8 дюймдік SiC эпитаксиалды пеші және гомоэпитаксиалды процесті зерттеу

Қазіргі уақытта SiC өнеркәсібі 150 мм-ден (6 дюйм) 200 мм-ге (8 дюйм) дейін өзгеруде. Өнеркәсіпте ірі габаритті, жоғары сапалы SiC гомоэпитаксиалды пластинкаларға шұғыл сұранысты қанағаттандыру үшін 150 мм және 200 мм 4H-SiC гомоэпитаксиалды пластиналар дербес әзірленген 200 мм SiC эпитаксиалды өсіру жабдығын пайдалана отырып, отандық субстраттарда сәтті дайындалды. 150 мм және 200 мм үшін қолайлы гомоэпитаксиалды процесс әзірленді, онда эпитаксиалды өсу жылдамдығы 60 мкм/сағ жоғары болуы мүмкін. Жоғары жылдамдықты эпитаксияға жауап бере отырып, эпитаксиалды пластинаның сапасы тамаша. 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластинкалардың қалыңдығының біркелкілігін 1,5% шегінде бақылауға болады, концентрацияның біркелкілігі 3% -дан аз, өлімге әкелетін ақаудың тығыздығы 0,3 бөлшектер/см2-ден аз, ал эпитаксистік беттің кедір-бұдырының орташа квадраты Ra 0,15 нм-ден аз, ал барлық негізгі процесс көрсеткіштері саланың озық деңгейінде.

Кремний карбиді (SiC) үшінші буындағы жартылай өткізгіш материалдардың өкілдерінің бірі болып табылады. Ол жоғары бұзылу өрісінің күші, тамаша жылу өткізгіштік, үлкен электрондармен қанықтыру жылдамдығы және күшті радиацияға төзімділік сипаттамаларына ие. Ол қуатты құрылғылардың энергияны өңдеу мүмкіндіктерін айтарлықтай кеңейтті және қуаттылығы жоғары, шағын өлшемдері, жоғары температурасы, жоғары радиациясы және басқа да экстремалды жағдайлары бар құрылғыларға арналған келесі буын электрлік электр жабдықтарының қызмет көрсету талаптарына жауап бере алады. Ол кеңістікті азайтады, қуат тұтынуды азайтады және салқындату талаптарын азайтады. Ол жаңа энергетикалық көліктерге, теміржол көлігіне, смарт желілерге және басқа салаларға революциялық өзгерістер әкелді. Сондықтан кремний карбидінің жартылай өткізгіштері жоғары қуатты электронды құрылғылардың келесі буынын жетектейтін тамаша материал ретінде танылды. Соңғы жылдары үшінші буындағы жартылай өткізгіш өнеркәсібін дамытуға ұлттық саясатты қолдаудың арқасында Қытайда 150 мм SiC құрылғыларының өнеркәсіп жүйесін зерттеу және әзірлеу және салу негізінен аяқталды, ал өнеркәсіп тізбегінің қауіпсіздігі қамтамасыз етілді. негізінен кепілдік берілді. Сондықтан саланың назары біртіндеп шығындарды бақылауға және тиімділікті арттыруға ауысты. 1-кестеде көрсетілгендей, 150 мм-мен салыстырғанда, 200 мм SiC жиекті пайдалану жылдамдығы жоғары, ал бір пластинкалы чиптердің шығуын шамамен 1,8 есе арттыруға болады. Технология жетілгеннен кейін бір чиптің өндіріс құнын 30%-ға төмендетуге болады. 200 мм технологиялық серпіліс «шығындарды азайту мен тиімділікті арттырудың» тікелей құралы болып табылады, сонымен қатар ол менің елімнің жартылай өткізгіш өнеркәсібінің «параллель жұмыс істеуі» немесе тіпті «жетекші» болуының кілті болып табылады.

