8 hazbeteko SiC labe epitaxiala eta prozesu homoepitaxialaren ikerketa

Gaur egun, SiC industria 150 mm (6 hazbete) izatetik 200 mm (8 hazbete) izatera pasatzen ari da. Industrian tamaina handiko eta kalitate handiko SiC homoepitaxial obleen premiazko eskariari erantzuteko, 150 mm eta 200 mm 4H-SiC homoepitaxial obleak arrakastaz prestatu ziren etxeko substratuetan, independenteki garatutako 200 mm SiC epitaxial hazkuntza ekipamendua erabiliz. 150 mm eta 200 mm-rako egokia den prozesu homoepitaxial bat garatu zen, non epitaxiaren hazkunde-tasa 60 μm/h baino handiagoa izan daitekeen. Abiadura handiko epitaxia betetzen den bitartean, obleen epitaxiaren kalitatea bikaina da. 150 mm eta 200 mm SiC epitaxial obleen lodiera-uniformitatea % 1,5ean kontrola daiteke, kontzentrazio-uniformetasuna % 3 baino txikiagoa da, akats hilgarriaren dentsitatea 0,3 partikula/cm2 baino txikiagoa da eta epitaxiaren gainazaleko zimurtasunaren erro batez besteko karratua Ra da. 0,15 nm baino gutxiago, eta oinarrizko prozesu-adierazle guztiak industriaren maila aurreratuan daude.

Silizio karburoa (SiC) hirugarren belaunaldiko material erdieroaleen ordezkarietako bat da. Matxura-eremuaren indar handia, eroankortasun termiko bikaina, elektroien saturazio-abiadura handia eta erradiazio-erresistentzia handia ditu. Asko zabaldu du potentzia-gailuen energia prozesatzeko ahalmena eta potentzia handiko ekipamendu elektronikoen belaunaldiko hurrengo belaunaldiko zerbitzu-eskakizunak bete ditzake potentzia handiko, tamaina txikiko, tenperatura altuko, erradiazio handiko eta muturreko beste baldintza batzuk dituzten gailuetarako. Espazioa murriztu dezake, energia-kontsumoa murriztu eta hozte-eskakizunak murrizten ditu. Aldaketa iraultzaileak ekarri ditu energia-ibilgailu berrietan, trenbide-garraioan, sare adimendunetan eta beste alor batzuetan. Hori dela eta, silizio karburoaren erdieroaleak potentzia handiko potentzia handiko gailu elektronikoen hurrengo belaunaldia eramango duen material ezin hobea dela aitortu dute. Azken urteotan, hirugarren belaunaldiko erdieroaleen industria garatzeko politika nazionalaren laguntzari esker, 150 mm-ko SiC gailuen industria sistemaren ikerketa eta garapena eta eraikuntza Txinan amaitu dira funtsean, eta industria-katearen segurtasuna izan da. funtsean bermatuta dago. Hori dela eta, industriaren arreta pixkanaka kostuen kontrolera eta eraginkortasuna hobetzera aldatu da. 1. taulan erakusten den bezala, 150 mm-rekin alderatuta, 200 mm SiC-k ertzaren erabilera-tasa handiagoa du, eta oblea txip bakarren irteera 1,8 aldiz handitu daiteke. Teknologia heldu ondoren, txip bakar baten fabrikazio kostua % 30 murriztu daiteke. 200 mm-ko aurrerapen teknologikoa "kostuak murrizteko eta eraginkortasuna areagotzeko" bide zuzena da, eta nire herrialdeko erdieroaleen industriak "paraleloan" edo are "burua" izateko gakoa ere bada.

