Sa kasalukuyan, ang industriya ng SiC ay nagbabago mula 150 mm (6 na pulgada) patungong 200 mm (8 pulgada). Upang matugunan ang agarang pangangailangan para sa malalaking sukat at de-kalidad na SiC homoepitaxial wafers sa industriya, ang 150mm at 200mmMga 4H-SiC homoepitaxial waferay matagumpay na inihanda sa mga domestic substrate gamit ang hiwalay na binuong 200mm SiC epitaxial growth equipment. Isang prosesong homoepitaxial na angkop para sa 150mm at 200mm ang binuo, kung saan ang epitaxial growth rate ay maaaring higit sa 60um/h. Habang natutugunan ang high-speed epitaxy, ang kalidad ng epitaxial wafer ay mahusay. Ang kapal na pare-pareho ng 150 mm at 200 mmMga wafer na epitaxial ng SiCmaaaring kontrolin sa loob ng 1.5%, ang pagkakapareho ng konsentrasyon ay mas mababa sa 3%, ang nakamamatay na densidad ng depekto ay mas mababa sa 0.3 particle/cm2, at ang epitaxial surface roughness root mean square Ra ay mas mababa sa 0.15nm, at lahat ng pangunahing tagapagpahiwatig ng proseso ay nasa advanced na antas ng industriya.
Silikon Carbide (SiC)ay isa sa mga kinatawan ng mga materyales na semiconductor ng ikatlong henerasyon. Mayroon itong mga katangian ng mataas na lakas ng breakdown field, mahusay na thermal conductivity, malaking electron saturation drift velocity, at malakas na resistensya sa radiation. Malaki ang naitulong nito sa pagpapalawak ng kapasidad sa pagproseso ng enerhiya ng mga power device at kayang matugunan ang mga kinakailangan sa serbisyo ng susunod na henerasyon ng power electronic equipment para sa mga device na may mataas na power, maliit na sukat, mataas na temperatura, mataas na radiation at iba pang matinding kondisyon. Maaari nitong bawasan ang espasyo, bawasan ang pagkonsumo ng kuryente at bawasan ang mga kinakailangan sa pagpapalamig. Nagdala ito ng mga rebolusyonaryong pagbabago sa mga bagong sasakyan ng enerhiya, transportasyon sa riles, smart grid at iba pang larangan. Samakatuwid, ang silicon carbide semiconductors ay kinikilala bilang ang mainam na materyal na mangunguna sa susunod na henerasyon ng mga high-power power electronic device. Sa mga nakaraang taon, salamat sa pambansang suporta sa patakaran para sa pag-unlad ng industriya ng semiconductor ng ikatlong henerasyon, ang pananaliksik at pag-unlad at konstruksyon ng 150 mm SiC device industry system ay halos natapos na sa Tsina, at ang seguridad ng industrial chain ay halos ginagarantiyahan. Samakatuwid, ang pokus ng industriya ay unti-unting lumipat sa pagkontrol ng gastos at pagpapabuti ng kahusayan. Gaya ng ipinapakita sa Talahanayan 1, kumpara sa 150 mm, ang 200 mm SiC ay may mas mataas na antas ng paggamit ng gilid, at ang output ng mga single wafer chip ay maaaring tumaas ng humigit-kumulang 1.8 beses. Matapos ang pag-unlad ng teknolohiya, ang gastos sa paggawa ng isang single chip ay maaaring mabawasan ng 30%. Ang teknolohikal na tagumpay ng 200 mm ay isang direktang paraan ng "pagbabawas ng mga gastos at pagtaas ng kahusayan", at ito rin ang susi para sa industriya ng semiconductor ng ating bansa upang "magpatakbo ng parallel" o kahit na "lead".
Iba sa proseso ng aparatong Si,Mga aparatong pang-kapangyarihan ng SiC semiconductorAng mga epitaxial layer ay pinoproseso at inihahanda gamit ang mga epitaxial layer bilang pundasyon. Ang mga epitaxial wafer ay mahahalagang pangunahing materyales para sa mga SiC power device. Ang kalidad ng epitaxial layer ang direktang tumutukoy sa ani ng device, at ang gastos nito ay bumubuo ng 20% ng gastos sa paggawa ng chip. Samakatuwid, ang paglago ng epitaxial ay isang mahalagang intermediate link sa mga SiC power device. Ang pinakamataas na limitasyon ng antas ng proseso ng epitaxial ay tinutukoy ng epitaxial equipment. Sa kasalukuyan, ang antas ng lokalisasyon ng 150mm SiC epitaxial equipment sa Tsina ay medyo mataas, ngunit ang pangkalahatang layout ng 200mm ay nahuhuli sa internasyonal na antas nang sabay. Samakatuwid, upang malutas ang mga agarang pangangailangan at mga problema sa bottleneck ng malakihan, mataas na kalidad na paggawa ng epitaxial material para sa pagpapaunlad ng industriya ng semiconductor ng ikatlong henerasyon sa loob ng bansa, ipinakikilala ng papel na ito ang 200 mm SiC epitaxial equipment na matagumpay na binuo sa aking bansa, at pinag-aaralan ang proseso ng epitaxial. Sa pamamagitan ng pag-optimize ng mga parametro ng proseso tulad ng temperatura ng proseso, bilis ng daloy ng carrier gas, ratio ng C/Si, atbp., nakakamit ang pagkakapareho ng konsentrasyon na <3%, hindi pagkakapareho ng kapal na <1.5%, pagkamagaspang na Ra <0.2 nm at nakamamatay na densidad ng depekto na <0.3 grains/cm2 ng 150 mm at 200 mm SiC epitaxial wafers na may independiyenteng binuong 200 mm silicon carbide epitaxial furnace. Ang antas ng proseso ng kagamitan ay maaaring matugunan ang mga pangangailangan ng mataas na kalidad na paghahanda ng SiC power device.
