Şu anda, SiC endüstrisi 150 mm'den (6 inç) 200 mm'ye (8 inç) dönüşüyor. Endüstride büyük boyutlu, yüksek kaliteli SiC homoepitaksiyal gofretlere olan acil talebi karşılamak için 150 mm ve 200 mm4H-SiC homoepitaksiyal gofretlerBağımsız olarak geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel büyüme ekipmanı kullanılarak yerel alt tabakalar üzerinde başarıyla hazırlandı. 150 mm ve 200 mm için uygun bir homoepitaksiyel işlem geliştirildi ve bu işlemde epitaksiyel büyüme hızı 60 um/saatten fazla olabilir. Yüksek hızlı epitaksiyi karşılarken, epitaksiyel gofret kalitesi mükemmeldir. 150 mm ve 200 mm kalınlık düzgünlüğüSiC epitaksiyel gofretler%1,5 içinde kontrol edilebilir, konsantrasyon düzgünlüğü %3'ten azdır, ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 parçacık/cm2'den azdır ve epitaksiyel yüzey pürüzlülüğü kök ortalama kare Ra 0,15 nm'den azdır ve tüm çekirdek işlem göstergeleri endüstrinin ileri düzeyindedir.
Silisyum Karbür (SiC)üçüncü nesil yarı iletken malzemelerin temsilcilerinden biridir. Yüksek bozulma alanı mukavemeti, mükemmel termal iletkenlik, büyük elektron doygunluk sürüklenme hızı ve güçlü radyasyon direnci özelliklerine sahiptir. Güç cihazlarının enerji işleme kapasitesini büyük ölçüde genişletmiştir ve yüksek güç, küçük boyut, yüksek sıcaklık, yüksek radyasyon ve diğer aşırı koşullara sahip cihazlar için yeni nesil güç elektroniği ekipmanlarının servis gereksinimlerini karşılayabilir. Alanı azaltabilir, güç tüketimini azaltabilir ve soğutma gereksinimlerini azaltabilir. Yeni enerji araçlarına, raylı ulaşıma, akıllı şebekelere ve diğer alanlara devrim niteliğinde değişiklikler getirmiştir. Bu nedenle, silisyum karbür yarı iletkenler, yeni nesil yüksek güçlü güç elektroniği cihazlarına öncülük edecek ideal malzeme olarak kabul edilmiştir. Son yıllarda, üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin gelişimi için ulusal politika desteği sayesinde, 150 mm SiC cihaz endüstrisi sisteminin araştırma, geliştirme ve inşası temelde Çin'de tamamlanmış ve endüstriyel zincirin güvenliği temelde garanti altına alınmıştır. Bu nedenle, endüstrinin odak noktası giderek maliyet kontrolüne ve verimlilik iyileştirmeye kaymıştır. Tablo 1'de gösterildiği gibi, 150 mm ile karşılaştırıldığında, 200 mm SiC daha yüksek bir kenar kullanım oranına sahiptir ve tek yonga yongalarının çıktısı yaklaşık 1,8 kat artırılabilir. Teknoloji olgunlaştıktan sonra, tek bir yonganın üretim maliyeti %30 oranında azaltılabilir. 200 mm'nin teknolojik atılımı, "maliyetleri azaltmanın ve verimliliği artırmanın" doğrudan bir yoludur ve aynı zamanda ülkemin yarı iletken endüstrisinin "paralel çalışmasının" veya hatta "liderlik etmesinin" anahtarıdır.
Si cihazı sürecinden farklı olarak,SiC yarı iletken güç aygıtlarıhepsi epitaksiyel katmanlar temel taşı olarak işlenir ve hazırlanır. Epitaksiyel gofretler, SiC güç cihazları için temel temel malzemelerdir. Epitaksiyel katmanın kalitesi, cihazın verimini doğrudan belirler ve maliyeti, çip üretim maliyetinin %20'sini oluşturur. Bu nedenle, epitaksiyel büyüme, SiC güç cihazlarında temel bir ara halkadır. Epitaksiyel işlem seviyesinin üst sınırı, epitaksiyel ekipman tarafından belirlenir. Şu anda, Çin'deki 150 mm SiC epitaksiyel ekipmanın yerelleştirme derecesi nispeten yüksektir, ancak 200 mm'nin genel düzeni aynı zamanda uluslararası düzeyin gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle, yerel üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin gelişimi için büyük boyutlu, yüksek kaliteli epitaksiyel malzeme üretiminin acil ihtiyaçlarını ve darboğaz sorunlarını çözmek amacıyla, bu makale ülkemde başarıyla geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel ekipmanı tanıtmakta ve epitaksiyel süreci incelemektedir. Proses sıcaklığı, taşıyıcı gaz akış hızı, C/Si oranı vb. gibi proses parametrelerinin optimize edilmesiyle, bağımsız olarak geliştirilen 200 mm silisyum karbür epitaksiyel fırınlı 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel gofretler için konsantrasyon homojenliği <%3, kalınlık homojensizliği <%1,5, pürüzlülük Ra <0,2 nm ve ölümcül kusur yoğunluğu <0,3 tane/cm2 elde edilir. Ekipman proses seviyesi, yüksek kaliteli SiC güç cihazı hazırlama ihtiyaçlarını karşılayabilir.
