I øjeblikket omstilles SiC-industrien fra 150 mm (6 tommer) til 200 mm (8 tommer). For at imødekomme den presserende efterspørgsel efter store, højkvalitets SiC homoepitaxiale wafere i industrien, er 150 mm og 200 mm4H-SiC homoepitaksiale wafereblev med succes fremstillet på indenlandske substrater ved hjælp af det uafhængigt udviklede 200 mm SiC epitaksiale vækstudstyr. En homoepitaksial proces, der er egnet til 150 mm og 200 mm, blev udviklet, hvor den epitaksiale væksthastighed kan være større end 60 µm/t. Samtidig med at højhastighedsepitaksi opfyldes, er den epitaksiale waferkvalitet fremragende. Tykkelsesensartetheden på 150 mm og 200 mmSiC epitaksiale waferekan kontrolleres inden for 1,5%, koncentrationens ensartethed er mindre end 3%, den fatale defektdensitet er mindre end 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overfladeruhed (root mean square Ra) er mindre end 0,15 nm, og alle kerneprocesindikatorer er på branchens avancerede niveau.
Siliciumcarbid (SiC)er en af repræsentanterne for tredjegenerations halvledermaterialer. Det har karakteristika som høj gennemslagsfeltstyrke, fremragende varmeledningsevne, stor elektronmætningsdrifthastighed og stærk strålingsmodstand. Det har i høj grad udvidet energibehandlingskapaciteten for strømforsyninger og kan opfylde servicekravene for den næste generation af effektelektronisk udstyr til enheder med høj effekt, lille størrelse, høj temperatur, høj stråling og andre ekstreme forhold. Det kan reducere plads, reducere strømforbruget og reducere kølebehovet. Det har medført revolutionerende ændringer for nye energikøretøjer, jernbanetransport, smart grids og andre områder. Derfor er siliciumcarbidhalvledere blevet anerkendt som det ideelle materiale, der vil føre an i den næste generation af højtydende effektelektroniske enheder. I de senere år, takket være den nationale politiske støtte til udviklingen af tredjegenerations halvlederindustri, er forskning, udvikling og konstruktion af 150 mm SiC-enhedsindustrisystemet stort set blevet afsluttet i Kina, og sikkerheden i den industrielle kæde er stort set garanteret. Derfor er industriens fokus gradvist flyttet til omkostningskontrol og effektivitetsforbedring. Som vist i tabel 1 har 200 mm SiC en højere kantudnyttelsesgrad sammenlignet med 150 mm, og produktionen af enkeltwaferchips kan øges med ca. 1,8 gange. Når teknologien er modnet, kan produktionsomkostningerne for en enkelt chip reduceres med 30%. Det teknologiske gennembrud på 200 mm er et direkte middel til at "reducere omkostninger og øge effektiviteten", og det er også nøglen til, at mit lands halvlederindustri kan "køre parallelt" eller endda "føre".
Forskellig fra Si-enhedsprocessen,SiC halvleder-strømforsyningerer alle forarbejdet og forberedt med epitaksiale lag som hjørnesten. Epitaksiale wafere er essentielle basismaterialer til SiC-strømforsyningsenheder. Kvaliteten af det epitaksiale lag bestemmer direkte enhedens udbytte, og dets omkostninger tegner sig for 20% af chippens fremstillingsomkostninger. Derfor er epitaksial vækst et vigtigt mellemled i SiC-strømforsyningsenheder. Den øvre grænse for det epitaksiale procesniveau bestemmes af epitaksialudstyret. I øjeblikket er lokaliseringsgraden af 150 mm SiC epitaksialudstyr i Kina relativt høj, men det overordnede layout af 200 mm halter samtidig bagefter det internationale niveau. For at løse de presserende behov og flaskehalsproblemerne ved fremstilling af store epitaksiale materialer af høj kvalitet til udvikling af den indenlandske tredjegenerations halvlederindustri introducerer denne artikel derfor det 200 mm SiC epitaksiale udstyr, der er udviklet med succes i mit land, og undersøger den epitaksiale proces. Ved at optimere procesparametre såsom procestemperatur, bæregasstrømningshastighed, C/Si-forhold osv. opnås koncentrationens ensartethed <3%, tykkelsesuensartethed <1,5%, ruhed Ra <0,2 nm og fatal defektdensitet <0,3 grains/cm2 for 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere med uafhængigt udviklet 200 mm siliciumcarbid epitaksialovn. Udstyrsprocesniveauet kan opfylde behovene for fremstilling af SiC-strømforsyningsenheder af høj kvalitet.
