksialne hitrosti rasti. Hkrati lahko silicijevi grozdi motijo stopničasto rast in povzročijo nukleacijo defektov. Da bi se izognili homogeni plinskofazni nukleaciji in povečali epitaksialno hitrost rasti, je uvedba silicijevih virov na osnovi klora trenutno glavna metoda za povečanje epitaksialne hitrosti rasti 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-palčna) epitaksialna oprema SiC in procesni pogoji
Poskusi, opisani v tem članku, so bili vsi izvedeni na 150/200 mm (6/8-palčni) združljivi monolitni horizontalni epitaksialni opremi iz SiC z vročo steno, ki jo je neodvisno razvil 48. inštitut kitajske korporacije za elektronsko tehnologijo. Epitaksialna peč podpira popolnoma avtomatsko nalaganje in razkladanje rezin. Slika 1 je shematski diagram notranje strukture reakcijske komore epitaksialne opreme. Kot je prikazano na sliki 1, je zunanja stena reakcijske komore kremenčev zvon z vodno hlajenim vmesnim slojem, notranjost zvona pa je visokotemperaturna reakcijska komora, ki je sestavljena iz toplotnoizolacijskega ogljikovega filca, visoko čiste posebne grafitne votline, vrtljive podlage s plavajočim grafitnim plinom itd. Celoten kremenčev zvon je prekrit z valjasto indukcijsko tuljavo, reakcijska komora v notranjosti zvona pa se elektromagnetno segreva s srednjefrekvenčnim indukcijskim virom napajanja. Kot je prikazano na sliki 1 (b), nosilni plin, reakcijski plin in dopiralni plin tečejo skozi površino rezine v horizontalnem laminarnem toku od zgornjega do spodnjega toka reakcijske komore in se odvajajo iz končnega plina. Da se zagotovi konsistenca znotraj rezine, se rezina, ki jo nosi zračno plavajoča podlaga, med postopkom vedno vrti.
V poskusu je bil uporabljen komercialni substrat izvenkotnega prevodnega n-tipa 4H-SiC <1120> dimenzij 150 mm, 200 mm (6 palcev, 8 palcev) <1120>, ki ga proizvaja Shanxi Shuoke Crystal in je prevoden pod kotom 4°. Kot glavna vira rasti v poskusu sta bila uporabljena triklorosilan (SiHCl3, TCS) in etilen (C2H4), med njimi TCS in C2H4 kot vir silicija oziroma ogljika, visoko čist dušik (N2) kot vir dopiranja n-tipa, vodik (H2) pa kot plin za redčenje in nosilni plin. Temperaturno območje epitaksialnega postopka je 1600 ~1660 ℃, procesni tlak je 8×103 ~12×103 Pa, pretok nosilnega plina H2 pa je 100～140 L/min.
1.3 Testiranje in karakterizacija epitaksialnih rezin
Za karakterizacijo povprečja in porazdelitve debeline epitaksialne plasti in koncentracije dopinga sta bila uporabljena Fourierjev infrardeči spektrometer (proizvajalec opreme Thermalfisher, model iS50) in tester koncentracije z živosrebrno sondo (proizvajalec opreme Semilab, model 530L); debelina in koncentracija dopinga vsake točke v epitaksialni plasti sta bili določeni z odvzemom točk vzdolž premerne črte, ki seka normalno črto glavnega referenčnega roba pod kotom 45° v središču rezine s 5 mm odstranitve roba. Za 150 mm rezino je bilo odvzetih 9 točk vzdolž ene premerne črte (dva premera sta bila pravokotna drug na drugega), za 200 mm rezino pa 21 točk, kot je prikazano na sliki 2. Za izbiro območij 30 μm × 30 μm v osrednjem in robnem območju (5 mm odstranitve roba) epitaksialne rezine za testiranje hrapavosti površine epitaksialne plasti je bil uporabljen atomski silovni mikroskop (proizvajalec opreme Bruker, model Dimension Icon); Napake epitaksialne plasti so bile izmerjene z napravo za testiranje površinskih napak (proizvajalec opreme China Electronics). 3D-slikar je bil okarakteriziran z radarskim senzorjem (model Mars 4410 pro) podjetja Kefenghua.
Čas objave: 4. september 2024