Si gailuaren prozesuaren aldean, SiC erdieroaleen potentzia-gailuak geruza epitaxialak oinarri gisa prozesatu eta prestatzen dira. Epitaxial obleak funtsezko oinarrizko materialak dira SiC potentzia-gailuetarako. Geruza epitaxialaren kalitateak zuzenean zehazten du gailuaren etekina, eta bere kostua txiparen fabrikazio kostuaren %20 da. Hori dela eta, hazkunde epitaxiala ezinbesteko tarteko lotura bat da SiC potentzia-gailuetan. Prozesu epitaxialaren mailaren goiko muga ekipamendu epitaxialak zehazten du. Gaur egun, etxeko 150 mm SiC epitaxial ekipoen lokalizazio-maila nahiko altua da, baina 200 mm-ko diseinu orokorra nazioarteko mailaren atzetik geratzen da aldi berean. Hori dela eta, etxeko hirugarren belaunaldiko erdieroaleen industria garatzeko tamaina handiko eta kalitate handiko material epitaxialaren fabrikazioaren premiazko beharrak eta botila-lepoko arazoak konpontzeko, dokumentu honek nire herrialdean arrakastaz garatutako 200 mm-ko SiC epitaxial ekipamendua aurkezten du, eta prozesu epitaxiala aztertzen du. Prozesuaren parametroak optimizatuz, hala nola, prozesuaren tenperatura, gas garraiolariaren emaria, C/Si erlazioa, etab., kontzentrazio-uniformitatea <3%, lodiera ez-uniformitatea <1,5%, zimurtasuna Ra <0,2 nm eta akats hilgarrien dentsitatea <0,3 partikula. /cm2-ko 150 mm eta 200 mm-ko SiC-ko obleak epitaxialak lortzen dira, 200 mm-ko silizio-karburoko labe epitaxial autogaratua dutenak. Ekipamenduaren prozesu-mailak kalitate handiko SiC potentzia-gailuen prestaketa beharrak ase ditzake.

1 Esperimentuak

1.1 SiC prozesu epitaxialaren printzipioa

4H-SiC hazkuntza homoepitaxialaren prozesuak 2 funtsezko urrats biltzen ditu batez ere, hots, 4H-SiC substratuaren in situ tenperatura altuko grabaketa eta lurrun kimikoen jalkitze prozesu homogeneoa. Substratu in-situ grabatzearen helburu nagusia obleak leuntzeko, hondar leuntzeko likidoa, partikulak eta oxido-geruza ondoren substratuaren gainazaleko kalteak kentzea da, eta grabatu bidez substratuaren gainazalean urrats atomiko erregular egitura bat sor daiteke. In situ grabazioa hidrogeno-atmosferan egiten da normalean. Prozesuaren benetako eskakizunen arabera, gas laguntzaile kopuru txiki bat ere gehi daiteke, hala nola hidrogeno kloruroa, propanoa, etilenoa edo silanoa. In situ hidrogeno-grabaketaren tenperatura 1 600 ℃ baino gehiagokoa da, eta erreakzio-ganberaren presioa 2 × 104 Pa azpitik kontrolatzen da, oro har, grabaketa-prozesuan.

