Günümüzde SiC endüstrisi 150 mm (6 inç) boyutundan 200 mm (8 inç) boyutuna doğru bir dönüşüm geçiriyor. Endüstrinin büyük boyutlu, yüksek kaliteli SiC homoepitaksiyel levhalara olan acil talebini karşılamak için 150 mm ve 200 mm boyutlarında levhalar üretiliyor.4H-SiC homoepitaksiyel levhalarBağımsız olarak geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel büyüme ekipmanı kullanılarak yerli alt tabakalar üzerinde başarılı bir şekilde üretim yapılmıştır. 150 mm ve 200 mm için uygun bir homoepitaksiyel işlem geliştirilmiş olup, epitaksiyel büyüme hızı 60 µm/saatten daha yüksek olabilmektedir. Yüksek hızlı epitaksi gereksinimini karşılarken, epitaksiyel gofret kalitesi mükemmeldir. 150 mm ve 200 mm kalınlık homojenliği sağlanmıştır.SiC epitaksiyel levhalar%1,5'lik bir hassasiyetle kontrol edilebilmekte, konsantrasyon homojenliği %3'ten az olmakta, ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 parçacık/cm2'den az olmakta ve epitaksiyel yüzey pürüzlülüğünün ortalama karekök değeri Ra 0,15 nm'den az olmakta olup, tüm temel işlem göstergeleri sektörün ileri seviyesindedir.
Silisyum Karbür (SiC)Üçüncü nesil yarı iletken malzemelerin temsilcilerinden biridir. Yüksek kırılma alanı dayanımı, mükemmel ısı iletkenliği, büyük elektron doygunluk sürüklenme hızı ve güçlü radyasyon direnci özelliklerine sahiptir. Güç cihazlarının enerji işleme kapasitesini büyük ölçüde genişletmiş ve yüksek güç, küçük boyut, yüksek sıcaklık, yüksek radyasyon ve diğer aşırı koşullara sahip cihazlar için yeni nesil güç elektroniği ekipmanlarının hizmet gereksinimlerini karşılayabilmektedir. Alan tasarrufu, güç tüketimi ve soğutma gereksinimlerini azaltabilir. Yeni enerji araçları, demiryolu taşımacılığı, akıllı şebekeler ve diğer alanlarda 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 geliştirilmesine yönelik ulusal politika desteği sayesinde, Çin'de 150 mm SiC cihaz endüstri sisteminin araştırma ve geliştirme çalışmaları temel olarak tamamlanmış ve endüstri zincirinin güvenliği temel olarak sağlanmıştır. Bu nedenle, endüstrinin odağı giderek maliyet kontrolüne ve verimlilik iyileştirmesine kaymıştır. Tablo 1'de gösterildiği gibi, 150 mm ile karşılaştırıldığında, 200 mm SiC daha yüksek kenar kullanım oranına sahiptir ve tek bir wafer üzerindeki çip üretimi yaklaşık 1,8 kat artırılabilir. Teknoloji olgunlaştığında, tek bir çipin üretim maliyeti %30 oranında azaltılabilir. 200 mm'lik teknolojik atılım, "maliyetleri düşürme ve verimliliği artırma"nın doğrudan bir yoludur ve aynı zamanda ülkemizin yarı iletken endüstrisinin "paralel ilerlemesi" hatta "öncülük etmesi" için de kilit önem taşımaktadır.
Silikon cihaz üretim sürecinden farklı olarak,SiC yarı iletken güç cihazlarıTüm işlemler ve hazırlıklar, temel taşı olarak epitaksiyel katmanlar kullanılarak gerçekleştirilir. Epitaksiyel levhalar, SiC güç cihazları için temel malzemelerdir. Epitaksiyel katmanın kalitesi, cihazın verimliliğini doğrudan belirler ve maliyeti, çip üretim maliyetinin %20'sini oluşturur. Bu nedenle, epitaksiyel büyüme, SiC güç cihazlarında önemli bir ara bağlantıdır. Epitaksiyel işlem seviyesinin üst sınırı, epitaksiyel ekipman tarafından belirlenir. Şu anda, Çin'de 150 mm SiC epitaksiyel ekipmanının yerelleşme derecesi nispeten yüksektir, ancak aynı zamanda 200 mm'lik genel yerleşim uluslararası seviyenin gerisindedir. Bu nedenle, yerli üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin gelişimi için büyük boyutlu, yüksek kaliteli epitaksiyel malzeme üretiminin acil ihtiyaçlarını ve darboğaz sorunlarını çözmek amacıyla, bu makale ülkemizde başarıyla geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel ekipmanını tanıtmakta ve epitaksiyel işlemi incelemektedir. Proses sıcaklığı, taşıyıcı gaz akış hızı, C/Si oranı vb. proses parametrelerinin optimize edilmesiyle, bağımsız olarak geliştirilen 200 mm silisyum karbür epitaksiyel fırın kullanılarak 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhalarda konsantrasyon homojenliği <%3, kalınlık homojen olmaması <%1,5, pürüzlülük Ra <0,2 nm ve ölümcül kusur yoğunluğu <0,3 tane/cm2 elde edilmiştir. Ekipman proses seviyesi, yüksek kaliteli SiC güç cihazı hazırlama ihtiyaçlarını karşılayabilmektedir.