1 Eksperimento
1.1 Prinsipyo ngSiC epitaxialproseso
Ang proseso ng 4H-SiC homoepitaxial growth ay pangunahing kinabibilangan ng 2 pangunahing hakbang, katulad ng high-temperature in-situ etching ng 4H-SiC substrate at homogenous chemical vapor deposition process. Ang pangunahing layunin ng substrate in-situ etching ay alisin ang pinsala sa ilalim ng substrate pagkatapos ng wafer polishing, residual polishing liquid, particles at oxide layer, at isang regular na atomic step structure ang maaaring mabuo sa ibabaw ng substrate sa pamamagitan ng etching. Ang in-situ etching ay karaniwang isinasagawa sa hydrogen atmosphere. Ayon sa aktwal na mga kinakailangan sa proseso, maaari ring magdagdag ng kaunting auxiliary gas, tulad ng hydrogen chloride, propane, ethylene o silane. Ang temperatura ng in-situ hydrogen etching ay karaniwang higit sa 1 600 ℃, at ang presyon ng reaction chamber ay karaniwang kinokontrol sa ibaba ng 2 × 104 Pa habang isinasagawa ang proseso ng etching.
Matapos ma-activate ang ibabaw ng substrate sa pamamagitan ng in-situ etching, papasok ito sa proseso ng high-temperature chemical vapor deposition, ibig sabihin, ang pinagmumulan ng paglago (tulad ng ethylene/propane, TCS/silane), pinagmumulan ng doping (n-type doping source nitrogen, p-type doping source TMAl), at auxiliary gas tulad ng hydrogen chloride ay dinadala sa reaction chamber sa pamamagitan ng isang malaking daloy ng carrier gas (karaniwan ay hydrogen). Matapos mag-react ang gas sa high-temperature reaction chamber, ang bahagi ng precursor ay kemikal na nagre-react at sumisipsip sa ibabaw ng wafer, at isang single-crystal homogenous 4H-SiC epitaxial layer na may partikular na konsentrasyon ng doping, partikular na kapal, at mas mataas na kalidad ang nabubuo sa ibabaw ng substrate gamit ang single-crystal 4H-SiC substrate bilang template. Pagkatapos ng mga taon ng teknikal na paggalugad, ang teknolohiyang 4H-SiC homoepitaxial ay halos ganap nang nahubog at malawakang ginagamit sa industriyal na produksyon. Ang pinakamalawak na ginagamit na teknolohiyang 4H-SiC homoepitaxial sa mundo ay may dalawang tipikal na katangian:
(1) Gamit ang isang off-axis (kaugnay ng <0001> crystal plane, patungo sa <11-20> crystal direction) oblique cut substrate bilang template, isang high-purity single-crystal 4H-SiC epitaxial layer na walang impurities ang idineposito sa substrate sa anyo ng step-flow growth mode. Ang maagang 4H-SiC homoepitaxial growth ay gumamit ng isang positive crystal substrate, iyon ay, ang <0001> Si plane para sa paglago. Mababa ang density ng atomic steps sa ibabaw ng positive crystal substrate at malapad ang mga terrace. Madaling mangyari ang two-dimensional nucleation growth sa panahon ng epitaxy process upang bumuo ng 3C crystal SiC (3C-SiC). Sa pamamagitan ng off-axis cutting, maaaring maipasok ang high-density, makitid na terrace width atomic steps sa ibabaw ng 4H-SiC <0001> substrate, at ang adsorbed precursor ay epektibong makakarating sa atomic step position na may medyo mababang surface energy sa pamamagitan ng surface diffusion. Sa baitang, ang posisyon ng pag-bonding ng precursor atom/molecular group ay natatangi, kaya sa step flow growth mode, ang epitaxial layer ay maaaring perpektong magmana ng Si-C double atomic layer stacking sequence ng substrate upang bumuo ng isang kristal na may parehong crystal phase gaya ng substrate.