Substratuaren gainazala in-situ grabaketa bidez aktibatu ondoren, tenperatura altuko lurrun kimikoen jalkitze-prozesuan sartzen da, hau da, hazkuntza-iturria (adibidez, etilenoa/propanoa, TCS/silanoa), dopa-iturria (n motako doping-iturri nitrogenoa). , p motako doping-iturria TMAl), eta gas laguntzailea, hala nola hidrogeno kloruroa, erreakzio-ganberara garraiatzen dira gas eramailearen fluxu handi baten bidez (normalean hidrogenoa). Gasak tenperatura altuko erreakzio-ganberan erreakzionatu ondoren, aitzindariaren zati batek kimikoki erreakzionatzen du eta obleen gainazalean xurgatzen du, eta kristal bakarreko 4H-SiC geruza epitaxial homogeneoa sortzen da, dopin-kontzentrazio zehatza, lodiera espezifikoa eta kalitate handiagoa duena. substratuaren gainazalean kristal bakarreko 4H-SiC substratua txantiloi gisa erabiliz. Urteetako esplorazio teknikoaren ondoren, 4H-SiC homoepitaxial teknologia funtsean heldu da eta oso erabilia da industria-ekoizpenean. Munduan gehien erabiltzen den 4H-SiC homoepitaxial teknologiak bi ezaugarri tipiko ditu: (1) Ardatz kanpoko bat erabiltzea (<0001> kristal-planoari dagokionez, <11-20> kristalaren norabiderantz) ebaki zeiharkako substratu gisa. txantiloia, purutasun handiko kristal bakarreko 4H-SiC geruza epitaxiala ezpurutasunik gabekoa substratuan jalkitzen da urrats-fluxuaren hazkuntza moduan. 4H-SiC hasierako hazkunde homoepitaxialak kristalezko substratu positiboa erabili zuen, hau da, <0001> Si planoa hazteko. Kristal positiboaren substratuaren gainazaleko urrats atomikoen dentsitatea baxua da eta terrazak zabalak dira. Bi dimentsioko nukleazio-hazkundea erraza da epitaxia prozesuan 3C kristal SiC (3C-SiC) eratzeko. Ardatz kanpoko ebaketaren bidez, dentsitate handiko eta terraza-zabalera estuko urrats atomikoak sar daitezke 4H-SiC <0001> substratuaren gainazalean, eta adsorbatutako aitzindaria modu eraginkorrean irits daiteke urrats atomikoaren posiziora gainazaleko energia nahiko baxuarekin gainazaleko difusioaren bidez. . Urratsean, atomo aitzindari/talde molekularraren lotura-posizioa bakarra da, beraz, urrats-fluxuaren hazkuntza-moduan, geruza epitaxialak ezin hobeto hereda dezake substratuaren Si-C geruza atomiko bikoitzeko pilaketa-sekuentzia kristal berdinarekin kristal bakar bat osatzeko. fasea substratu gisa. (2) Abiadura handiko hazkunde epitaxiala kloroa duen silizio iturri bat sartuz lortzen da. SiC lurrun-jadaketa kimikoko sistema konbentzionaletan, silanoa eta propanoa (edo etilenoa) dira hazkunde-iturri nagusiak. Hazkunde-tasa handitzeko prozesuan, hazkuntza-iturriaren emaria handituz, silizio-osagaiaren oreka-presio partziala handitzen doan heinean, erraza da silizio-multzoa sortzea gas fase homogeneoaren nukleazioarekin, eta horrek nabarmen murrizten du erabilera-tasa. silizio iturria. Silizio-multzoen eraketak asko mugatzen du epitaxiaren hazkunde-tasa hobetzea. Aldi berean, silizio-multzoek urrats-fluxuaren hazkundea oztopatu dezakete eta akatsen nukleazioa eragin dezakete. Gas-fasearen nukleazio homogeneoa saihesteko eta epitaxiaren hazkunde-tasa areagotzeko, kloroan oinarritutako silizio iturriak sartzea da gaur egun 4H-SiC-ren epitaxia-hazkuntza-tasa handitzeko metodo nagusia.

1,2 200 mm (8 hazbeteko) SiC epitaxial ekipamendua eta prozesu-baldintzak

Artikulu honetan deskribatutako esperimentuak guztiak 150/200 mm (6/8 hazbeteko) bateragarria den SiC horma bero horizontal monolitikoko ekipo epitaxial batean egin ziren, 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation-ek independenteki garatuta. Labe epitaxialak obleen karga eta deskarga guztiz automatikoak onartzen ditu. 1. irudia ekipamendu epitaxialaren erreakzio-ganberaren barne-egituraren diagrama eskematiko bat da. 1. Irudian ikusten den bezala, erreakzio-ganberaren kanpoko horma kuartzozko kanpai bat da, urarekin hoztutako geruza batekin, eta kanpaiaren barrualdea tenperatura altuko erreakzio-ganbera bat da, isolamendu termikoko karbono-feltroz ​​osatua, purutasun handikoa. grafitozko barrunbe berezia, grafitozko gas flotatzen duen oinarri birakaria, etab. Kuartzozko kanpai osoa indukzio bobina zilindriko batez estalita dago, eta kanpai barruko erreakzio-ganbera elektromagnetikoki berotzen da maiztasun ertaineko indukzio-hornidura baten bidez. 1 (b) Irudian erakusten den moduan, gas eramailea, erreakzio gasa eta doping-gasa oblearen gainazaletik igarotzen da fluxu laminar horizontal batean erreakzio-ganberaren goratik erreakzio-ganberaren urpean beherantz eta isatsetik isurtzen dira. gas muturra. Oblearen barneko koherentzia bermatzeko, airearen oinarri flotatzaileak daraman oblea beti biratzen da prozesuan zehar.

