Наразі галузь виробництва карбіду кремнію (SiC) переходить з розміру 150 мм (6 дюймів) на 200 мм (8 дюймів). Щоб задовольнити нагальний попит на великорозмірні високоякісні гомоепітаксіальні пластини SiC у галузі, використовуються пластини розміром 150 мм та 200 мм.Гомоепітаксіальні пластини 4H-SiCбули успішно виготовлені на вітчизняних підкладках з використанням незалежно розробленого обладнання для епітаксіального вирощування SiC діаметром 200 мм. Було розроблено гомоепітаксіальний процес, придатний для 150 мм та 200 мм, за якого швидкість епітаксіального росту може перевищувати 60 мкм/год. При дотриманні вимог щодо високошвидкісної епітаксії якість епітаксіальної пластини є відмінною. Однорідність товщини 150 мм та 200 ммЕпітаксіальні пластини SiCможна контролювати в межах 1,5%, однорідність концентрації менше 3%, щільність фатальних дефектів менше 0,3 частинок/см2, а середньоквадратичне значення шорсткості епітаксіальної поверхні Ra менше 0,15 нм, а всі основні показники процесу знаходяться на передовому рівні галузі.
Карбід кремнію (SiC)є одним із представників напівпровідникових матеріалів третього покоління. Він має такі характеристики, як висока напруженість пробивного поля, чудова теплопровідність, велика швидкість дрейфу насичення електронів та висока радіаційна стійкість. Він значно розширив можливості обробки енергії силових пристроїв та може задовольнити вимоги до обслуговування наступного покоління силової електронної апаратури для пристроїв з високою потужністю, малими розмірами, високою температурою, високим рівнем випромінювання та іншими екстремальними умовами. Він може зменшити простір, зменшити споживання енергії та зменшити потреби в охолодженні. Він приніс революційні зміни в нові енергетичні транспортні засоби, залізничні перевезення, інтелектуальні мережі та інші галузі. Тому напівпровідники з карбіду кремнію стали визнані ідеальним матеріалом, який очолюватиме наступне покоління потужних силових електронних пристроїв. В останні роки, завдяки національній політичній підтримці розвитку напівпровідникової промисловості третього покоління, у Китаї в основному завершено дослідження, розробки та будівництво 150-міліметрової системи промисловості SiC-пристроїв, а безпека промислового ланцюга була в основному гарантована. Тому акцент у галузі поступово змістився на контроль витрат та підвищення ефективності. Як показано в таблиці 1, порівняно зі 150 мм, 200 мм SiC має вищий коефіцієнт використання ребра, а виробництво окремих пластин може бути збільшено приблизно в 1,8 раза. Після вдосконалення технології вартість виробництва одного чіпа може бути зменшена на 30%. Технологічний прорив 200 мм є прямим засобом «зниження витрат та підвищення ефективності», а також ключем до «паралельної» або навіть «лідируючої» роботи напівпровідникової промисловості моєї країни.
На відміну від процесу Si-пристрою,Силові напівпровідникові прилади SiCВсі вони обробляються та виготовляються з епітаксійними шарами як основою. Епітаксійні пластини є важливими базовими матеріалами для силових пристроїв SiC. Якість епітаксійного шару безпосередньо визначає вихід пристрою, а його вартість становить 20% вартості виробництва мікросхем. Таким чином, епітаксійне вирощування є важливою проміжною ланкою в силових пристроях SiC. Верхня межа рівня епітаксіального процесу визначається епітаксійним обладнанням. Наразі ступінь локалізації 150-міліметрового епітаксійного обладнання SiC у Китаї є відносно високим, але загальне розташування 200-міліметрового обладнання водночас відстає від міжнародного рівня. Тому, щоб вирішити нагальні потреби та проблеми вузьких місць у виробництві великогабаритних високоякісних епітаксійних матеріалів для розвитку вітчизняної напівпровідникової промисловості третього покоління, у цій статті представлено 200-міліметрове епітаксійне обладнання SiC, успішно розроблене в моїй країні, та досліджено епітаксійний процес. Шляхом оптимізації параметрів процесу, таких як температура процесу, швидкість потоку газу-носія, співвідношення C/Si тощо, отримано однорідність концентрації <3%, неоднорідність товщини <1,5%, шорсткість Ra <0,2 нм та щільність фатальних дефектів <0,3 гран/см2 епітаксіальних пластин SiC розміром 150 мм та 200 мм з незалежно розробленою епітаксіальною піччю з карбіду кремнію діаметром 200 мм. Рівень технологічного процесу обладнання може задовольнити потреби у високоякісному виробництві силових пристроїв на основі карбіду кремнію.
