ปัจจุบัน อุตสาหกรรม SiC กำลังเปลี่ยนจาก 150 มม. (6 นิ้ว) เป็น 200 มม. (8 นิ้ว) เพื่อตอบสนองความต้องการเวเฟอร์โฮโมอิพิแทกเซียล SiC ขนาดใหญ่คุณภาพสูงในอุตสาหกรรมอย่างเร่งด่วน เวเฟอร์ขนาด 150 มม. และ 200 มม.เวเฟอร์โฮโมอิพิแทกเซียล 4H-SiCได้เตรียมบนพื้นผิวในประเทศสำเร็จโดยใช้อุปกรณ์การเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียล SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นเอง มีการพัฒนากระบวนการโฮโมเอพิแทกเซียลที่เหมาะสำหรับขนาด 150 มม. และ 200 มม. ซึ่งอัตราการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลสามารถมากกว่า 60 ไมโครเมตรต่อชั่วโมง ในขณะที่ตอบสนองการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลด้วยความเร็วสูง คุณภาพของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลก็ยอดเยี่ยม ความสม่ำเสมอของความหนา 150 มม. และ 200 มม.เวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiCสามารถควบคุมได้ภายใน 1.5% ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นน้อยกว่า 3% ความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงน้อยกว่า 0.3 อนุภาคต่อตารางเซนติเมตร และค่ารากที่สองเฉลี่ยของความหยาบของพื้นผิวเอพิแทกเซียล Ra น้อยกว่า 0.15 นาโนเมตร และตัวบ่งชี้กระบวนการหลักทั้งหมดอยู่ที่ระดับขั้นสูงของอุตสาหกรรม
ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นหนึ่งในตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม มีลักษณะเด่นคือมีความแข็งแรงของสนามการสลายสูง มีการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม มีความเร็วการดริฟท์ของอิเล็กตรอนที่อิ่มตัวสูง และมีความต้านทานการแผ่รังสีที่แข็งแกร่ง ช่วยขยายขีดความสามารถในการประมวลผลพลังงานของอุปกรณ์พลังงานอย่างมาก และสามารถตอบสนองความต้องการด้านบริการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานรุ่นต่อไปสำหรับอุปกรณ์ที่มีพลังงานสูง ขนาดเล็ก อุณหภูมิสูง รังสีสูง และเงื่อนไขที่รุนแรงอื่นๆ สามารถลดพื้นที่ ลดการใช้พลังงาน และลดความต้องการในการระบายความร้อนได้ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญต่อยานยนต์พลังงานใหม่ การขนส่งทางราง กริดอัจฉริยะ และสาขาอื่นๆ ดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์จึงได้รับการยอมรับว่าเป็นวัสดุในอุดมคติที่จะนำไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงรุ่นต่อไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการสนับสนุนนโยบายระดับชาติสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม การวิจัยและพัฒนาและการก่อสร้างระบบอุตสาหกรรมอุปกรณ์ SiC ขนาด 150 มม. จึงเสร็จสมบูรณ์เกือบทั้งหมดในประเทศจีน และความปลอดภัยของห่วงโซ่อุตสาหกรรมก็ได้รับการรับประกันเกือบทั้งหมด ดังนั้น จุดเน้นของอุตสาหกรรมจึงค่อยๆ เปลี่ยนไปที่การควบคุมต้นทุนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ ตามที่แสดงในตารางที่ 1 เมื่อเปรียบเทียบกับ 150 มม. SiC ขนาด 200 มม. มีอัตราการใช้ขอบที่สูงกว่า และสามารถเพิ่มผลผลิตของชิปเวเฟอร์เดี่ยวได้ประมาณ 1.8 เท่า เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาเต็มที่ ต้นทุนการผลิตชิปเดี่ยวสามารถลดลงได้ 30% ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของ 200 มม. เป็นวิธีการโดยตรงในการ "ลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ" และยังเป็นกุญแจสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของประเทศของฉันในการ "ทำงานแบบขนาน" หรือแม้กระทั่ง "นำ"
