Tans transformeer die SiC-industrie van 150 mm (6 duim) na 200 mm (8 duim). Om aan die dringende vraag na groot, hoëgehalte SiC homoepitaksiale wafers in die industrie te voldoen, word 150 mm en 200 mm4H-SiC homoepitaksiale wafersis suksesvol voorberei op huishoudelike substrate met behulp van die onafhanklik ontwikkelde 200 mm SiC epitaksiale groeitoerusting. 'n Homoepitaksiale proses geskik vir 150 mm en 200 mm is ontwikkel, waarin die epitaksiale groeitempo groter as 60 µm/h kan wees. Terwyl aan die hoëspoed-epitaksie voldoen word, is die epitaksiale waferkwaliteit uitstekend. Die dikte-eenvormigheid van 150 mm en 200 mmSiC epitaksiale waferskan binne 1.5% beheer word, die konsentrasie-eenvormigheid is minder as 3%, die fatale defekdigtheid is minder as 0.3 deeltjies/cm2, en die epitaksiale oppervlakruheidwortelgemiddelde kwadraat Ra is minder as 0.15 nm, en alle kernprosesaanwysers is op die gevorderde vlak van die bedryf.
Silikonkarbied (SiC)is een van die verteenwoordigers van die derde generasie halfgeleiermateriale. Dit het die eienskappe van hoë deurslagveldsterkte, uitstekende termiese geleidingsvermoë, groot elektronversadigingsdryfsnelheid en sterk stralingsweerstand. Dit het die energieverwerkingskapasiteit van kragtoestelle aansienlik uitgebrei en kan voldoen aan die diensvereistes van die volgende generasie kragelektroniese toerusting vir toestelle met hoë krag, klein grootte, hoë temperatuur, hoë straling en ander uiterste toestande. Dit kan ruimte verminder, kragverbruik verminder en verkoelingsvereistes verminder. Dit het revolusionêre veranderinge aan nuwe energievoertuie, spoorvervoer, slimnetwerke en ander velde meegebring. Daarom het silikonkarbied-halfgeleiers erken geword as die ideale materiaal wat die volgende generasie hoë-krag kragelektroniese toestelle sal lei. In onlangse jare, danksy die nasionale beleidsondersteuning vir die ontwikkeling van die derde generasie halfgeleierbedryf, is die navorsing en ontwikkeling en konstruksie van die 150 mm SiC-toestelbedryfstelsel basies in China voltooi, en die sekuriteit van die industriële ketting is basies gewaarborg. Daarom het die fokus van die bedryf geleidelik verskuif na kostebeheer en doeltreffendheidsverbetering. Soos in Tabel 1 getoon, het 200 mm SiC 'n hoër randbenuttingstempo in vergelyking met 150 mm, en die uitset van enkelwaferskyfies kan met ongeveer 1,8 keer verhoog word. Nadat die tegnologie volwasse geword het, kan die vervaardigingskoste van 'n enkele skyfie met 30% verminder word. Die tegnologiese deurbraak van 200 mm is 'n direkte manier om "koste te verminder en doeltreffendheid te verhoog", en dit is ook die sleutel vir my land se halfgeleierbedryf om "parallel" of selfs "voor te loop".
Anders as die Si-toestelproses,SiC halfgeleier-kragtoestelleword almal verwerk en voorberei met epitaksiale lae as die hoeksteen. Epitaksiale wafers is noodsaaklike basiese materiale vir SiC-kragtoestelle. Die kwaliteit van die epitaksiale laag bepaal direk die opbrengs van die toestel, en die koste daarvan maak 20% van die skyfievervaardigingskoste uit. Daarom is epitaksiale groei 'n noodsaaklike tussenskakel in SiC-kragtoestelle. Die boonste grens van die epitaksiale prosesvlak word bepaal deur epitaksiale toerusting. Tans is die lokaliseringsgraad van 150 mm SiC epitaksiale toerusting in China relatief hoog, maar die algehele uitleg van 200 mm is terselfdertyd agter die internasionale vlak. Om die dringende behoeftes en knelpuntprobleme van grootskaalse, hoëgehalte epitaksiale materiaalvervaardiging vir die ontwikkeling van die binnelandse derdegenerasie-halfgeleierbedryf op te los, stel hierdie artikel die 200 mm SiC epitaksiale toerusting bekend wat suksesvol in my land ontwikkel is, en bestudeer die epitaksiale proses. Deur die prosesparameters soos prosestemperatuur, draergasvloeitempo, C/Si-verhouding, ens. te optimaliseer, word die konsentrasie-uniformiteit <3%, dikte-nie-uniformiteit <1.5%, ruheid Ra <0.2 nm en fatale defekdigtheid <0.3 korrels/cm2 van 150 mm en 200 mm SiC epitaksiale wafers met onafhanklik ontwikkelde 200 mm silikonkarbied epitaksiale oond verkry. Die toerustingprosesvlak kan voldoen aan die behoeftes van hoë-gehalte SiC-kragtoestelvoorbereiding.