1 Експеримент
1.1 Принципепітаксіальний SiCпроцес
Процес гомоепітаксіального вирощування 4H-SiC включає в себе 2 ключові етапи, а саме: високотемпературне травлення підкладки 4H-SiC in situ та процес гомогенного хімічного осадження з парової фази. Основною метою травлення підкладки in situ є видалення підповерхневих пошкоджень підкладки після полірування пластини, залишків полірувальної рідини, частинок та оксидного шару, і шляхом травлення на поверхні підкладки може бути сформована регулярна атомарна ступінчаста структура. Травлення in situ зазвичай проводиться в атмосфері водню. Відповідно до фактичних вимог процесу, також може бути додана невелика кількість допоміжного газу, такого як хлористий водень, пропан, етилен або силан. Температура травлення воднем in situ зазвичай перевищує 1600 ℃, а тиск у реакційній камері зазвичай контролюється нижче 2×10⁴ Па під час процесу травлення.
Після активації поверхні підкладки шляхом травлення in situ вона вступає у процес високотемпературного хімічного осадження з парової фази, тобто джерело росту (наприклад, етилен/пропан, TCS/силан), джерело легування (джерело легування n-типу азот, джерело легування p-типу TMAl) та допоміжний газ, такий як хлористий водень, транспортуються до реакційної камери за допомогою великого потоку газу-носія (зазвичай водню). Після реакції газу у високотемпературній реакційній камері частина прекурсора хімічно реагує та адсорбується на поверхні пластини, і на поверхні підкладки, використовуючи монокристалічну підкладку 4H-SiC як шаблон, формується монокристалічний гомогенний епітаксіальний шар 4H-SiC з певною концентрацією легування, певною товщиною та вищою якістю. Після років технічних досліджень гомоепітаксіальна технологія 4H-SiC в основному дозріла та широко використовується в промисловому виробництві. Найбільш широко використовувана у світі гомоепітаксіальна технологія 4H-SiC має дві типові характеристики:
(1) Використовуючи позаосьову (відносно кристалічної площини <0001>, у напрямку кристалічного напрямку <11-20>) похило зрізану підкладку як шаблон, на підкладку наноситься високочистий епітаксійний шар монокристалічного 4H-SiC без домішок у режимі ступінчастого росту. Ранні методи гомоепітаксіального росту 4H-SiC використовували позитивну кристалічну підкладку, тобто площину <0001> Si, для росту. Щільність атомних сходинок на поверхні позитивної кристалічної підкладки низька, а тераси широкі. Двовимірне зародкоутворення легко відбувається під час процесу епітаксії з утворенням кристалічного SiC 3C (3C-SiC). Завдяки позаосьовому зрізу на поверхню підкладки 4H-SiC <0001> можна ввести атомні сходинки високої щільності з вузькою шириною тераси, і адсорбований попередник може ефективно досягати положення атомної сходинки з відносно низькою поверхневою енергією шляхом поверхневої дифузії. На цьому етапі положення зв'язку атом-попередник/молекулярна група є унікальним, тому в режимі ступінчастого росту епітаксіальний шар може ідеально успадкувати послідовність укладання подвійних атомних шарів Si-C підкладки, утворюючи монокристал з тією ж кристалічною фазою, що й підкладка.
(2) Високошвидкісний епітаксіальний ріст досягається шляхом введення джерела кремнію, що містить хлор. У звичайних системах хімічного осадження з парової фази SiC основними джерелами росту є силан та пропан (або етилен). У процесі збільшення швидкості росту шляхом збільшення швидкості потоку джерела росту, оскільки рівноважний парціальний тиск кремнієвого компонента продовжує зростати, легко утворюються кремнієві кластери шляхом гомогенного зародження в газовій фазі, що значно знижує коефіцієнт використання джерела кремнію. Утворення кремнієвих кластерів значно обмежує покращення епітаксіальної швидкості росту. Водночас кремнієві кластери можуть порушувати ступінчастий ріст потоку та спричиняти зародження дефектів. Щоб уникнути гомогенного зародження в газовій фазі та збільшити швидкість епітаксіального росту, введення джерел кремнію на основі хлору наразі є основним методом збільшення швидкості епітаксіального росту 4H-SiC.
