Actualment, la indústria del SiC s'està transformant de 150 mm (6 polzades) a 200 mm (8 polzades). Per tal de satisfer la demanda urgent d'oblies homoepitaxials de SiC de gran mida i alta qualitat a la indústria, 150 mm i 200 mmOblies homoepitaxials de 4H-SiCes van preparar amb èxit en substrats domèstics utilitzant l'equip de creixement epitaxial de SiC de 200 mm desenvolupat independentment. Es va desenvolupar un procés homoepitaxial adequat per a 150 mm i 200 mm, en el qual la taxa de creixement epitaxial pot ser superior a 60 um/h. Tot i complir amb l'epitàxia d'alta velocitat, la qualitat de la oblia epitaxial és excel·lent. La uniformitat de gruix de 150 mm i 200 mmOblies epitaxials de SiCes pot controlar dins de l'1,5%, la uniformitat de la concentració és inferior al 3%, la densitat de defectes fatals és inferior a 0,3 partícules/cm2 i la rugositat superficial epitaxial (Ra) arrel quadrada mitjana és inferior a 0,15 nm, i tots els indicadors del procés bàsic es troben al nivell avançat de la indústria.
Carbur de silici (SiC)és un dels representants dels materials semiconductors de tercera generació. Té les característiques d'una alta resistència al camp de ruptura, una excel·lent conductivitat tèrmica, una gran velocitat de deriva de saturació d'electrons i una forta resistència a la radiació. Ha ampliat considerablement la capacitat de processament d'energia dels dispositius de potència i pot satisfer els requisits de servei de la propera generació d'equips electrònics de potència per a dispositius amb alta potència, mida petita, alta temperatura, alta radiació i altres condicions extremes. Pot reduir l'espai, reduir el consum d'energia i reduir els requisits de refrigeració. Ha portat canvis revolucionaris als vehicles de nova energia, el transport ferroviari, les xarxes intel·ligents i altres camps. Per tant, els semiconductors de carbur de silici s'han reconegut com el material ideal que liderarà la propera generació de dispositius electrònics de potència d'alta potència. En els darrers anys, gràcies al suport de la política nacional al desenvolupament de la indústria de semiconductors de tercera generació, la investigació, el desenvolupament i la construcció del sistema de la indústria de dispositius SiC de 150 mm s'han completat bàsicament a la Xina, i la seguretat de la cadena industrial s'ha garantit bàsicament. Per tant, l'enfocament de la indústria s'ha desplaçat gradualment cap al control de costos i la millora de l'eficiència. Com es mostra a la Taula 1, en comparació amb els 150 mm, els 200 mm de SiC tenen una taxa d'utilització de vores més alta, i la producció de xips d'oblies individuals es pot augmentar aproximadament 1,8 vegades. Un cop madurada la tecnologia, el cost de fabricació d'un sol xip es pot reduir en un 30%. L'avenç tecnològic dels 200 mm és un mitjà directe per "reduir costos i augmentar l'eficiència", i també és la clau perquè la indústria dels semiconductors del meu país "funcioni en paral·lel" o fins i tot "lideri".
Diferent del procés del dispositiu Si,Dispositius de potència de semiconductors de SiCTots es processen i preparen amb capes epitaxials com a pedra angular. Les oblies epitaxials són materials bàsics essencials per als dispositius d'energia de SiC. La qualitat de la capa epitaxial determina directament el rendiment del dispositiu i el seu cost representa el 20% del cost de fabricació del xip. Per tant, el creixement epitaxial és un enllaç intermedi essencial en els dispositius d'energia de SiC. El límit superior del nivell del procés epitaxial està determinat per l'equip epitaxial. Actualment, el grau de localització de l'equip epitaxial de SiC de 150 mm a la Xina és relativament alt, però la disposició general de 200 mm està endarrerida respecte al nivell internacional al mateix temps. Per tant, per tal de resoldre les necessitats urgents i els problemes de coll d'ampolla de la fabricació de material epitaxial de gran mida i alta qualitat per al desenvolupament de la indústria nacional de semiconductors de tercera generació, aquest article presenta l'equip epitaxial de SiC de 200 mm desenvolupat amb èxit al meu país i estudia el procés epitaxial. Optimitzant els paràmetres del procés, com ara la temperatura del procés, el cabal del gas portador, la relació C/Si, etc., s'obté una uniformitat de concentració <3%, una no uniformitat de gruix <1,5%, una rugositat Ra <0,2 nm i una densitat de defectes fatals <0,3 grans/cm2 de les oblies epitaxials de SiC de 150 mm i 200 mm amb un forn epitaxial de carbur de silici de 200 mm desenvolupat independentment. El nivell de procés de l'equip pot satisfer les necessitats de preparació de dispositius d'energia de SiC d'alta qualitat.