แตกต่างจากกระบวนการอุปกรณ์ Siอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์ SiCทั้งหมดนี้ได้รับการประมวลผลและเตรียมโดยใช้ชั้นเอพิแทกเซียลเป็นหินหลัก แผ่นเวเฟอร์เอพิแทกเซียลเป็นวัสดุพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC คุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลกำหนดผลผลิตของอุปกรณ์โดยตรง และต้นทุนคิดเป็น 20% ของต้นทุนการผลิตชิป ดังนั้น การเติบโตของเอพิแทกเซียลจึงเป็นจุดเชื่อมต่อกลางที่สำคัญในอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC ขีดจำกัดบนของระดับกระบวนการเอพิแทกเซียลนั้นกำหนดโดยอุปกรณ์เอพิแทกเซียล ในปัจจุบัน ระดับการแปลตำแหน่งของอุปกรณ์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 150 มม. ในประเทศจีนค่อนข้างสูง แต่เค้าโครงโดยรวมของขนาด 200 มม. นั้นล้าหลังกว่าระดับสากลในเวลาเดียวกัน ดังนั้น เพื่อแก้ปัญหาความต้องการเร่งด่วนและปัญหาคอขวดของการผลิตวัสดุเอพิแทกเซียลขนาดใหญ่คุณภาพสูงสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามในประเทศ บทความนี้จึงแนะนำอุปกรณ์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาสำเร็จในประเทศของฉัน และศึกษากระบวนการเอพิแทกเซียล การปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสม เช่น อุณหภูมิกระบวนการ อัตราการไหลของก๊าซพาหะ อัตราส่วน C/Si เป็นต้น จะทำให้ได้ความสม่ำเสมอของความเข้มข้น <3% ความไม่สม่ำเสมอของความหนา <1.5% ความหยาบ Ra <0.2 นาโนเมตร และความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรง <0.3 เกรน/ซม.2 ของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลซิลิกอนคาร์ไบด์ขนาด 150 มม. และ 200 มม. ที่มีเตาเผาเอพิแทกเซียลซิลิกอนคาร์ไบด์ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นเอง ระดับกระบวนการของอุปกรณ์สามารถตอบสนองความต้องการในการเตรียมอุปกรณ์ไฟฟ้าซิลิกอนคาร์ไบด์คุณภาพสูง
การทดลองที่ 1
1.1 หลักการของอิพิแทกเซียล SiCกระบวนการ
กระบวนการเติบโตโฮโมเอพิแทกเซียล 4H-SiC ประกอบด้วยขั้นตอนสำคัญ 2 ขั้นตอนหลัก ได้แก่ การกัดพื้นผิว 4H-SiC ในอุณหภูมิสูงและกระบวนการสะสมไอเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกัน วัตถุประสงค์หลักของการกัดพื้นผิวในที่คือการกำจัดความเสียหายใต้พื้นผิวของพื้นผิวหลังจากการขัดเวเฟอร์ ของเหลวขัดที่เหลือ อนุภาค และชั้นออกไซด์ และสามารถสร้างโครงสร้างขั้นตอนอะตอมปกติบนพื้นผิวของพื้นผิวได้โดยการกัด การกัดในที่มักจะดำเนินการในบรรยากาศไฮโดรเจน ตามความต้องการของกระบวนการจริง สามารถเติมก๊าซเสริมจำนวนเล็กน้อยได้ เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ โพรเพน เอทิลีน หรือไซเลน อุณหภูมิของการกัดไฮโดรเจนในที่โดยทั่วไปจะสูงกว่า 1,600 ℃ และความดันของห้องปฏิกิริยาโดยทั่วไปจะถูกควบคุมให้ต่ำกว่า 2×104 Pa ในระหว่างกระบวนการกัด
หลังจากที่พื้นผิวของสารตั้งต้นถูกกระตุ้นโดยการกัดในที่แล้ว สารตั้งต้นจะเข้าสู่กระบวนการสะสมไอเคมีที่อุณหภูมิสูง นั่นคือ แหล่งการเจริญเติบโต (เช่น เอทิลีน/โพรเพน TCS/ไซเลน) แหล่งการเจือปน (ไนโตรเจนแหล่งการเจือปนชนิด n แหล่งการเจือปนชนิด p TMAl) และก๊าซเสริม เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ จะถูกขนส่งไปยังห้องปฏิกิริยาผ่านก๊าซพาหะจำนวนมาก (โดยปกติคือไฮโดรเจน) หลังจากที่ก๊าซทำปฏิกิริยาในห้องปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง