Derzeit vollzieht die SiC-Industrie eine Umstellung von 150 mm (6 Zoll) auf 200 mm (8 Zoll). Um die dringende Nachfrage nach großen, hochwertigen SiC-Homöepitaxie-Wafern in der Branche zu decken, werden 150 mm und 200 mm4H-SiC-Homoepitaktische Waferwurden erfolgreich auf heimischen Substraten mithilfe der eigens entwickelten 200-mm-SiC-Epitaxieanlage hergestellt. Es wurde ein für 150 mm und 200 mm geeignetes Homoepitaxieverfahren entwickelt, bei dem die Epitaxierate über 60 µm/h liegen kann. Die Epitaxie-Waferqualität ist ausgezeichnet und erfüllt die Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsepitaxie. Die Dickengleichmäßigkeit von 150 mm und 200 mmSiC-Epitaxie-Waferkann innerhalb von 1,5 % kontrolliert werden, die Konzentrationsgleichmäßigkeit liegt unter 3 %, die Dichte fataler Defekte liegt unter 0,3 Partikel/cm2 und die quadratische Mittelwertrauheit Ra der epitaktischen Oberfläche liegt unter 0,15 nm und alle Kernprozessindikatoren liegen auf dem fortgeschrittenen Niveau der Branche.
Siliziumkarbid (SiC)Siliziumkarbid ist ein Halbleitermaterial der dritten Generation. Es zeichnet sich durch hohe Durchbruchfeldstärke, exzellente Wärmeleitfähigkeit, hohe Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit und hohe Strahlungsbeständigkeit aus. Es hat die Energieverarbeitungskapazität von Leistungsbauelementen deutlich erweitert und erfüllt die Anforderungen der nächsten Generation leistungselektronischer Geräte für Geräte mit hoher Leistung, geringer Größe, hohen Temperaturen, hoher Strahlung und anderen extremen Bedingungen. Es reduziert Platzbedarf, Stromverbrauch und Kühlbedarf. Es hat bahnbrechende Veränderungen in Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik, im Schienenverkehr, in intelligenten Stromnetzen und anderen Bereichen mit sich gebracht. Siliziumkarbid-Halbleiter gelten daher als ideales Material für die nächste Generation leistungselektronischer Geräte mit hoher Leistung. Dank der staatlichen politischen Unterstützung der Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation konnten in den letzten Jahren die Forschung, Entwicklung und der Bau des Industriesystems für 150-mm-SiC-Bauelemente in China im Wesentlichen abgeschlossen und die Sicherheit der Produktionskette weitgehend gewährleistet werden. Der Schwerpunkt der Branche verlagerte sich daher schrittweise auf Kostenkontrolle und Effizienzsteigerung. Wie Tabelle 1 zeigt, weist 200-mm-SiC im Vergleich zu 150 mm eine höhere Kantenauslastung auf, wodurch die Produktion von Einzelwaferchips um das 1,8-Fache gesteigert werden kann. Nach Ausreifung der Technologie können die Herstellungskosten eines Einzelchips um 30 % gesenkt werden. Der technologische Durchbruch von 200 mm trägt direkt zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung bei und ist zugleich der Schlüssel für die Halbleiterindustrie Chinas, um parallel zu agieren oder sogar die Führung zu übernehmen.
Anders als beim Si-Geräteprozess,SiC-Halbleiter-Leistungsbauelementewerden alle mit epitaktischen Schichten als Eckpfeiler verarbeitet und vorbereitet. Epitaktische Wafer sind ein wesentliches Basismaterial für SiC-Leistungsbauelemente. Die Qualität der epitaktischen Schicht bestimmt direkt die Ausbeute des Bauelements und ihre Kosten machen 20 % der Chipherstellungskosten aus. Daher ist das epitaktische Wachstum ein wesentliches Zwischenglied in SiC-Leistungsbauelementen. Die Obergrenze des epitaktischen Prozessniveaus wird durch die epitaktische Ausrüstung bestimmt. Derzeit ist der Lokalisierungsgrad von 150-mm-SiC-Epitaxieausrüstung in China relativ hoch, aber gleichzeitig hinkt das Gesamtlayout von 200 mm dem internationalen Niveau hinterher. Um den dringenden Bedarf und die Engpassprobleme bei der Herstellung von epitaktischen Materialien in großem Maßstab und in hoher Qualität für die Entwicklung der inländischen Halbleiterindustrie der dritten Generation zu lösen, stellt dieses Dokument die in meinem Land erfolgreich entwickelte 200-mm-SiC-Epitaxieausrüstung vor und untersucht den Epitaxieprozess. Durch Optimierung der Prozessparameter wie Prozesstemperatur, Trägergasdurchflussrate, C/Si-Verhältnis usw. werden Konzentrationsgleichmäßigkeit <3 %, Dickenungleichmäßigkeit <1,5 %, Rauheit Ra <0,2 nm und eine Dichte fataler Defekte <0,3 Körner/cm² von 150-mm- und 200-mm-SiC-Epitaxie-Wafer mit einem eigens entwickelten 200-mm-Siliziumkarbid-Epitaxieofen erreicht. Das Prozessniveau der Ausrüstung erfüllt die Anforderungen für die Herstellung hochwertiger SiC-Leistungsbauelemente.