Esperimentuan erabilitako substratua 150 mm, 200 mm (6 hazbete, 8 hazbete) <1120> norabideko 4° off-angelu eroaleko n-mota 4H-SiC alde bikoitzeko leundutako SiC substratu komertziala da, Shanxi Shuoke Crystal-ek ekoitzitako. Triklorosilanoa (SiHCl3, TCS) eta etilenoa (C2H4) hazkuntza-iturri nagusi gisa erabiltzen dira prozesuko esperimentuan, horien artean TCS eta C2H4 silizio iturri gisa eta karbono iturri gisa erabiltzen dira hurrenez hurren, purutasun handiko nitrogenoa (N2) n- gisa erabiltzen da. motako doping iturria, eta hidrogenoa (H2) diluzio-gas eta gas eramaile gisa erabiltzen da. Prozesu epitaxialaren tenperatura-tartea 1 600 ~ 1 660 ℃ da, prozesuaren presioa 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa da eta H2 eramailearen gasaren emaria 100 ~ 140 L/min da.

1.3 Ostia epitaxialaren proba eta karakterizazioa

Fourier infragorri espektrometroa (ekipamendu-fabrikatzailea Thermalfisher, iS50 modeloa) eta merkurio-zunda-kontzentrazio-probatzailea (ekipamendu-ekoizlea Semilab, 530L eredua) geruza epitaxialaren lodieraren eta dopinaren kontzentrazioen batez besteko eta banaketa ezaugarritzeko erabili ziren; geruza epitaxialeko puntu bakoitzaren lodiera eta doping-kontzentrazioa erreferentzia-ertz nagusiaren lerro normala 45°-tan ebakitzen duten diametro-lerroan zehar puntuak hartuz zehaztu ziren oblearen erdigunean 5 mm-ko ertza kenduz. 150 mm-ko oblea baterako, 9 puntu hartu ziren diametro bakarreko marra batean (bi diametroak elkarren perpendikularrak ziren), eta 200 mm-ko oblean, 21 puntu hartu ziren, 2. Irudian ikusten den moduan. Indar atomikoko mikroskopio bat (ekipamenduaren fabrikatzailea). Bruker, eredua Dimension Icon) erdiko eremuan 30 μm × 30 μm eremuak eta ertzaren eremua (5 mm-ko ertzak kentzea) ostia epitaxialaren hautatzeko erabili zen, geruza epitaxialaren gainazaleko zimurtasuna probatzeko; geruza epitaxialaren akatsak gainazaleko akatsen probatzaile baten bidez neurtu ziren (ekipamendu fabrikatzailea China Electronics Kefenghua, Mars 4410 pro modeloa) karakterizatzeko.

2 Emaitza esperimentalak eta eztabaida

2.1 Geruza epitaxialaren lodiera eta uniformetasuna

Geruza epitaxialaren lodiera, dopin-kontzentrazioa eta uniformetasuna dira epitaxial obleen kalitatea epaitzeko adierazle nagusietako bat. Zehaztasunez kontrola daitekeen lodiera, oblearen barneko dopin-kontzentrazioa eta uniformetasuna SiC potentzia-gailuen errendimendua eta koherentzia bermatzeko gakoa dira, eta epitaxiaren geruza-lodiera eta dopin-kontzentrazio-uniformitatea ere oinarri garrantzitsuak dira epitaxial ekipamenduen prozesu-gaitasuna neurtzeko.