1 Eksperiment
1.1 Princippet omSiC epitaksialtbehandle
4H-SiC homoepitaxial vækstproces omfatter hovedsageligt to nøgletrin, nemlig in-situ-ætsning af 4H-SiC-substrat ved høj temperatur og en homogen kemisk dampaflejringsproces. Hovedformålet med in-situ-ætsning af substratet er at fjerne underliggende skader på substratet efter waferpolering, resterende poleringsvæske, partikler og oxidlag, og en regelmæssig atomtrinstruktur kan dannes på substratoverfladen ved ætsning. In-situ-ætsning udføres normalt i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske proceskrav kan en lille mængde hjælpegas også tilsættes, såsom hydrogenchlorid, propan, ethylen eller silan. Temperaturen ved in-situ hydrogenætsning er generelt over 1600 ℃, og trykket i reaktionskammeret kontrolleres generelt under 2 × 104 Pa under ætsningsprocessen.
Efter at substratoverfladen er aktiveret ved in-situ-ætsning, går den ind i den kemiske dampaflejringsproces ved høj temperatur, dvs. at vækstkilden (såsom ethylen/propan, TCS/silan), doteringskilden (n-type doteringskilde nitrogen, p-type doteringskilde TMAl) og hjælpegas, såsom hydrogenchlorid, transporteres til reaktionskammeret gennem en stor strøm af bæregas (normalt hydrogen). Efter at gassen har reageret i højtemperaturreaktionskammeret, reagerer en del af forløberen kemisk og adsorberes på waferoverfladen, og et enkeltkrystal homogent 4H-SiC epitaksialt lag med en specifik doteringskoncentration, specifik tykkelse og højere kvalitet dannes på substratoverfladen ved hjælp af enkeltkrystal 4H-SiC-substratet som skabelon. Efter mange års teknisk udforskning er 4H-SiC homoepitaxialteknologien stort set modnet og er i vid udstrækning anvendt i industriel produktion. Den mest anvendte 4H-SiC homoepitaxialteknologi i verden har to typiske egenskaber:
(1) Ved at bruge et skråtskåret substrat uden for aksen (i forhold til <0001> krystalplanet, mod <11-20> krystalretningen) som skabelon aflejres et epitaksialt lag af 4H-SiC med høj renhed og uden urenheder på substratet i form af en trinvis vækstmetode. Tidlig 4H-SiC homoepitaksial vækst anvendte et positivt krystalsubstrat, dvs. <0001> Si-planet, til vækst. Tætheden af atomtrin på overfladen af det positive krystalsubstrat er lav, og terrasserne er brede. Todimensionel kimdannelsesvækst forekommer let under epitaksiprocessen for at danne 3C krystal SiC (3C-SiC). Ved skæring uden for aksen kan atomtrin med høj tæthed og smal terrassebredde introduceres på overfladen af 4H-SiC <0001> substratet, og den adsorberede forløber kan effektivt nå atomtrinpositionen med relativt lav overfladeenergi gennem overfladediffusion. Ved trinnet er bindingspositionen for precursoratomet/molekylgruppen unik, så i trinvis flowvæksttilstand kan det epitaksiale lag perfekt arve Si-C dobbeltatomlagets stablingssekvens i substratet for at danne en enkelt krystal med den samme krystalfase som substratet.