1.2 Обладнання для епітаксіального з'єднання SiC діаметром 200 мм (8 дюймів) та умови процесу
Експерименти, описані в цій статті, були проведені на сумісному монолітному горизонтальному епітаксіальному обладнанні з карбіду кремнію з гарячою стінкою розміром 150/200 мм (6/8 дюйма), незалежно розробленому 48-м інститутом китайської корпорації електронних технологій. Епітаксіальна піч підтримує повністю автоматичне завантаження та вивантаження пластин. Рисунок 1 – це схематична діаграма внутрішньої структури реакційної камери епітаксіального обладнання. Як показано на рисунку 1, зовнішня стінка реакційної камери являє собою кварцовий дзвін з водяним охолоджуваним проміжним шаром, а внутрішня частина дзвона – це високотемпературна реакційна камера, яка складається з теплоізоляційного вуглецевого фетру, порожнини зі спеціального графіту високої чистоти, обертової основи з графітового газу тощо. Весь кварцовий дзвін покритий циліндричною індукційною котушкою, а реакційна камера всередині дзвона електромагнітно нагрівається індукційним джерелом живлення середньої частоти. Як показано на рисунку 1 (b), газ-носій, реакційний газ та легуючий газ протікають через поверхню пластини в горизонтальному ламінарному потоці від потоку вище за течією реакційної камери до потоку нижче за течією реакційної камери та виводяться з кінця хвостового газу. Щоб забезпечити однорідність усередині пластини, пластина, що переноситься повітряною плаваючою основою, завжди обертається під час процесу.
Підкладка, що використовувалася в експерименті, являє собою комерційну підкладку SiC n-типу 4H-SiC з двостороннім поліруванням розміром 150 мм, 200 мм (6 дюймів, 8 дюймів) <1120>, що проводить під кутом 4°, виробництва Shanxi Shuoke Crystal. Трихлорсилан (SiHCl3, TCS) та етилен (C2H4) використовуються як основні джерела росту в експериментальному процесі, серед яких TCS та C2H4 використовуються як джерело кремнію та джерело вуглецю відповідно, високочистий азот (N2) використовується як джерело легування n-типу, а водень (H2) використовується як газ розбавлення та газ-носій. Діапазон температур епітаксіального процесу становить 1600~1660 ℃, тиск процесу 8×103~12×103 Па, а швидкість потоку газу-носія H2 становить 100～140 л/хв.
1.3 Епітаксіальне тестування та характеристика пластин
Для характеристики середнього значення та розподілу товщини епітаксіального шару та концентрації легуючих домішок використовували інфрачервоний спектрометр Фур'є (виробник обладнання Thermalfisher, модель iS50) та тестер концентрації ртутного зонда (виробник обладнання Semilab, модель 530L); товщину та концентрацію легуючих домішок у кожній точці епітаксіального шару визначали, знявши точки вздовж лінії діаметра, що перетинає нормаль до основного опорного краю під кутом 45° у центрі пластини з видаленням краю 5 мм. Для пластини діаметром 150 мм було знято 9 точок вздовж лінії одного діаметра (два діаметри були перпендикулярні один одному), а для пластини діаметром 200 мм - 21 точку, як показано на рисунку 2. Атомно-силовий мікроскоп (виробник обладнання Bruker, модель Dimension Icon) використовувався для вибору ділянок розміром 30 мкм × 30 мкм у центральній та крайній областях (видалення краю 5 мм) епітаксіальної пластини для перевірки шорсткості поверхні епітаксіального шару; Дефекти епітаксіального шару вимірювали за допомогою приладу для вимірювання поверхневих дефектів (виробник обладнання China Electronics). 3D-візуалізатор охарактеризували за допомогою радарного датчика (модель Mars 4410 Pro) від Kefenghua.
Час публікації: 04 вересня 2024 р.