1 Eksperiment
1.1 Beginsel vanSiC epitaksiaalproses
Die 4H-SiC homoepitaksiale groeiproses sluit hoofsaaklik 2 sleutelstappe in, naamlik hoë-temperatuur in-situ etsing van 4H-SiC substraat en homogene chemiese dampafsettingsproses. Die hoofdoel van substraat in-situ etsing is om die ondergrondse skade van die substraat na waferpolering, oorblywende poleervloeistof, deeltjies en oksiedlaag te verwyder, en 'n gereelde atoomstapstruktuur kan op die substraatoppervlak gevorm word deur etsing. In-situ etsing word gewoonlik in 'n waterstofatmosfeer uitgevoer. Volgens die werklike prosesvereistes kan 'n klein hoeveelheid hulpgas ook bygevoeg word, soos waterstofchloried, propaan, etileen of silaan. Die temperatuur van in-situ waterstofetsing is gewoonlik bo 1 600 ℃, en die druk van die reaksiekamer word gewoonlik onder 2 × 104 Pa beheer tydens die etsproses.
Nadat die substraatoppervlak deur in-situ-etsing geaktiveer is, gaan dit die hoëtemperatuur-chemiese dampafsettingsproses binne, dit wil sê, die groeibron (soos etileen/propaan, TCS/silaan), doteringsbron (n-tipe doteringsbron stikstof, p-tipe doteringsbron TMAl), en hulpgas soos waterstofchloried word deur 'n groot vloei draergas (gewoonlik waterstof) na die reaksiekamer vervoer. Nadat die gas in die hoëtemperatuur-reaksiekamer reageer, reageer 'n deel van die voorloper chemies en adsorbeer dit op die waferoppervlak, en 'n enkelkristal homogene 4H-SiC epitaksiale laag met 'n spesifieke doteringskonsentrasie, spesifieke dikte en hoër kwaliteit word op die substraatoppervlak gevorm deur die enkelkristal 4H-SiC-substraat as 'n sjabloon te gebruik. Na jare se tegniese eksplorasie het die 4H-SiC homoepitaksiale tegnologie basies volwasse geword en word dit wyd gebruik in industriële produksie. Die mees gebruikte 4H-SiC homoepitaksiale tegnologie ter wêreld het twee tipiese eienskappe:
(1) Deur 'n skuinsgesnyde substraat van die as af (relatief tot die <0001> kristalvlak, na die <11-20> kristalrigting) as 'n sjabloon te gebruik, word 'n hoë-suiwer enkelkristal 4H-SiC epitaksiale laag sonder onsuiwerhede op die substraat neergelê in die vorm van 'n stapsgewyse groeimodus. Vroeë 4H-SiC homoepitaksiale groei het 'n positiewe kristalsubstraat, dit wil sê die <0001> Si-vlak, vir groei gebruik. Die digtheid van atoomstappe op die oppervlak van die positiewe kristalsubstraat is laag en die terrasse is wyd. Tweedimensionele nukleasiegroei vind maklik plaas tydens die epitaksieproses om 3C kristal SiC (3C-SiC) te vorm. Deur sny van die as af kan hoë-digtheid, smal terraswydte atoomstappe op die oppervlak van die 4H-SiC <0001> substraat ingebring word, en die geadsorbeerde voorloper kan die atoomstapposisie effektief bereik met relatief lae oppervlakenergie deur oppervlakdiffusie. By die stap is die bindingsposisie van die voorloperatoom/molekulêre groep uniek, dus in die stapsgewyse vloei-groeimodus kan die epitaksiale laag die Si-C dubbelatoomlaagstapelingsvolgorde van die substraat perfek erf om 'n enkelkristal met dieselfde kristalfase as die substraat te vorm.