Si құрылғысының процесінен айырмашылығы, SiC жартылай өткізгіш қуат құрылғыларының барлығы өңделеді және ірге тасы ретінде эпитаксиалды қабаттармен дайындалады. Эпитаксиалды пластиналар SiC қуат құрылғылары үшін маңызды негізгі материалдар болып табылады. Эпитаксиалды қабаттың сапасы құрылғының өнімділігін тікелей анықтайды және оның құны чипті өндіру құнының 20% құрайды. Сондықтан эпитаксиалды өсу SiC қуат құрылғыларындағы маңызды аралық буын болып табылады. Эпитаксиялық процесс деңгейінің жоғарғы шегі эпитаксиалды жабдықпен анықталады. Қазіргі уақытта отандық 150 мм SiC эпитаксиалды жабдықтың оқшаулану дәрежесі салыстырмалы түрде жоғары, бірақ 200 мм жалпы орналасуы бір уақытта халықаралық деңгейден артта қалды. Сондықтан, отандық үшінші буындағы жартылай өткізгіштер өнеркәсібін дамыту үшін үлкен өлшемді, жоғары сапалы эпитаксиалды материалды өндірудің өзекті қажеттіліктері мен қиыншылықтарын шешу үшін бұл мақала менің елімде сәтті жасалған 200 мм SiC эпитаксистік жабдықты ұсынады, және эпитаксиалды процесті зерттейді. Технологиялық процестің температурасы, тасымалдаушы газ шығыны, C/Si қатынасы және т.б., концентрацияның біркелкілігі <3%, қалыңдығының біркелкі еместігі <1,5%, кедір-бұдырлығы Ra <0,2 нм және өлімге әкелетін ақау тығыздығы <0,3 бөлшектер сияқты технологиялық параметрлерді оңтайландыру арқылы /см2 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластиналар өздігінен әзірленген 200 мм кремний карбиді эпитаксиалды пеші алынды. Жабдықтың технологиялық деңгейі жоғары сапалы SiC қуат құрылғысын дайындау қажеттіліктерін қанағаттандыра алады.

1 Эксперимент

1.1 SiC эпитаксиалды процесінің принципі

4H-SiC гомоэпитаксиалды өсу процесі негізінен 2 негізгі қадамды қамтиды, атап айтқанда, 4H-SiC субстратының жоғары температурада in-situ өңделуі және біртекті химиялық буларды тұндыру процесі. Субстратты in-situ оюдың негізгі мақсаты пластинаны жылтыратудан кейін субстраттың жер асты зақымдануын, қалдық жылтырату сұйықтығын, бөлшектерді және оксид қабатын жою болып табылады, ал тегістеу арқылы субстрат бетінде қалыпты атомдық саты құрылымын қалыптастыруға болады. In-situ ою әдетте сутегі атмосферасында жүзеге асырылады. Нақты технологиялық талаптарға сәйкес, хлорсутек, пропан, этилен немесе силан сияқты қосымша газдың аз мөлшерін қосуға болады. In-situ сутегімен өңдеудің температурасы әдетте 1600 ℃-тан жоғары, ал реакция камерасының қысымы әдетте 2×104 Па-дан төмен бақыланады.