1 Deney
1.1 İlkeSiC epitaksiyelişlem
4H-SiC homoepitaksiyal büyüme süreci esas olarak 2 temel adımı içerir, bunlar, 4H-SiC substratının yüksek sıcaklıkta yerinde aşındırılması ve homojen kimyasal buhar biriktirme işlemidir. Substrat yerinde aşındırmasının temel amacı, gofret parlatmadan sonra substratın yüzey altı hasarını, artık parlatma sıvısını, parçacıkları ve oksit tabakasını gidermektir ve aşındırma ile substrat yüzeyinde düzenli bir atomik adım yapısı oluşturulabilir. Yerinde aşındırma genellikle bir hidrojen atmosferinde gerçekleştirilir. Gerçek işlem gereksinimlerine göre, hidrojen klorür, propan, etilen veya silan gibi az miktarda yardımcı gaz da eklenebilir. Yerinde hidrojen aşındırmasının sıcaklığı genellikle 1600 ℃'nin üzerindedir ve aşındırma işlemi sırasında reaksiyon odasının basıncı genellikle 2×104 Pa'nın altında kontrol edilir.
Substrat yüzeyi yerinde aşındırma ile aktive edildikten sonra, yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme sürecine girer, yani büyüme kaynağı (etilen/propan, TCS/silan gibi), doping kaynağı (n-tipi doping kaynağı azot, p-tipi doping kaynağı TMAl) ve hidrojen klorür gibi yardımcı gaz, büyük bir taşıyıcı gaz akışı (genellikle hidrojen) yoluyla reaksiyon odasına taşınır. Gaz yüksek sıcaklıktaki reaksiyon odasında reaksiyona girdikten sonra, öncülün bir kısmı kimyasal olarak reaksiyona girer ve gofret yüzeyine adsorbe olur ve tek kristal homojen 4H-SiC epitaksiyel tabakası, tek kristal 4H-SiC substratı şablon olarak kullanarak substrat yüzeyinde belirli bir doping konsantrasyonuna, belirli kalınlığa ve daha yüksek kaliteye sahip oluşur. Yıllar süren teknik keşiflerden sonra, 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisi temelde olgunlaşmıştır ve endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dünyada en yaygın kullanılan 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisinin iki tipik özelliği vardır:
(1) <0001> kristal düzlemine göre, <11-20> kristal yönüne doğru eksen dışı (eğik kesilmiş bir alt tabakayı şablon olarak kullanarak, safsızlık içermeyen yüksek saflıkta tek kristal 4H-SiC epitaksiyel tabakası, basamaklı akış büyüme modu biçiminde alt tabaka üzerine biriktirilir. İlk 4H-SiC homoepitaksiyel büyüme, büyüme için pozitif bir kristal alt tabaka, yani <0001> Si düzlemi kullandı. Pozitif kristal alt tabakanın yüzeyindeki atomik basamakların yoğunluğu düşüktür ve teraslar geniştir. 3C kristal SiC (3C-SiC) oluşturmak için epitaksi işlemi sırasında iki boyutlu çekirdeklenme büyümesinin meydana gelmesi kolaydır. Eksen dışı kesme ile, yüksek yoğunluklu, dar teras genişliğinde atomik basamaklar 4H-SiC <0001> alt tabakanın yüzeyine sokulabilir ve adsorbe edilen öncül, yüzey difüzyonu yoluyla nispeten düşük yüzey enerjisiyle atomik basamak konumuna etkili bir şekilde ulaşabilir. Adımda, öncül atom/moleküler grup bağlanma pozisyonu benzersizdir, bu nedenle adım akış büyüme modunda, epitaksiyel tabaka, alt tabakanın Si-C çift atom tabakası istifleme dizisini mükemmel bir şekilde miras alabilir ve alt tabaka ile aynı kristal fazına sahip tek bir kristal oluşturabilir.
(2) Yüksek hızlı epitaksiyel büyüme, klor içeren bir silikon kaynağının tanıtılmasıyla elde edilir. Geleneksel SiC kimyasal buhar biriktirme sistemlerinde, silan ve propan (veya etilen) ana büyüme kaynaklarıdır. Büyüme kaynağı akış hızını artırarak büyüme oranını artırma sürecinde, silikon bileşeninin denge kısmi basıncı artmaya devam ettikçe, homojen gaz fazı çekirdeklenmesiyle silikon kümeleri oluşturmak kolaydır ve bu da silikon kaynağının kullanım oranını önemli ölçüde azaltır. Silikon kümelerinin oluşumu, epitaksiyel büyüme oranının iyileştirilmesini büyük ölçüde sınırlar. Aynı zamanda, silikon kümeleri adım akış büyümesini bozabilir ve kusurlu çekirdeklenmeye neden olabilir. Homojen gaz fazı çekirdeklenmesini önlemek ve epitaksiyel büyüme oranını artırmak için, klor bazlı silikon kaynaklarının tanıtılması şu anda 4H-SiC'nin epitaksiyel büyüme oranını artırmak için ana akım yöntemdir.