1 Experiment
1.1 Principi deSiC epitaxialprocés
El procés de creixement homoepitaxial de 4H-SiC inclou principalment 2 passos clau, és a dir, el gravat in situ a alta temperatura del substrat 4H-SiC i el procés de deposició química de vapor homogeni. L'objectiu principal del gravat in situ del substrat és eliminar el dany subsuperficial del substrat després del poliment de la oblia, el líquid de poliment residual, les partícules i la capa d'òxid, i es pot formar una estructura de passos atòmics regulars a la superfície del substrat mitjançant el gravat. El gravat in situ es realitza normalment en una atmosfera d'hidrogen. Segons els requisits reals del procés, també es pot afegir una petita quantitat de gas auxiliar, com ara clorur d'hidrogen, propà, etilè o silà. La temperatura del gravat d'hidrogen in situ és generalment superior a 1.600 ℃, i la pressió de la cambra de reacció es controla generalment per sota de 2 × 10⁴ Pa durant el procés de gravat.
Després que la superfície del substrat s'activi mitjançant gravat in situ, entra en el procés de deposició química de vapor a alta temperatura, és a dir, la font de creixement (com ara etilè/propà, TCS/silà), la font de dopatge (font de dopatge de tipus n nitrogen, font de dopatge de tipus p TMAl) i el gas auxiliar com el clorur d'hidrogen es transporten a la cambra de reacció a través d'un gran flux de gas portador (normalment hidrogen). Després que el gas reaccioni a la cambra de reacció d'alta temperatura, part del precursor reacciona químicament i s'adsorbeix a la superfície de la oblia, i es forma una capa epitaxial monocristallina homogènia de 4H-SiC amb una concentració de dopatge específica, un gruix específic i una qualitat superior a la superfície del substrat utilitzant el substrat monocristallina 4H-SiC com a plantilla. Després d'anys d'exploració tècnica, la tecnologia homoepitaxial 4H-SiC ha madurat bàsicament i s'utilitza àmpliament en la producció industrial. La tecnologia homoepitaxial 4H-SiC més utilitzada al món té dues característiques típiques:
(1) Utilitzant un substrat tallat obliquament fora de l'eix (respecte al pla cristal·lí <0001>, cap a la direcció del cristall <11-20>) com a plantilla, es diposita una capa epitaxial de 4H-SiC monocristall d'alta puresa sense impureses sobre el substrat en forma de mode de creixement per passos. El creixement homoepitaxial inicial de 4H-SiC utilitzava un substrat de cristall positiu, és a dir, el pla de Si <0001> per al creixement. La densitat de passos atòmics a la superfície del substrat de cristall positiu és baixa i les terrasses són amples. El creixement de nucleació bidimensional és fàcil de produir durant el procés d'epitàxia per formar cristall 3C SiC (3C-SiC). Mitjançant el tall fora de l'eix, es poden introduir passos atòmics d'alta densitat i amplada de terrassa estreta a la superfície del substrat 4H-SiC <0001>, i el precursor adsorbit pot assolir eficaçment la posició del pas atòmic amb una energia superficial relativament baixa mitjançant la difusió superficial. En aquest pas, la posició d'enllaç de l'àtom precursor/grup molecular és única, de manera que en el mode de creixement del flux per passos, la capa epitaxial pot heretar perfectament la seqüència d'apilament de doble capa atòmica de Si-C del substrat per formar un monocristall amb la mateixa fase cristal·lina que el substrat.
(2) El creixement epitaxial d'alta velocitat s'aconsegueix introduint una font de silici que conté clor. En els sistemes convencionals de deposició química de vapor de SiC, el silà i el propà (o etilè) són les principals fonts de creixement. En el procés d'augmentar la taxa de creixement augmentant el cabal de la font de creixement, a mesura que la pressió parcial d'equilibri del component de silici continua augmentant, és fàcil formar clústers de silici mitjançant la nucleació homogènia en fase gasosa, cosa que redueix significativament la taxa d'utilització de la font de silici. La formació de clústers de silici limita considerablement la millora de la taxa de creixement epitaxial. Al mateix temps, els clústers de silici poden pertorbar el creixement del flux per etapes i causar nucleació de defectes. Per tal d'evitar la nucleació homogènia en fase gasosa i augmentar la taxa de creixement epitaxial, la introducció de fonts de silici basades en clor és actualment el mètode principal per augmentar la taxa de creixement epitaxial de 4H-SiC.