(2) Hoëspoed-epitaksiale groei word bereik deur 'n chloorbevattende silikonbron in te voer. In konvensionele SiC chemiese dampafsettingstelsels is silaan en propaan (of etileen) die hoofgroeibronne. In die proses om die groeikoers te verhoog deur die vloeitempo van die groeibron te verhoog, soos die ewewigsgedeeltelike druk van die silikonkomponent aanhou toeneem, is dit maklik om silikonklusters te vorm deur homogene gasfase-nukleasie, wat die benuttingstempo van die silikonbron aansienlik verminder. Die vorming van silikonklusters beperk die verbetering van die epitaksiale groeikoers grootliks. Terselfdertyd kan silikonklusters die stapvloeigroei versteur en defeknukleasie veroorsaak. Om homogene gasfase-nukleasie te vermy en die epitaksiale groeikoers te verhoog, is die invoer van chloorgebaseerde silikonbronne tans die hoofstroommetode om die epitaksiale groeikoers van 4H-SiC te verhoog.
1.2 200 mm (8-duim) SiC epitaksiale toerusting en prosestoestande
Die eksperimente wat in hierdie artikel beskryf word, is almal uitgevoer op 'n 150/200 mm (6/8-duim) versoenbare monolitiese horisontale warmwand SiC epitaksiale toerusting wat onafhanklik ontwikkel is deur die 48ste Instituut van China Electronics Technology Group Corporation. Die epitaksiale oond ondersteun ten volle outomatiese waferlaai en -aflaai. Figuur 1 is 'n skematiese diagram van die interne struktuur van die reaksiekamer van die epitaksiale toerusting. Soos getoon in Figuur 1, is die buitenste wand van die reaksiekamer 'n kwarts klok met 'n waterverkoelde tussenlaag, en die binnekant van die klok is 'n hoëtemperatuur-reaksiekamer, wat bestaan uit termiese isolasie koolstofvilt, 'n spesiale grafietholte met hoë suiwerheid, 'n grafietgas-drywende roterende basis, ens. Die hele kwarts klok is bedek met 'n silindriese induksiespoel, en die reaksiekamer binne die klok word elektromagneties verhit deur 'n mediumfrekwensie-induksiekragbron. Soos getoon in Figuur 1 (b), vloei die draergas, reaksiegas en doteringsgas almal deur die waferoppervlak in 'n horisontale laminêre vloei vanaf die stroomop van die reaksiekamer na die stroomaf van die reaksiekamer en word dit vanaf die stertgas-einde vrygestel. Om die konsekwentheid binne die wafer te verseker, word die wafer wat deur die lugdrywende basis gedra word, altyd tydens die proses geroteer.
Die substraat wat in die eksperiment gebruik word, is 'n kommersiële 150 mm, 200 mm (6 duim, 8 duim) <1120> rigting 4° afhoek geleidende n-tipe 4H-SiC dubbelsydig gepoleerde SiC substraat vervaardig deur Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilaan (SiHCl3, TCS) en etileen (C2H4) word as die hoofgroeibronne in die proses-eksperiment gebruik, waaronder TCS en C2H4 onderskeidelik as silikonbron en koolstofbron gebruik word, hoë suiwerheid stikstof (N2) word as n-tipe doteringsbron gebruik, en waterstof (H2) word as verdunningsgas en draergas gebruik. Die temperatuurreeks van die epitaksiale proses is 1 600 ~ 1 660 ℃, die prosesdruk is 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, en die H2 draergasvloeitempo is 100 ~ 140 L/min.
1.3 Epitaksiale wafertoetsing en -karakterisering
Fourier-infrarooispektrometer (toerustingvervaardiger Thermalfisher, model iS50) en kwiksonde-konsentrasietoetser (toerustingvervaardiger Semilab, model 530L) is gebruik om die gemiddelde en verspreiding van epitaksiale laagdikte en doteringskonsentrasie te karakteriseer; die dikte en doteringskonsentrasie van elke punt in die epitaksiale laag is bepaal deur punte langs die diameterlyn te neem wat die normale lyn van die hoofverwysingsrand teen 45° in die middel van die wafer sny met 5 mm randverwydering. Vir 'n 150 mm-wafer is 9 punte langs 'n enkele diameterlyn geneem (twee diameters was loodreg op mekaar), en vir 'n 200 mm-wafer is 21 punte geneem, soos getoon in Figuur 2. 'n Atoomkragmikroskoop (toerustingvervaardiger Bruker, model Dimension Icon) is gebruik om 30 μm × 30 μm areas in die middelarea en die randarea (5 mm randverwydering) van die epitaksiale wafer te selekteer om die oppervlakruheid van die epitaksiale laag te toets; Die defekte van die epitaksiale laag is gemeet met behulp van 'n oppervlakdefektetoetser (toerustingvervaardiger China Electronics). Die 3D-beelder is gekarakteriseer deur 'n radarsensor (model Mars 4410 pro) van Kefenghua.
Plasingstyd: 4 September 2024