Субстрат беті in-situ ою арқылы белсендірілгеннен кейін ол жоғары температурадағы химиялық бу тұндыру процесіне, яғни өсу көзіне (мысалы, этилен/пропан, TCS/силан), қоспалау көзіне (n-типті қоспа көзі азот) енеді. , p-типті қоспа көзі TMAl) және хлорсутек сияқты көмекші газ тасымалдаушы газдың (әдетте сутегі) үлкен ағыны арқылы реакция камерасына тасымалданады. Газ жоғары температуралық реакция камерасында әрекеттескеннен кейін прекурсордың бір бөлігі химиялық реакцияға түсіп, пластинаның бетінде адсорбцияланады және белгілі бір қоспалы концентрациясы, меншікті қалыңдығы және сапасы жоғары бір кристалды біртекті 4H-SiC эпитаксиалды қабаты түзіледі. шаблон ретінде монокристалды 4H-SiC субстратын пайдаланып субстрат бетінде. Көптеген жылдар бойы жүргізілген техникалық зерттеулерден кейін 4H-SiC гомоэпитаксиалды технологиясы негізінен жетілді және өнеркәсіптік өндірісте кеңінен қолданылады. Әлемде ең көп қолданылатын 4H-SiC гомоэпитаксиалды технологиясының екі типтік сипаттамасы бар: (1) осьтен тыс (<0001> кристалдық жазықтыққа қатысты, <11-20> кристалдық бағытқа қарай) қиғаш кесілген субстратты пайдалану. шаблон бойынша, қоспасыз жоғары таза кристалды 4H-SiC эпитаксиалды қабаты қадамдық өсу режимі түрінде субстратқа қойылады. Ерте 4H-SiC гомоэпитаксиалды өсуі оң кристалды субстратты, яғни өсу үшін <0001> Si жазықтығын пайдаланды. Оң кристалды субстрат бетіндегі атомдық қадамдардың тығыздығы төмен және террассалар кең. 3С кристалды SiC (3C-SiC) түзу үшін эпитаксистік процесс кезінде екі өлшемді нуклеацияның өсуі оңай болады. Осьтен тыс кесу арқылы 4H-SiC <0001> субстратының бетіне жоғары тығыздықты, тар террассалық ені атомдық қадамдарды енгізуге болады және адсорбцияланған прекурсор беттік диффузия арқылы салыстырмалы түрде төмен беттік энергиямен атомдық қадам позициясына тиімді жете алады. . Қадамда прекурсордың атом/молекулярлық топпен байланысу орны ерекше, сондықтан қадамдық ағынның өсу режимінде эпитаксиалды қабат бірдей кристалы бар бір кристалды қалыптастыру үшін субстраттың Si-C қос атомдық қабатының қабаттасу ретін тамаша мұра ете алады. фаза субстрат ретінде. (2) Жоғары жылдамдықтағы эпитаксиалды өсуге хлоры бар кремний көзін енгізу арқылы қол жеткізіледі. Кәдімгі SiC химиялық бу тұндыру жүйелерінде силан және пропан (немесе этилен) негізгі өсу көздері болып табылады. Өсу көзінің ағынының жылдамдығын арттыру арқылы өсу қарқынын арттыру процесінде кремний құрамдас бөлігінің тепе-теңдік парциалды қысымы артуын жалғастыруда, біртекті газ фазасының ядролануы арқылы кремний кластерлерін құру оңай, бұл кремнийдің пайдалану жылдамдығын айтарлықтай төмендетеді. кремний көзі. Кремний шоғырларының түзілуі эпитаксиалды өсу қарқынының жақсаруын айтарлықтай шектейді. Сонымен қатар, кремний кластерлері қадамдық ағынның өсуін бұзып, ақау нуклеациясын тудыруы мүмкін. Біртекті газ фазасының ядролануын болдырмау және эпитаксиалды өсу жылдамдығын арттыру үшін хлор негізіндегі кремний көздерін енгізу қазіргі уақытта 4H-SiC эпитаксиалды өсу жылдамдығын арттырудың негізгі әдісі болып табылады.

1,2 200 мм (8 дюйм) SiC эпитаксистік жабдық және процесс шарттары

Осы құжатта сипатталған эксперименттердің барлығы 150/200 мм (6/8 дюйм) үйлесімді монолитті көлденең ыстық қабырға SiC эпитаксистік жабдығында China Electronics Technology Group корпорациясының 48-ші институты дербес әзірлеген. Эпитаксиалды пеш толығымен автоматты вафлиді тиеу және түсіруді қолдайды. 1-суретте эпитаксиалды аппаратураның реакциялық камерасының ішкі құрылымының принципиалды сұлбасы берілген. 1-суретте көрсетілгендей, реакциялық камераның сыртқы қабырғасы сумен салқындатылатын аралық қабаты бар кварцты қоңырау, ал қоңыраудың ішкі жағы жылу оқшаулағыш көміртекті киізден, жоғары тазалықтағы жоғары температуралы реакциялық камерадан тұрады. арнайы графит қуысы, графитті газбен жүзетін айналмалы негіз және т.б.. Бүкіл кварц қоңырауы цилиндрлік индукциялық катушкамен жабылған, ал қоңыраудың ішіндегі реакция камерасы орташа жиілікті индукциялық қоректендіру көзі арқылы электромагниттік қыздырылған. 1(b)-суретте көрсетілгендей, тасымалдаушы газ, реакциялық газ және қоспалы газ барлығы реакция камерасының жоғарғы ағынынан реакция камерасының төменгі ағынына дейін көлденең ламинарлы ағынмен пластинаның беті арқылы ағып, құйрықтан шығарылады. газ соңы. Вафлидегі консистенцияны қамтамасыз ету үшін ауада қалқымалы негіз арқылы тасымалданатын пластинаны процесс барысында әрқашан айналдырады.