สารตั้งต้นบางส่วนจะทำปฏิกิริยาทางเคมีและดูดซับบนพื้นผิวเวเฟอร์ และชั้นเอพิแทกเซียล 4H-SiC ที่เป็นเนื้อเดียวกันเป็นผลึกเดี่ยวที่มีความเข้มข้นของการเจือปนเฉพาะ ความหนาเฉพาะ และคุณภาพที่สูงขึ้นจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของสารตั้งต้นโดยใช้สารตั้งต้น 4H-SiC ผลึกเดี่ยวเป็นแม่แบบ หลังจากหลายปีของการสำรวจทางเทคนิค เทคโนโลยีโฮโมเอพิแทกเซียล 4H-SiC ก็ได้พัฒนาจนสมบูรณ์และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรม เทคโนโลยีโฮโมอิพิแทกเซียล 4H-SiC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในโลกมีลักษณะทั่วไป 2 ประการ:
(1) การใช้พื้นผิวที่ตัดเฉียงนอกแกน (เทียบกับระนาบผลึก <0001> ไปทางทิศทางผลึก <11-20>) เป็นแม่แบบ ชั้นเอพิแทกเซียล 4H-SiC ผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยไม่มีสิ่งเจือปนจะถูกสะสมไว้บนพื้นผิวในรูปแบบของโหมดการเจริญเติบโตแบบขั้นตอน การเจริญเติบโตแบบโฮโมเอพิแทกเซียล 4H-SiC ในระยะเริ่มต้นใช้พื้นผิวผลึกเชิงบวก นั่นคือระนาบ Si <0001> สำหรับการเจริญเติบโต ความหนาแน่นของขั้นอะตอมบนพื้นผิวของพื้นผิวผลึกเชิงบวกนั้นต่ำและระเบียงกว้าง การเจริญเติบโตของนิวเคลียสสองมิติเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเอพิแทกซีเพื่อสร้างผลึก 3C SiC (3C-SiC) การตัดนอกแกนทำให้สามารถแนะนำขั้นอะตอมที่มีความหนาแน่นสูงและมีความกว้างของระเบียงแคบบนพื้นผิวของพื้นผิว 4H-SiC <0001> และสารตั้งต้นที่ดูดซับสามารถไปถึงตำแหน่งขั้นอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยพลังงานพื้นผิวที่ค่อนข้างต่ำผ่านการแพร่กระจายพื้นผิว ในขั้นตอนนี้ ตำแหน่งพันธะระหว่างอะตอมของสารตั้งต้นกับกลุ่มโมเลกุลจะมีลักษณะเฉพาะ ดังนั้นในโหมดการเติบโตของการไหลแบบขั้นตอน ชั้นเอพิแทกเซียลสามารถสืบทอดลำดับการเรียงซ้อนของชั้นอะตอมคู่ Si-C ของสารตั้งต้นได้อย่างสมบูรณ์แบบเพื่อสร้างผลึกเดี่ยวที่มีเฟสผลึกเดียวกันกับสารตั้งต้น
(2) การเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลด้วยความเร็วสูงทำได้โดยการแนะนำแหล่งซิลิกอนที่มีคลอรีน ในระบบการสะสมไอเคมี SiC ทั่วไป ไซเลนและโพรเพน (หรือเอทิลีน) เป็นแหล่งการเจริญเติบโตหลัก ในกระบวนการเพิ่มอัตราการเติบโตโดยการเพิ่มอัตราการไหลของแหล่งการเจริญเติบโต เมื่อความดันสมดุลบางส่วนของส่วนประกอบซิลิกอนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การก่อตัวของคลัสเตอร์ซิลิกอนโดยนิวเคลียสในเฟสก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกันนั้นทำได้ง่าย ซึ่งจะลดอัตราการใช้ของแหล่งซิลิกอนได้อย่างมาก การก่อตัวของคลัสเตอร์ซิลิกอนจำกัดการปรับปรุงอัตราการเติบโตเอพิแทกเซียลอย่างมาก ในขณะเดียวกัน คลัสเตอร์ซิลิกอนสามารถรบกวนการเจริญเติบโตของการไหลแบบขั้นบันไดและทำให้เกิดนิวเคลียสที่มีข้อบกพร่อง เพื่อหลีกเลี่ยงนิวเคลียสในเฟสก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกันและเพิ่มอัตราการเติบโตเอพิแทกเซียล การแนะนำแหล่งซิลิกอนที่ใช้คลอรีนเป็นวิธีหลักในปัจจุบันในการเพิ่มอัตราการเติบโตเอพิแทกเซียลของ 4H-SiC
1.2 อุปกรณ์และสภาวะกระบวนการเอพิแทกเซียล SiC ขนาด 200 มม. (8 นิ้ว)