1 Versuch
1.1 Prinzip derSiC-EpitaxieVerfahren
Der homoepitaktische Wachstumsprozess von 4H-SiC umfasst im Wesentlichen zwei Schlüsselschritte, nämlich das In-situ-Ätzen des 4H-SiC-Substrats bei hohen Temperaturen und die homogene chemische Gasphasenabscheidung. Der Hauptzweck des In-situ-Ätzens des Substrats besteht darin, nach dem Polieren des Wafers Schäden unter der Oberfläche des Substrats, Rückstände der Polierflüssigkeit, Partikel und Oxidschichten zu entfernen. Durch das Ätzen kann auf der Substratoberfläche eine regelmäßige atomare Stufenstruktur gebildet werden. Das In-situ-Ätzen wird üblicherweise in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Je nach den tatsächlichen Prozessanforderungen kann auch eine kleine Menge Hilfsgas wie Chlorwasserstoff, Propan, Ethylen oder Silan hinzugefügt werden. Die Temperatur des In-situ-Wasserstoffätzens liegt im Allgemeinen über 1.600 °C, und der Druck in der Reaktionskammer wird während des Ätzvorgangs im Allgemeinen auf unter 2 × 104 Pa geregelt.
Nach der Aktivierung der Substratoberfläche durch In-situ-Ätzen erfolgt der Hochtemperatur-Chemical-Vapordeposition-Prozess. Dabei werden die Wachstumsquelle (z. B. Ethylen/Propan, TCS/Silan), die Dotierungsquelle (n-Typ-Dotierungsquelle Stickstoff, p-Typ-Dotierungsquelle TMAl) und das Hilfsgas (z. B. Chlorwasserstoff) durch einen starken Trägergasstrom (meist Wasserstoff) in die Reaktionskammer transportiert. Nach der Reaktion des Gases in der Hochtemperatur-Reaktionskammer adsorbiert ein Teil des Präkursors auf der Waferoberfläche. Auf der Substratoberfläche bildet sich eine homogene einkristalline 4H-SiC-Epitaxieschicht mit spezifischer Dotierungskonzentration, spezifischer Schichtdicke und hoher Qualität. Das einkristalline 4H-SiC-Substrat dient als Template. Nach jahrelanger technischer Erforschung ist die 4H-SiC-Homoepitaxie-Technologie weitgehend ausgereift und findet breite Anwendung in der industriellen Produktion. Die weltweit am weitesten verbreitete 4H-SiC-Homoepitaxie-Technologie weist zwei typische Merkmale auf:
(1) Unter Verwendung eines außeraxialen (relativ zur <0001>-Kristallebene, in Richtung der <11-20>-Kristallrichtung) schräg geschnittenen Substrats als Vorlage wird eine hochreine, einkristalline 4H-SiC-Epitaxieschicht ohne Verunreinigungen in Form eines Stufenwachstumsmodus auf dem Substrat abgeschieden. Frühe homoepitaktische 4H-SiC-Wachstumsverfahren verwendeten für das Wachstum ein positives Kristallsubstrat, d. h. die <0001>-Si-Ebene. Die Dichte der atomaren Stufen auf der Oberfläche des positiven Kristallsubstrats ist gering und die Terrassen sind breit. Während des Epitaxieprozesses kann leicht ein zweidimensionales Keimwachstum auftreten, bei dem 3C-Kristall-SiC (3C-SiC) entsteht. Durch außeraxiales Schneiden können atomare Stufen mit hoher Dichte und schmaler Terrassenbreite auf der Oberfläche des 4H-SiC-<0001>-Substrats eingeführt werden, und der adsorbierte Präkursor kann die atomare Stufenposition durch Oberflächendiffusion mit relativ geringer Oberflächenenergie effektiv erreichen. Bei dieser Stufe ist die Bindungsposition des Vorläuferatoms/der Molekülgruppe einzigartig, sodass die epitaktische Schicht im Stufenflusswachstumsmodus die Stapelfolge der Si-C-Doppelatomschicht des Substrats perfekt übernehmen kann, um einen Einkristall mit der gleichen Kristallphase wie das Substrat zu bilden.