(2) Ang mabilis na epitaxial growth ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapakilala ng silicon source na naglalaman ng chlorine. Sa mga conventional SiC chemical vapor deposition system, ang silane at propane (o ethylene) ang pangunahing pinagmumulan ng paglago. Sa proseso ng pagpapataas ng growth rate sa pamamagitan ng pagpapataas ng growth source flow rate, habang patuloy na tumataas ang equilibrium partial pressure ng silicon component, madaling mabuo ang mga silicon cluster sa pamamagitan ng homogenous gas phase nucleation, na makabuluhang binabawasan ang utilization rate ng silicon source. Ang pagbuo ng mga silicon cluster ay lubos na naglilimita sa pagpapabuti ng epitaxial growth rate. Kasabay nito, ang mga silicon cluster ay maaaring makagambala sa step flow growth at magdulot ng defect nucleation. Upang maiwasan ang homogenous gas phase nucleation at mapataas ang epitaxial growth rate, ang pagpapakilala ng chlorine-based silicon sources ay kasalukuyang pangunahing paraan upang mapataas ang epitaxial growth rate ng 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-pulgada) SiC epitaxial na kagamitan at mga kondisyon ng proseso
Ang mga eksperimentong inilarawan sa papel na ito ay pawang isinagawa sa isang 150/200 mm (6/8-pulgada) na katugmang monolithic horizontal hot wall SiC epitaxial equipment na independiyenteng binuo ng ika-48 Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Sinusuportahan ng epitaxial furnace ang ganap na awtomatikong paglo-load at pagdiskarga ng wafer. Ang Figure 1 ay isang eskematiko na diagram ng panloob na istruktura ng reaction chamber ng epitaxial equipment. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1, ang panlabas na dingding ng reaction chamber ay isang quartz bell na may water-cooled interlayer, at ang loob ng bell ay isang high-temperature reaction chamber, na binubuo ng thermal insulation carbon felt, high-purity special graphite cavity, graphite gas-floating rotating base, atbp. Ang buong quartz bell ay natatakpan ng isang cylindrical induction coil, at ang reaction chamber sa loob ng bell ay pinainit ng electromagnetically sa pamamagitan ng isang medium-frequency induction power supply. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1 (b), ang carrier gas, reaction gas, at doping gas ay pawang dumadaloy sa ibabaw ng wafer sa isang pahalang na laminar flow mula sa itaas ng reaction chamber patungo sa ibaba ng reaction chamber at ibinubuga mula sa dulo ng tail gas. Upang matiyak ang consistency sa loob ng wafer, ang wafer na dala ng air floating base ay palaging iniikot habang isinasagawa ang proseso.
Ang substrate na ginamit sa eksperimento ay isang komersyal na 150 mm, 200 mm (6 na pulgada, 8 pulgada) <1120> direksyon 4° off-angle conductive n-type 4H-SiC double-sided polished SiC substrate na ginawa ng Shanxi Shuoke Crystal. Ang Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) at ethylene (C2H4) ang ginagamit bilang pangunahing pinagmumulan ng paglago sa eksperimento sa proseso, kung saan ang TCS at C2H4 ay ginagamit bilang pinagmumulan ng silicon at carbon, ang high-purity nitrogen (N2) ay ginagamit bilang n-type doping source, at ang hydrogen (H2) ay ginagamit bilang dilution gas at carrier gas. Ang saklaw ng temperatura ng epitaxial process ay 1 600 ~1 660 ℃, ang presyon ng proseso ay 8×103 ~12×103 Pa, at ang H2 carrier gas flow rate ay 100～140 L/min.
1.3 Pagsubok at paglalarawan ng epitaxial wafer
Ginamit ang Fourier infrared spectrometer (tagagawa ng kagamitan na Thermalfisher, modelo iS50) at mercury probe concentration tester (tagagawa ng kagamitan na Semilab, modelo 530L) upang makilala ang mean at distribusyon ng kapal ng epitaxial layer at konsentrasyon ng doping; ang kapal at konsentrasyon ng doping ng bawat punto sa epitaxial layer ay natukoy sa pamamagitan ng pagkuha ng mga punto sa linya ng diyametro na tumatawid sa normal na linya ng pangunahing reference edge sa 45° sa gitna ng wafer na may 5 mm na pag-alis ng gilid. Para sa isang 150 mm na wafer, 9 na punto ang kinuha sa isang linya ng diyametro (dalawang diyametro ang patayo sa isa't isa), at para sa isang 200 mm na wafer, 21 punto ang kinuha, tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Isang atomic force microscope (tagagawa ng kagamitan na Bruker, modelo Dimension Icon) ang ginamit upang pumili ng 30 μm×30 μm na mga lugar sa gitnang lugar at sa gilid na lugar (5 mm na pag-alis ng gilid) ng epitaxial wafer upang subukan ang surface roughness ng epitaxial layer; Ang mga depekto ng epitaxial layer ay sinukat gamit ang isang surface defect tester (tagagawa ng kagamitan na China Electronics). Ang 3D imager ay kinilala gamit ang isang radar sensor (modelo Mars 4410 pro) mula sa Kefenghua.
Oras ng pag-post: Set-04-2024