(2) Højhastigheds epitaksial vækst opnås ved at introducere en klorholdig siliciumkilde. I konventionelle SiC kemiske dampaflejringssystemer er silan og propan (eller ethylen) de vigtigste vækstkilder. I processen med at øge væksthastigheden ved at øge vækstkildens strømningshastighed, er det let at danne siliciumklynger ved homogen gasfase-nukleering, efterhånden som ligevægtspartialtrykket af siliciumkomponenten fortsætter med at stige, hvilket reducerer siliciumkildens udnyttelsesgrad betydeligt. Dannelsen af siliciumklynger begrænser i høj grad forbedringen af den epitaksiale væksthastighed. Samtidig kan siliciumklynger forstyrre trinvise strømningsvækst og forårsage defektnukleering. For at undgå homogen gasfase-nukleering og øge den epitaksiale væksthastighed er introduktionen af klorbaserede siliciumkilder i øjeblikket den mainstream-metode til at øge den epitaksiale væksthastighed for 4H-SiC.
1,2 200 mm (8 tommer) SiC epitaksialt udstyr og procesforhold
De eksperimenter, der er beskrevet i denne artikel, blev alle udført på et 150/200 mm (6/8-tommer) kompatibelt monolitisk horisontalt SiC epitaksialt udstyr med varm væg, uafhængigt udviklet af 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Den epitaksiale ovn understøtter fuldautomatisk waferindlæsning og -aflæsning. Figur 1 er et skematisk diagram af den indre struktur af reaktionskammeret i det epitaksiale udstyr. Som vist i figur 1 er reaktionskammerets ydervæg en kvartsklokke med et vandkølet mellemlag, og klokkens inderside er et højtemperaturreaktionskammer, der er sammensat af termisk isoleringskulfilt, et specielt grafithulrum med høj renhed, en roterende base med grafitgas osv. Hele kvartsklokken er dækket af en cylindrisk induktionsspole, og reaktionskammeret inde i klokken opvarmes elektromagnetisk af en mellemfrekvent induktionsstrømforsyning. Som vist i figur 1 (b) strømmer bærergassen, reaktionsgassen og doteringsgassen alle gennem waferoverfladen i en horisontal laminar strømning fra opstrøms for reaktionskammeret til nedstrøms for reaktionskammeret og udledes fra udstødningsenden. For at sikre konsistensen i waferen roteres waferen, der bæres af den luftflydende base, altid under processen.
Det anvendte substrat i eksperimentet er et kommercielt 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4° off-vinkel ledende n-type 4H-SiC dobbeltsidet poleret SiC-substrat produceret af Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) og ethylen (C2H4) anvendes som de primære vækstkilder i proceseksperimentet, hvoraf TCS og C2H4 anvendes som henholdsvis siliciumkilde og kulstofkilde, nitrogen med høj renhed (N2) anvendes som n-type doteringskilde, og hydrogen (H2) anvendes som fortyndingsgas og bæregas. Temperaturområdet for den epitaksiale proces er 1600 ~1660 ℃, procestrykket er 8×103 ~12×103 Pa, og H2-bærergassens strømningshastighed er 100~140 L/min.
1.3 Epitaksial wafertestning og karakterisering
Fourier infrarødspektrometer (udstyrsproducent Thermalfisher, model iS50) og kviksølvprobekoncentrationstester (udstyrsproducent Semilab, model 530L) blev brugt til at karakterisere middelværdien og fordelingen af epitaksiallagets tykkelse og doteringskoncentration. Tykkelsen og doteringskoncentrationen for hvert punkt i det epitaksiale lag blev bestemt ved at tage punkter langs diameterlinjen, der skærer normallinjen for hovedreferencekanten ved 45° i midten af waferen med 5 mm kantfjernelse. For en 150 mm wafer blev der taget 9 punkter langs en linje med én diameter (to diametre var vinkelrette på hinanden), og for en 200 mm wafer blev der taget 21 punkter, som vist i figur 2. Et atomkraftmikroskop (udstyrsproducent Bruker, model Dimension Icon) blev brugt til at udvælge 30 μm × 30 μm områder i centerområdet og kantområdet (5 mm kantfjernelse) af den epitaksiale wafer for at teste overfladeruheden af det epitaksiale lag. Defekterne i det epitaksiale lag blev målt ved hjælp af en overfladedefektmåler (udstyrsproducent China Electronics). 3D-billeddannelsen blev karakteriseret af en radarsensor (model Mars 4410 pro) fra Kefenghua.
Opslagstidspunkt: 4. september 2024