(2) Schnelles epitaktisches Wachstum wird durch die Einführung einer chlorhaltigen Siliziumquelle erreicht. In herkömmlichen SiC-Gasphasenabscheidungssystemen sind Silan und Propan (oder Ethylen) die Hauptwachstumsquellen. Bei der Erhöhung der Wachstumsrate durch Erhöhung der Wachstumsquellenflussrate können sich mit zunehmendem Gleichgewichtspartialdruck der Siliziumkomponente leicht Siliziumcluster durch homogene Gasphasenkeime bilden, was die Auslastung der Siliziumquelle deutlich reduziert. Die Bildung von Siliziumclustern schränkt die Verbesserung der epitaktischen Wachstumsrate stark ein. Gleichzeitig können Siliziumcluster das Stufenwachstum stören und Defektkeime verursachen. Um die homogene Gasphasenkeime zu vermeiden und die epitaktische Wachstumsrate zu erhöhen, ist die Einführung chlorhaltiger Siliziumquellen derzeit die gängige Methode zur Erhöhung der epitaktischen Wachstumsrate von 4H-SiC.
1.2 200 mm (8 Zoll) SiC-Epitaxieausrüstung und Prozessbedingungen
Die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente wurden alle auf einer kompatiblen 150/200 mm (6/8 Zoll) monolithischen horizontalen Heißwand-SiC-Epitaxieanlage durchgeführt, die unabhängig vom 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation entwickelt wurde. Der Epitaxieofen unterstützt das vollautomatische Be- und Entladen von Wafern. Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung des inneren Aufbaus der Reaktionskammer der Epitaxieanlage. Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht die Außenwand der Reaktionskammer aus einer Quarzglocke mit einer wassergekühlten Zwischenschicht und im Inneren der Glocke befindet sich eine Hochtemperatur-Reaktionskammer, die aus wärmeisolierendem Kohlenstofffilz, einem Hohlraum aus hochreinem Spezialgraphit, einem schwebenden Drehsockel aus Graphit usw. besteht. Die gesamte Quarzglocke ist mit einer zylindrischen Induktionsspule bedeckt und die Reaktionskammer im Inneren der Glocke wird durch eine mittelfrequente Induktionsstromversorgung elektromagnetisch beheizt. Wie in Abbildung 1 (b) dargestellt, strömen Trägergas, Reaktionsgas und Dotiergas in einer horizontalen laminaren Strömung von der Reaktionskammeroberseite zur Reaktionskammerunterseite durch die Waferoberfläche und werden am Abgasende abgeführt. Um die Konsistenz innerhalb des Wafers zu gewährleisten, wird der von der luftgelagerten Basis getragene Wafer während des Prozesses ständig rotiert.
Das im Experiment verwendete Substrat ist ein handelsübliches, 150 mm, 200 mm (6 Zoll, 8 Zoll) großes, <1120>-Richtung 4° schräg verlaufendes, leitfähiges, doppelseitig poliertes n-Typ 4H-SiC-SiC-Substrat von Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) und Ethylen (C2H4) werden im Prozessexperiment als Hauptwachstumsquellen verwendet, wobei TCS und C2H4 als Silizium- bzw. Kohlenstoffquelle dienen, hochreiner Stickstoff (N2) wird als n-Typ-Dotierungsquelle verwendet und Wasserstoff (H2) wird als Verdünnungsgas und Trägergas verwendet. Der Temperaturbereich des Epitaxieprozesses liegt zwischen 1.600 und 1.660 °C, der Prozessdruck beträgt 8 × 103 bis 12 × 103 Pa und die Durchflussrate des H2-Trägergases beträgt 100 bis 140 l/min.
1.3 Prüfung und Charakterisierung epitaktischer Wafer
Ein Fourier-Infrarotspektrometer (Gerätehersteller Thermalfisher, Modell iS50) und ein Quecksilberkonzentrationsprüfgerät (Gerätehersteller Semilab, Modell 530L) wurden verwendet, um Mittelwert und Verteilung von Dicke und Dotierungskonzentration der epitaktischen Schicht zu bestimmen. Dicke und Dotierungskonzentration jedes Punkts in der epitaktischen Schicht wurden durch Nehmen von Punkten entlang der Durchmesserlinie bestimmt, die die Normallinie der Hauptreferenzkante in einem Winkel von 45° in der Mitte des Wafers mit 5 mm Randabstand schneidet. Bei einem 150-mm-Wafer wurden 9 Punkte entlang einer einzelnen Durchmesserlinie genommen (zwei Durchmesser standen senkrecht aufeinander), bei einem 200-mm-Wafer 21 Punkte, wie in Abbildung 2 dargestellt. Mit einem Rasterkraftmikroskop (Gerätehersteller Bruker, Modell Dimension Icon) wurden 30 μm × 30 μm große Bereiche in der Mitte und am Randbereich (5 mm Randabstand) des epitaktischen Wafers ausgewählt, um die Oberflächenrauheit der epitaktischen Schicht zu testen. Die Defekte der epitaktischen Schicht wurden mit einem Oberflächendefekttester (Gerätehersteller China Electronics) gemessen. Der 3D-Imager wurde durch einen Radarsensor (Modell Mars 4410 pro) von Kefenghua charakterisiert.
Beitragszeit: 04.09.2024