3. irudiak 150 mm eta 200 mm SiC oble epitaxialen lodiera-uniformitatea eta banaketa-kurba erakusten ditu. Irudian ikus daiteke geruza epitaxialaren lodieraren banaketa-kurba oblearen erdiko puntuarekiko simetrikoa dela. Prozesu epitaxialaren denbora 600 s-koa da, 150 mm-ko oble epitaxialaren batez besteko geruza epitaxialaren lodiera 10,89 μm da eta lodieraren uniformetasuna % 1,05 da. Kalkuluen arabera, epitaxiaren hazkunde-tasa 65,3 μm/h-koa da, hau da, prozesu epitaxial azkarren ohiko maila. Prozesu epitaxialaren denbora berean, 200 mm-ko oble epitaxialaren geruza epitaxialaren lodiera 10,10 μm da, lodieraren uniformetasuna % 1,36 barruan dago eta hazkunde-tasa orokorra 60,60 μm/h-koa da, hau da, 150 mm-ko hazkunde epitaxiala baino apur bat txikiagoa. tasa. Hau da, bidean galera nabaria dagoelako silizio-iturria eta karbono-iturria erreakzio-ganberaren gorantik oblearen gainazaletik erreakzio-ganberaren ur-beherantz isurtzen direnean, eta 200 mm-ko oblearen azalera 150 mm-koa baino handiagoa denean. Gasa 200 mm-ko oblearen gainazaletik igarotzen da distantzia luzeagoan, eta bidean kontsumitzen den iturriko gasa handiagoa da. Obleak biratzen jarraitzen duen baldintzapean, geruza epitaxialaren lodiera orokorra meheagoa da, beraz, hazkunde-tasa motelagoa da. Orokorrean, 150 mm eta 200 mm-ko obleen epitaxialen lodiera-uniformitatea bikaina da eta ekipamenduaren prozesu-gaitasunak kalitate handiko gailuen eskakizunak bete ditzake.

2.2 Geruza epitaxialeko dopinaren kontzentrazioa eta uniformitatea

4. irudiak 150 mm eta 200 mm SiC oble epitaxialen dopin-kontzentrazioen uniformetasuna eta kurba banaketa erakusten ditu. Irudian ikus daitekeenez, oblea epitaxialeko kontzentrazio-banaketaren kurbak oblearen zentroarekiko simetria nabaria du. 150 mm eta 200 mm geruza epitaxialen dopin-kontzentrazio-uniformitatea % 2,80 eta % 2,66koa da hurrenez hurren, % 3an kontrola daitekeena, maila bikaina da nazioarteko antzeko ekipoen artean. Geruza epitaxialaren dopin-kontzentrazio-kurba "W" forman banatzen da diametroaren norabidean zehar, horma bero horizontaleko labe epitaxialaren fluxu-eremuak batez ere zehazten duena, aire-fluxuaren hazkuntzako labe horizontalaren aire-fluxuaren norabidea delako. airearen sarrerako muturra (urtean gora) eta beherako muturretik kanpora isurtzen da obleen gainazalean zehar jario laminarrean; karbono-iturriaren (C2H4) "bidean agortzeko" tasa silizio-iturriaren (TCS) baino handiagoa denez, oblea biratzen denean, oblearen gainazaleko benetako C/Si-a pixkanaka txikitzen da ertzetik. zentroan (erdian dagoen karbono-iturria txikiagoa da), C eta N-ren "posizio lehiakorren teoriaren" arabera, oblearen erdiko dopin-kontzentrazioa pixkanaka txikitzen da ertzerantz. Kontzentrazio-uniformitate bikaina lortzeko, N2 ertza gehitzen da konpentsazio gisa prozesu epitaxialean, dopin-kontzentrazio-kontzentrazioa erdigunetik ertzera jaitsiera moteltzeko, azken dopin-kontzentrazio-kurbak "W" forma izan dezan.