Тәжірибеде пайдаланылатын субстрат коммерциялық 150 мм, 200 мм (6 дюйм, 8 дюйм) <1120> бағыты 4° бұрыштан тыс өткізгіш n-типті 4H-SiC екі жақты жылтыратылған SiC субстраты Shanxi Shuoke Crystal шығарған. Технологиялық тәжірибеде негізгі өсу көздері ретінде трихлоросилан (SiHCl3, TCS) және этилен (C2H4) пайдаланылады, олардың ішінде кремний көзі және көміртегі көзі ретінде TCS және C2H4, n- ретінде жоғары таза азот (N2) пайдаланылады. қоспа көзі түрі, ал сутегі (Н2) сұйылту газы және тасымалдаушы газ ретінде пайдаланылады. Эпитаксистік процестің температура диапазоны 1 600 ~ 1 660 ℃, технологиялық қысым 8 × 103 ~ 12 × 103 Па және H2 тасымалдаушы газ ағынының жылдамдығы 100 ~ 140 л/мин.

1.3 Эпитаксиалды пластинаны сынау және сипаттамасы

Фурье инфрақызыл спектрометрі (жабдық өндірушісі Thermalfisher, iS50 моделі) және сынап зондының концентрациясын сынаушы (жабдық өндірушісі Semilab, 530L үлгісі) эпитаксиалды қабат қалыңдығы мен қоспа концентрациясының орташа мәні мен таралуын сипаттау үшін пайдаланылды; эпитаксиалды қабаттағы әрбір нүктенің қалыңдығы мен легирлеу концентрациясы 5 мм жиегін алып тастау арқылы пластинаның ортасында 45° негізгі тірек жиегінің қалыпты сызығымен қиылысатын диаметр сызығының бойындағы нүктелерді алу арқылы анықталды. 150 мм пластинка үшін бір диаметрлі сызық бойымен 9 нүкте алынды (екі диаметр бір-біріне перпендикуляр), ал 200 мм пластина үшін 21 нүкте алынды, 2-суретте көрсетілгендей. Атомдық күш микроскобы (жабдық өндірушісі). Bruker, Model Dimension Icon) эпитаксиалды қабаттың бетінің кедір-бұдырлығын сынау үшін эпитаксиалды пластинаның орталық аймағындағы 30 мкм×30 мкм аумақтарды және жиекті аймақты (5 мм жиегін жою) таңдау үшін пайдаланылды; эпитаксиалды қабаттың ақаулары сипаттау үшін беттік ақауларды сынаушы (жабдық өндірушісі China Electronics Kefenghua, Mars 4410 pro моделі) арқылы өлшенді.

2 Эксперимент нәтижелері және талқылау

2.1 Эпитаксиальды қабаттың қалыңдығы және біркелкілігі

Эпитаксиалды қабаттың қалыңдығы, қоспа концентрациясы және біркелкілігі эпитаксиалды пластинаның сапасын бағалаудың негізгі көрсеткіштерінің бірі болып табылады. Дәл бақыланатын қалыңдық, қоспаның концентрациясы және пластинаның ішіндегі біркелкілігі SiC қуат құрылғыларының өнімділігі мен дәйектілігін қамтамасыз етудің кілті болып табылады, ал эпитаксиалды қабаттың қалыңдығы мен қоспа концентрациясының біркелкілігі де эпитаксиалды жабдықтың технологиялық қабілетін өлшеудің маңызды негіздері болып табылады.