1 Deney
1.1 İlkesiSiC epitaksiyelişlem
4H-SiC homoepitaksiyel büyüme süreci esas olarak iki temel adımdan oluşur: 4H-SiC alt tabakasının yüksek sıcaklıkta yerinde aşındırılması ve homojen kimyasal buhar biriktirme işlemi. Alt tabakanın yerinde aşındırılmasının temel amacı, gofret parlatmasından sonra alt tabakanın yüzey altı hasarını, artık parlatma sıvısını, parçacıkları ve oksit tabakasını gidermektir ve aşındırma yoluyla alt tabaka yüzeyinde düzenli bir atomik basamak yapısı oluşturulabilir. Yerinde aşındırma genellikle 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.
Yüzey, yerinde aşındırma ile aktive edildikten sonra, yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme işlemine girer; yani, büyüme kaynağı (örneğin etilen/propan, TCS/silan), katkı maddesi kaynağı (n-tipi katkı maddesi azot, p-tipi katkı maddesi TMAl) ve hidrojen klorür gibi yardımcı gaz, büyük bir taşıyıcı gaz akışı (genellikle hidrojen) yoluyla reaksiyon odasına taşınır. Gaz, yüksek sıcaklık reaksiyon odasında reaksiyona girdikten sonra, öncü maddenin bir kısmı kimyasal olarak reaksiyona girer ve gofret yüzeyine adsorbe olur ve tek kristalli 4H-SiC alt tabakası şablon olarak kullanılarak, belirli bir katkı konsantrasyonuna, belirli bir kalınlığa ve daha yüksek kaliteye sahip tek kristalli homojen 4H-SiC epitaksiyel tabaka alt tabaka yüzeyinde oluşturulur. Yıllarca süren teknik araştırmalardan sonra, 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisi temel olarak olgunlaşmış ve endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dünyada en yaygın kullanılan 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisinin iki tipik özelliği vardır:
(1) Eksen dışı (<0001> kristal düzlemine göre, <11-20> kristal yönüne doğru) eğik kesilmiş bir alt tabaka şablon olarak kullanılarak, safsızlık içermeyen yüksek saflıkta tek kristalli 4H-SiC epitaksiyel tabakası, basamak akışı büyüme modu şeklinde alt tabaka üzerine biriktirilir. Erken dönem 4H-SiC homoepitaksiyel büyümesinde pozitif kristal alt tabaka, yani büyüme için <0001> Si düzlemi kullanılmıştır. Pozitif kristal alt tabakanın yüzeyindeki atomik basamakların yoğunluğu düşüktür ve teraslar geniştir. Epitaksi işlemi sırasında iki boyutlu çekirdeklenme büyümesi kolayca meydana gelir ve 3C kristal SiC (3C-SiC) oluşur. Eksen dışı kesim ile, 4H-SiC <0001> alt tabakasının yüzeyine yüksek yoğunluklu, dar teras genişliğine sahip atomik basamaklar eklenebilir ve adsorbe edilen öncü, yüzey difüzyonu yoluyla nispeten düşük yüzey enerjisiyle atomik basamak konumuna etkili bir şekilde ulaşabilir. Bu aşamada, öncü atom/moleküler grup bağlanma pozisyonu benzersizdir; bu nedenle, basamak akışı büyüme modunda, epitaksiyel katman, alt tabakanın Si-C çift atomik katman istifleme dizisini mükemmel bir şekilde miras alarak, alt tabaka ile aynı kristal fazına sahip tek bir kristal oluşturabilir.
(2) Yüksek hızlı epitaksiyel büyüme, klor içeren bir silikon kaynağının eklenmesiyle elde edilir. Geleneksel SiC kimyasal buhar biriktirme sistemlerinde, silan ve propan (veya etilen) ana büyüme kaynaklarıdır. Büyüme kaynağı akış hızının artırılmasıyla büyüme hızının artırılması sürecinde, silikon bileşeninin denge kısmi basıncı artmaya devam ettikçe, homojen gaz fazı çekirdeklenmesiyle silikon kümelerinin oluşması kolaylaşır ve bu da silikon kaynağının kullanım oranını önemli ölçüde azaltır. Silikon kümelerinin oluşumu, epitaksiyel büyüme hızının iyileştirilmesini büyük ölçüde sınırlar. Aynı zamanda, silikon kümeleri kademeli akış büyümesini bozabilir ve kusur çekirdeklenmesine neden olabilir. Homojen gaz fazı çekirdeklenmesini önlemek ve epitaksiyel büyüme hızını artırmak için, klor bazlı silikon kaynaklarının eklenmesi, şu anda 4H-SiC'nin epitaksiyel büyüme hızını artırmak için ana akım yöntemdir.