1.2 Equipament epitaxial de SiC de 200 mm (8 polzades) i condicions de procés
Els experiments descrits en aquest article es van dur a terme en un equip epitaxial de SiC de paret calenta horitzontal monolítica compatible amb 150/200 mm (6/8 polzades) desenvolupat independentment pel 48è Institut de la Corporació del Grup de Tecnologia Electrònica de la Xina. El forn epitaxial admet la càrrega i descàrrega de làmines totalment automàtiques. La Figura 1 és un diagrama esquemàtic de l'estructura interna de la cambra de reacció de l'equip epitaxial. Com es mostra a la Figura 1, la paret exterior de la cambra de reacció és una campana de quars amb una capa intermèdia refrigerada per aigua, i l'interior de la campana és una cambra de reacció d'alta temperatura, que està composta per feltre de carboni aïllant tèrmicament, cavitat de grafit especial d'alta puresa, base giratòria flotant amb gas de grafit, etc. Tota la campana de quars està coberta amb una bobina d'inducció cilíndrica, i la cambra de reacció dins de la campana s'escalfa electromagnèticament mitjançant una font d'alimentació d'inducció de mitjana freqüència. Com es mostra a la Figura 1 (b), el gas portador, el gas de reacció i el gas dopant flueixen a través de la superfície de l'oblia en un flux laminar horitzontal des de la part superior de la cambra de reacció fins a la part inferior de la cambra de reacció i es descarreguen des de l'extrem del gas de cua. Per garantir la consistència dins de l'oblia, l'oblia suportada per la base flotant d'aire sempre gira durant el procés.
El substrat utilitzat en l'experiment és un substrat comercial de SiC polit de doble cara 4H-SiC de tipus n conductor amb direcció <1120> de 150 mm (6 polzades, 8 polzades) i angle de 4° desviat, produït per Shanxi Shuoke Crystal. El triclorosilà (SiHCl3, TCS) i l'etilè (C2H4) s'utilitzen com a principals fonts de creixement en l'experiment del procés, entre les quals el TCS i el C2H4 s'utilitzen com a font de silici i font de carboni respectivament, el nitrogen d'alta puresa (N2) s'utilitza com a font de dopatge de tipus n i l'hidrogen (H2) s'utilitza com a gas de dilució i gas portador. El rang de temperatura del procés epitaxial és de 1.600 a 1.660 ℃, la pressió del procés és de 8 × 10³ a 12 × 10³ Pa i el cabal de gas portador H2 és de 100 a 140 L/min.
1.3 Proves i caracterització de les oblies epitaxials
Es va utilitzar un espectròmetre d'infrarojos de Fourier (fabricant d'equips Thermalfisher, model iS50) i un provador de concentració de sonda de mercuri (fabricant d'equips Semilab, model 530L) per caracteritzar la mitjana i la distribució del gruix de la capa epitaxial i la concentració de dopatge; el gruix i la concentració de dopatge de cada punt de la capa epitaxial es van determinar prenent punts al llarg de la línia de diàmetre que interseca la línia normal de la vora de referència principal a 45° al centre de l'oblia amb una eliminació de vora de 5 mm. Per a una oblia de 150 mm, es van prendre 9 punts al llarg d'una sola línia de diàmetre (dos diàmetres eren perpendiculars entre si), i per a una oblia de 200 mm, es van prendre 21 punts, com es mostra a la Figura 2. Es va utilitzar un microscopi de força atòmica (fabricant d'equips Bruker, model Dimension Icon) per seleccionar àrees de 30 μm × 30 μm a l'àrea central i l'àrea de la vora (eliminació de vora de 5 mm) de l'oblia epitaxial per provar la rugositat superficial de la capa epitaxial; Els defectes de la capa epitaxial es van mesurar mitjançant un provador de defectes superficials (fabricant d'equips China Electronics). El generador d'imatges 3D es va caracteritzar mitjançant un sensor de radar (model Mars 4410 Pro) de Kefenghua.
Data de publicació: 04-09-2024