2.3 Geruza epitaxialaren akatsak

Lodiera eta dopin-kontzentrazioaz gain, geruza epitaxialaren akatsen kontrolaren maila epitaxial obleen kalitatea neurtzeko oinarrizko parametroa da eta epitaxial ekipoen prozesu-gaitasunaren adierazle garrantzitsu bat ere bada. SBD eta MOSFET-ek akatsetarako baldintza desberdinak dituzten arren, gainazaleko morfologia-akats nabarmenagoak, hala nola tanta-akatsak, triangelu-akatsak, azenario-akatsak eta kometa-akatsak akats hiltzaile gisa definitzen dira SBD eta MOSFET gailuentzat. Akats horiek dituzten txipak porrot egiteko probabilitatea handia da, beraz, akats hiltzaileen kopurua kontrolatzea oso garrantzitsua da txiparen etekina hobetzeko eta kostuak murrizteko. 5. irudiak 150 mm eta 200 mm SiC epitaxial obleen akats hiltzaileen banaketa erakusten du. C/Si ratioan desoreka agerikorik ez dagoen baldintzapean, azenarioen akatsak eta kometaren akatsak ezabatu daitezke funtsean, eta tanta akatsak eta triangelu akatsak epitaxial ekipamenduaren funtzionamenduan garbitasun-kontrolarekin lotuta dauden bitartean, grafitoaren ezpurutasun-maila. erreakzio-ganberako piezak, eta substratuaren kalitatea. 2. taulan, ikus dezakegu 150 mm eta 200 mm-ko oble epitaxialen akats hilgarrien dentsitatea 0,3 partikula/cm2-ren barruan kontrola daitekeela, hau da, maila bikaina ekipo mota bererako. 150 mm-ko oblea epitaxialaren akats hilgarrien dentsitatea kontrolatzeko maila hobea da 200 mm-ko oblea epitaxialarena baino. Hau da, 150 mm-ko substratua prestatzeko prozesua 200 mm-koa baino helduagoa delako, substratuaren kalitatea hobea da eta 150 mm-ko grafitoaren erreakzio-ganberaren ezpurutasun-kontrol maila hobea da.

2.4 Oblea epitaxialaren gainazaleko zimurtasuna

6. irudiak 150 mm eta 200 mm SiC epitaxial obleen gainazaleko AFM irudiak erakusten ditu. Irudian ikus daitekeenez, 150 mm eta 200 mm-ko oble epitaxialen Ra azaleko erroaren batez besteko zimurtasun karratua 0,129 nm eta 0,113 nm da, hurrenez hurren, eta geruza epitaxialaren gainazala leuna da, makro-urratsen agregazio-fenomeno nabaririk gabe. adierazten du geruza epitaxialaren hazkuntzak prozesu epitaxial osoan zehar urrats-fluxuaren hazkuntza modua mantentzen duela beti, eta ez da pauso-agregaziorik gertatzen. Ikusten denez, gainazal leuna duen geruza epitaxiala angelu baxuko 150 mm eta 200 mm-ko substratuetan lor daitekeela epitaxial-hazkuntza-prozesu optimizatua erabiliz.

3. Ondorioak

150 mm eta 200 mm 4H-SiC obleak homoepitaxialak arrakastaz prestatu ziren etxeko substratuetan 200 mm-ko SiC hazkuntza epitaxial-ekipamendu auto-garatua erabiliz, eta 150 mm eta 200 mm-rako egokia den prozesu homoepitaxial bat garatu zen. Hazkunde epitaxiala 60 μm/h baino handiagoa izan daiteke. Abiadura handiko epitaxiaren eskakizuna betetzen duen bitartean, obleen epitaxiaren kalitatea bikaina da. 150 mm eta 200 mm SiC epitaxial obleen lodiera-uniformitatea % 1,5ean kontrola daiteke, kontzentrazio-uniformetasuna % 3 baino txikiagoa da, akats hilgarriaren dentsitatea 0,3 partikula/cm2 baino txikiagoa da eta epitaxiaren gainazaleko zimurtasunaren erro batez besteko karratua Ra da. 0,15 nm baino gutxiago. Epitaxial obleen oinarrizko prozesu-adierazleak industrian maila aurreratuan daude.

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

VeTek Semiconductor Txinako fabrikatzaile profesionala daCVD SiC estalitako sabaia, CVD SiC estaldura pita, etaSiC Estaldura Sarrera Eraztuna.  VeTek Semiconductor-ek erdieroaleen industriarako SiC Wafer hainbat produkturi irtenbide aurreratuak eskaintzeko konpromisoa hartu du.

Interesatzen bazaizu8 hazbeteko SiC labe epitaxiala eta prozesu homoepitaxiala, mesedez jar zaitez gurekin harremanetan zuzenean.

Telefonoa: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

Posta elektronikoa: anny@veteksemi.com