1.2 200 mm (8 inç) SiC epitaksiyel ekipman ve işlem koşulları
Bu makalede anlatılan deneylerin tamamı, 48. Çin Elektronik Teknolojisi Grup Şirketi Enstitüsü tarafından bağımsız olarak geliştirilen 150/200 mm (6/8 inç) uyumlu monolitik yatay sıcak duvarlı SiC epitaksiyel ekipman üzerinde gerçekleştirilmiştir. Epitaksiyel fırın, tam otomatik gofret yükleme ve boşaltmayı destekler. Şekil 1, epitaksiyel ekipmanın reaksiyon odasının iç yapısının şematik diyagramıdır. Şekil 1'de görüldüğü gibi, reaksiyon odasının dış duvarı, su soğutmalı ara tabakaya sahip bir kuvars çandır ve çanın içi, termal yalıtımlı karbon keçe, yüksek saflıkta özel grafit boşluk, grafit gazla yüzen dönen taban vb.'den oluşan yüksek sıcaklıklı bir reaksiyon odasıdır. Tüm kuvars çan, silindirik bir indüksiyon bobini ile kaplıdır ve çanın içindeki reaksiyon odası, orta frekanslı bir indüksiyon güç kaynağı tarafından elektromanyetik olarak ısıtılır. Şekil 1 (b)'de gösterildiği gibi, taşıyıcı gaz, reaksiyon gazı ve katkı gazı, reaksiyon odasının yukarı akışından reaksiyon odasının aşağı akışına doğru yatay laminer bir akışta gofret yüzeyinden akar ve kuyruk gazı ucundan boşaltılır. Gofret içindeki tutarlılığı sağlamak için, hava yüzen taban tarafından taşınan gofret, işlem sırasında her zaman döndürülür.
Deneyde kullanılan substrat, Shanxi Shuoke Crystal tarafından üretilen ticari 150 mm, 200 mm (6 inç, 8 inç) <1120> yön 4° açılı iletken n-tipi 4H-SiC çift taraflı cilalı SiC substrattır. Proses deneyinde ana büyüme kaynakları olarak triklorosilan (SiHCl3, TCS) ve etilen (C2H4) kullanılır; bunların arasında TCS ve C2H4 sırasıyla silikon kaynağı ve karbon kaynağı olarak, yüksek saflıktaki nitrojen (N2) n-tipi katkılama kaynağı olarak ve hidrojen (H2) seyreltme gazı ve taşıyıcı gaz olarak kullanılır. Epitaksiyel prosesin sıcaklık aralığı 1 600 ~ 1 660 ℃, proses basıncı 8×103 ~ 12×103 Pa'dır ve H2 taşıyıcı gaz akış hızı 100～140 L/dakikadır.
1.3 Epitaksiyel gofret testi ve karakterizasyonu
Epitaksiyel tabaka kalınlığının ve katkılama konsantrasyonunun ortalamasını ve dağılımını karakterize etmek için Fourier kızılötesi spektrometresi (ekipman üreticisi Thermalfisher, model iS50) ve cıva prob konsantrasyon test cihazı (ekipman üreticisi Semilab, model 530L) kullanıldı; epitaksiyel tabakadaki her noktanın kalınlığı ve katkılama konsantrasyonu, yonga merkezinde 45° açıyla ana referans kenarının normal çizgisini kesen çap çizgisi boyunca 5 mm kenar uzaklaştırma ile noktalar alınarak belirlendi. 150 mm'lik bir gofret için, tek bir çap çizgisi boyunca (iki çap birbirine dikti) 9 nokta ve 200 mm'lik bir gofret için, Şekil 2'de gösterildiği gibi 21 nokta alındı. Epitaksiyel tabakanın yüzey pürüzlülüğünü test etmek için epitaksiyel gofretin merkez alanında ve kenar alanında (5 mm kenar çıkarma) 30 μm × 30 μm'lik alanlar seçmek için bir atomik kuvvet mikroskobu (ekipman üreticisi Bruker, model Dimension Icon) kullanıldı; epitaksiyel tabakanın kusurları bir yüzey kusuru test cihazı (ekipman üreticisi China Electronics) kullanılarak ölçüldü. 3B görüntüleyici, Kefenghua'dan bir radar sensörü (model Mars 4410 pro) ile karakterize edildi.
Gönderi zamanı: Sep-04-2024