3-суретте 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластинкалардың қалыңдығының біркелкілігі мен таралу қисығы көрсетілген. Суреттен эпитаксиалды қабат қалыңдығының таралу қисығы пластинаның орталық нүктесіне қатысты симметриялы екенін көруге болады. Эпитаксиалды процестің уақыты 600 с, 150 мм эпитаксиалды пластинаның орташа эпитаксиалды қабатының қалыңдығы 10,89 мкм, қалыңдығының біркелкілігі 1,05%. Есептеу бойынша эпитаксиалды өсу жылдамдығы 65,3 мкм/сағ құрайды, бұл эпитаксиалды процестің типтік жылдам деңгейі. Дәл сол эпитаксиалды процесс уақытында 200 мм эпитаксиалды пластинаның эпитаксиалды қабатының қалыңдығы 10,10 мкм, қалыңдығының біркелкілігі 1,36% шегінде және жалпы өсу жылдамдығы 60,60 мкм/сағ құрайды, бұл 150 мм эпитаксиалды өсуден сәл төмен. мөлшерлемесі. Өйткені кремний көзі мен көміртегі көзі реакциялық камераның жоғары ағынынан пластинаның беті арқылы реакция камерасының төменгі ағынына ағып жатқанда және 200 мм пластинаның ауданы 150 мм-ден үлкен болса, жолда айқын жоғалту болады. Газ 200 мм пластинаның беті арқылы ұзағырақ қашықтыққа ағып кетеді, ал жол бойында тұтынылатын бастапқы газ көбірек. Вафли үнемі айналу жағдайында эпитаксиалды қабаттың жалпы қалыңдығы жұқа болады, сондықтан өсу қарқыны баяу. Жалпы алғанда, 150 мм және 200 мм эпитаксиалды пластинаның қалыңдығының біркелкілігі өте жақсы және жабдықтың технологиялық мүмкіндігі жоғары сапалы құрылғылардың талаптарына жауап бере алады.

2.2 Эпитаксиалды қабаттың легирленген концентрациясы және біркелкілігі

4-суретте 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластинкаларының қоспа концентрациясының біркелкілігі мен қисық таралуы көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, эпитаксиалды пластинкадағы концентрацияның таралу қисығы пластинаның ортасына қатысты айқын симметрияға ие. 150 мм және 200 мм эпитаксиалды қабаттардың легирлеуші ​​концентрациясының біркелкілігі сәйкесінше 2,80% және 2,66% құрайды, бұл 3% шегінде бақылауға болады, бұл халықаралық ұқсас жабдықтар арасында тамаша деңгей. Эпитаксиалды қабаттың легирлеуші ​​концентрация қисығы диаметр бағыты бойынша «W» пішінінде бөлінеді, ол негізінен көлденең ыстық қабырғалы эпитаксиалды пештің ағынының өрісімен анықталады, өйткені көлденең ауа ағынының эпитаксиалды өсу пешінің ауа ағынының бағыты ауа кіретін ұшы (жоғары ағын) және пластинаның беті арқылы ламинарлы ағынмен төменгі ағысынан шығады; көміртегі көзінің (C2H4) «жол бойындағы сарқылу» жылдамдығы кремний көзінен (TCS) жоғары болғандықтан, вафли айналғанда, пластинаның бетіндегі нақты C/Si шетінен бірте-бірте төмендейді. орталық (орталықтағы көміртегі көзі аз), C және N «бәсекелестік позиция теориясына» сәйкес, пластинаның ортасында легирлеу концентрациясы шетіне қарай біртіндеп төмендейді. Концентрацияның тамаша біркелкілігін алу үшін N2 жиегі эпитаксистік процесс кезінде қоспа концентрациясының орталықтан шетке қарай төмендеуін баяулату үшін өтемақы ретінде қосылады, осылайша соңғы легирлеу концентрациясының қисығы «W» пішінін көрсетеді.