1.2 200 mm (8 inç) SiC epitaksiyel ekipman ve işlem koşulları
Bu makalede açıklanan deneylerin tamamı, Çin Elektronik Teknolojisi Grubu Şirketi'nin 48. Enstitüsü tarafından bağımsız olarak geliştirilen, 150/200 mm (6/8 inç) uyumlu monolitik yatay sıcak duvarlı SiC epitaksiyel ekipmanında gerçekleştirilmiştir. Epitaksiyel fırın, tamamen otomatik wafer yükleme ve boşaltmayı desteklemektedir. Şekil 1, epitaksiyel ekipmanın reaksiyon odasının iç yapısının şematik bir diyagramıdır. Şekil 1'de görüldüğü gibi, reaksiyon odasının dış duvarı, su soğutmalı ara katmanlı bir kuvars çandır ve çanın içi, ısı yalıtımlı karbon keçe, yüksek saflıkta özel grafit boşluk, grafit gaz yüzer döner taban vb. bileşenlerden oluşan yüksek sıcaklık reaksiyon odasıdır. Tüm kuvars çan, silindirik bir indüksiyon bobini ile kaplanmıştır ve çanın içindeki reaksiyon odası, orta frekanslı bir indüksiyon güç kaynağı ile elektromanyetik olarak ısıtılmaktadır. Şekil 1(b)'de gösterildiği gibi, taşıyıcı gaz, reaksiyon gazı ve katkılama gazı, reaksiyon odasının yukarısından aşağısına doğru yatay laminer bir akışla gofret yüzeyinden akar ve kuyruk gazı ucundan dışarı atılır. Gofret içindeki tutarlılığı sağlamak için, hava ile yüzen taban tarafından taşınan gofret, işlem boyunca sürekli olarak döndürülür.
Deneyde kullanılan alt tabaka, Shanxi Shuoke Crystal tarafından üretilen, 150 mm, 200 mm (6 inç, 8 inç) <1120> yönünde 4° açıyla iletken n-tipi 4H-SiC çift taraflı cilalı SiC alt tabakadır. Deneyde ana büyüme kaynakları olarak triklorosilan (SiHCl3, TCS) ve etilen (C2H4) kullanılmıştır; bunlardan TCS ve C2H4 sırasıyla silikon kaynağı ve karbon kaynağı olarak kullanılmıştır, yüksek saflıkta azot (N2) n-tipi katkılama kaynağı olarak, hidrojen (H2) ise seyreltme gazı ve taşıyıcı gaz olarak kullanılmıştır. Epitelyal işlemin sıcaklık aralığı 1600~1660 ℃, işlem basıncı 8×103~12×103 Pa ve H2 taşıyıcı gaz akış hızı 100～140 L/min'dir.
1.3 Epitaksiyel gofret testleri ve karakterizasyonu
Epitaksiyel tabaka kalınlığının ve katkılama konsantrasyonunun ortalama ve dağılımını belirlemek için Fourier kızılötesi spektrometresi (üretici Thermalfisher, model iS50) ve cıva probu konsantrasyon test cihazı (üretici Semilab, model 530L) kullanıldı; epitaksiyel tabakadaki her noktanın kalınlığı ve katkılama konsantrasyonu, 5 mm kenar çıkarımı ile plakanın merkezinde, ana referans kenarının normal çizgisini 45° açıyla kesen çap çizgisi boyunca noktalar alınarak belirlendi. 150 mm'lik bir gofret için, tek bir çap çizgisi boyunca (iki çap birbirine dik olacak şekilde) 9 nokta, 200 mm'lik bir gofret için ise Şekil 2'de gösterildiği gibi 21 nokta alındı. Epitelyal tabakanın yüzey pürüzlülüğünü test etmek için, epitelyal gofretin orta bölgesinde ve kenar bölgesinde (5 mm kenar çıkarımı) 30 μm × 30 μm'lik alanlar seçmek üzere bir atomik kuvvet mikroskobu (ekipman üreticisi Bruker, model Dimension Icon) kullanıldı; epitelyal tabakanın kusurları, bir yüzey kusur test cihazı (ekipman üreticisi China Electronics) kullanılarak ölçüldü. 3D görüntüleyici, Kefenghua'dan bir radar sensörü (model Mars 4410 pro) ile karakterize edildi.
Yayın tarihi: 04 Eylül 2024