การทดลองที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้ทั้งหมดดำเนินการบนอุปกรณ์เอพิแทกเซียลผนังร้อนแนวนอนโมโนลิธิก SiC ที่รองรับขนาด 150/200 มม. (6/8 นิ้ว) ซึ่งพัฒนาขึ้นโดยอิสระโดย 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation เตาเอพิแทกเซียลรองรับการโหลดและขนถ่ายเวเฟอร์อัตโนมัติเต็มรูปแบบ รูปที่ 1 เป็นแผนผังของโครงสร้างภายในของห้องปฏิกิริยาของอุปกรณ์เอพิแทกเซียล ดังแสดงในรูปที่ 1 ผนังด้านนอกของห้องปฏิกิริยาเป็นระฆังควอตซ์ที่มีชั้นกลางระบายความร้อนด้วยน้ำ และด้านในของระฆังเป็นห้องปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง ซึ่งประกอบด้วยแผ่นคาร์บอนฉนวนกันความร้อน โพรงกราไฟท์พิเศษที่มีความบริสุทธิ์สูง ฐานหมุนลอยตัวด้วยก๊าซกราไฟท์ เป็นต้น ระฆังควอตซ์ทั้งหมดถูกปกคลุมด้วยคอยล์เหนี่ยวนำทรงกระบอก และห้องปฏิกิริยาภายในระฆังได้รับความร้อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟเหนี่ยวนำความถี่ปานกลาง ตามที่แสดงในรูปที่ 1 (b) ก๊าซพาหะ ก๊าซปฏิกิริยา และก๊าซเจือปนทั้งหมดจะไหลผ่านพื้นผิวของเวเฟอร์ในลักษณะการไหลแบบลามินาร์แนวนอนจากต้นน้ำของห้องปฏิกิริยาไปยังปลายน้ำของห้องปฏิกิริยา และจะถูกระบายออกจากปลายก๊าซท้าย เพื่อให้แน่ใจว่าเวเฟอร์มีความสม่ำเสมอ เวเฟอร์ที่ลอยด้วยฐานลอยลมจะถูกหมุนอยู่เสมอในระหว่างกระบวนการ
สารตั้งต้นที่ใช้ในการทดลองเป็นสารตั้งต้น SiC ขัดเงาสองด้านชนิด n-type 4H-SiC แบบนำไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ขนาด 150 มม., 200 มม. (6 นิ้ว, 8 นิ้ว) <1120> มุมเอียง 4° ผลิตโดย Shanxi Shuoke Crystal ไตรคลอโรซิเลน (SiHCl3, TCS) และเอทิลีน (C2H4) ถูกใช้เป็นแหล่งการเติบโตหลักในการทดลองกระบวนการ โดย TCS และ C2H4 ถูกใช้เป็นแหล่งซิลิกอนและแหล่งคาร์บอนตามลำดับ ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง (N2) ถูกใช้เป็นแหล่งการเจือปนชนิด n และไฮโดรเจน (H2) ถูกใช้เป็นก๊าซเจือจางและก๊าซพาหะ ช่วงอุณหภูมิของกระบวนการเอพิแทกเซียลคือ 1,600 ~1,660 ℃ แรงดันของกระบวนการคือ 8×103 ~12×103 Pa และอัตราการไหลของก๊าซพาหะ H2 คือ 100～140 L/min
1.3 การทดสอบและการกำหนดลักษณะเวเฟอร์เอพิแทกเซียล
เครื่องตรวจวัดสเปกตรัมอินฟราเรดฟูริเยร์ (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Thermalfisher รุ่น iS50) และเครื่องทดสอบความเข้มข้นของหัววัดปรอท (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Semilab รุ่น 530L) ถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดลักษณะเฉลี่ยและการกระจายของความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลและความเข้มข้นของการเจือปนสาร โดยความหนาและความเข้มข้นของการเจือปนสารของแต่ละจุดในชั้นเอพิแทกเซียลจะถูกกำหนดโดยการเลือกจุดต่างๆ ตามเส้นเส้นผ่านศูนย์กลางที่ตัดกับเส้นปกติของขอบอ้างอิงหลักที่ 45° ที่จุดศูนย์กลางของเวเฟอร์ โดยตัดขอบออก 5 มม. สำหรับเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ได้ใช้ 9 จุดตามเส้นเส้นผ่านศูนย์กลางเดียว (เส้นผ่านศูนย์กลางสองเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งฉากกัน) และสำหรับเวเฟอร์ขนาด 200 มม. ได้ใช้ 21 จุด ดังที่แสดงในรูปที่ 2 ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (ผู้ผลิตอุปกรณ์ Bruker รุ่น Dimension Icon) เพื่อเลือกพื้นที่ 30 μm×30 μm ในพื้นที่ตรงกลางและพื้นที่ขอบ (การลบขอบ 5 มม.) ของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลเพื่อทดสอบความหยาบของพื้นผิวของชั้นเอพิแทกเซียล ข้อบกพร่องของชั้นเอพิแทกเซียลจะถูกวัดโดยใช้เครื่องทดสอบข้อบกพร่องของพื้นผิว (ผู้ผลิตอุปกรณ์ China Electronics) เครื่องสร้างภาพ 3 มิติได้รับการกำหนดลักษณะโดยเซ็นเซอร์เรดาร์ (รุ่น Mars 4410 pro) จาก Kefenghua
เวลาโพสต์: 04-09-2024