2.3 Эпитаксиальды қабат ақаулары

Қалыңдығы мен қоспалау концентрациясынан басқа, эпитаксиалды қабат ақауларын бақылау деңгейі де эпитаксиалды пластинаның сапасын өлшеудің негізгі параметрі және эпитаксиалды жабдықтың технологиялық қабілетінің маңызды көрсеткіші болып табылады. SBD және MOSFET ақауларға қойылатын әртүрлі талаптарға ие болғанымен, түсу ақаулары, үшбұрыш ақаулары, сәбіз ақаулары және комета ақаулары сияқты айқынырақ беттік морфологиялық ақаулар SBD және MOSFET құрылғылары үшін өлтіруші ақаулар ретінде анықталады. Осы ақаулары бар чиптердің істен шығу ықтималдығы жоғары, сондықтан өлтіретін ақаулардың санын бақылау чип шығымдылығын арттыру және шығындарды азайту үшін өте маңызды. 5-суретте 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластинкалардың киллер ақауларының таралуы көрсетілген. C/Si қатынасында айқын теңгерімсіздік болмаған жағдайда, сәбіз ақаулары мен комета ақауларын негізінен жоюға болады, ал құлау ақаулары мен үшбұрыш ақаулары эпитаксиалды жабдықты пайдалану кезінде тазалықты бақылауға, графиттің қоспа деңгейіне байланысты. реакция камерасындағы бөлшектер және субстрат сапасы. 2-кестеден біз 150 мм және 200 мм эпитаксиалды пластинаның өлімге әкелетін ақаулық тығыздығын 0,3 бөлшектер/см2 шегінде бақылауға болатынын көреміз, бұл жабдықтың бір түрі үшін тамаша деңгей. 150 мм эпитаксиалды пластинаның өлімге әкелетін ақау тығыздығын бақылау деңгейі 200 мм эпитаксиалды пластинкаға қарағанда жақсырақ. Себебі 150 мм субстратты дайындау процесі 200 мм-ге қарағанда пісіп-жетілген, субстрат сапасы жақсырақ, ал 150 мм графит реакция камерасының қоспаны бақылау деңгейі жақсы.

2.4 Эпитаксиалды пластинаның бетінің кедір-бұдырлығы

6-суретте 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластиналар бетінің AFM кескіндері көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, 150 мм және 200 мм эпитаксиалды пластинаның беткі түбірінің орташа квадраттық кедір-бұдырлығы Ra сәйкесінше 0,129 нм және 0,113 нм құрайды, ал эпитаксиалды қабаттың беті тегіс, айқын макро-қадамдық агрегация құбылысы жоқ, ол эпитаксиалды қабаттың өсуі барлық эпитаксиалды процесте әрқашан қадамдық ағынның өсу режимін сақтайтынын көрсетеді және қадамдық агрегация болмайды. Оңтайландырылған эпитаксиалды өсу процесін қолдану арқылы 150 мм және 200 мм төмен бұрышты субстраттарда тегіс беті бар эпитаксиалды қабат алуға болатынын көруге болады.

3. Қорытындылар

150 мм және 200 мм 4H-SiC гомоэпитаксиалды пластиналар отандық субстраттарда өздігінен әзірленген 200 мм SiC эпитаксиалды өсіру жабдығын пайдаланып сәтті дайындалды және 150 мм және 200 мм үшін қолайлы гомоэпитаксиалды процесс әзірленді. Эпитаксиалды өсу жылдамдығы 60 мкм/сағ жоғары болуы мүмкін. Жоғары жылдамдықтағы эпитаксиялық талаптарды қанағаттандыра отырып, эпитаксиалды пластинаның сапасы тамаша. 150 мм және 200 мм SiC эпитаксиалды пластинкалардың қалыңдығының біркелкілігін 1,5% шегінде бақылауға болады, концентрацияның біркелкілігі 3% -дан аз, өлімге әкелетін ақаудың тығыздығы 0,3 бөлшектер/см2-ден аз, ал эпитаксистік беттің кедір-бұдырының орташа квадраты Ra 0,15 нм-ден аз. Эпитаксиалды пластинаның негізгі технологиялық көрсеткіштері өнеркәсіпте озық деңгейде.

------------------------------------------------- ------------------------------------------------- ------------------------------------------------- ------------------------------------------------- ------------------------------------------------- ---------------------------------

VeTek Semiconductor - бұл қытайлық кәсіпқой өндірушіCVD SiC қапталған төбе, CVD SiC жабатын саптама, жәнеSiC жабынының кіріс сақинасы.  VeTek Semiconductor компаниясы жартылай өткізгіштер өнеркәсібіне арналған әртүрлі SiC Wafer өнімдері үшін озық шешімдерді ұсынуға ұмтылады.

Егер сізді қызықтырса8 дюймдік SiC эпитаксиалды пеші және гомоэпитаксиалды процесс, бізбен тікелей байланысыңыз.

Моб: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

Электрондық пошта: anny@veteksemi.com