Actualmente, la industria del SiC está en proceso de transformación de 150 mm (6 pulgadas) a 200 mm (8 pulgadas). Para satisfacer la urgente demanda de obleas homoepitaxiales de SiC de gran tamaño y alta calidad en la industria, se han desarrollado obleas de 150 mm y 200 mm.Obleas homoepitaxiales de 4H-SiCSe prepararon con éxito en sustratos nacionales utilizando el equipo de crecimiento epitaxial de SiC de 200 mm, desarrollado independientemente. Se desarrolló un proceso homoepitaxial apto para 150 mm y 200 mm, con una tasa de crecimiento epitaxial superior a 60 µm/h. A pesar de cumplir con la alta velocidad de epitaxia, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. Uniformidad de espesor de 150 mm y 200 mm.Obleas epitaxiales de SiCSe puede controlar dentro del 1,5%, la uniformidad de concentración es inferior al 3%, la densidad de defectos fatales es inferior a 0,3 partículas/cm2 y la rugosidad superficial epitaxial Ra es inferior a 0,15 nm, y todos los indicadores de proceso centrales están en el nivel avanzado de la industria.
Carburo de silicio (SiC)Es uno de los materiales semiconductores de tercera generación. Se caracteriza por su alta intensidad de campo de ruptura, excelente conductividad térmica, alta velocidad de deriva de saturación electrónica y alta resistencia a la radiación. Ha ampliado considerablemente la capacidad de procesamiento de energía de los dispositivos de potencia y puede satisfacer las necesidades de servicio de la próxima generación de equipos electrónicos de potencia para dispositivos de alta potencia, tamaño pequeño, alta temperatura, alta radiación y otras condiciones extremas. Puede reducir el espacio, el consumo de energía y los requisitos de refrigeración. Ha impulsado cambios revolucionarios en vehículos de nuevas energías, transporte ferroviario, redes inteligentes y otros campos. Por lo tanto, los semiconductores de carburo de silicio se han reconocido como el material ideal que liderará la próxima generación de dispositivos electrónicos de potencia de alta potencia. En los últimos años, gracias al apoyo de la política nacional para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación, la investigación, el desarrollo y la construcción del sistema industrial de dispositivos de SiC de 150 mm se han completado prácticamente en China, y la seguridad de la cadena industrial está prácticamente garantizada. Por lo tanto, el enfoque de la industria se ha desplazado gradualmente hacia el control de costos y la mejora de la eficiencia. Como se muestra en la Tabla 1, en comparación con 150 mm, el SiC de 200 mm presenta una mayor tasa de utilización del borde, y la producción de chips de oblea individuales puede incrementarse aproximadamente 1,8 veces. Una vez que la tecnología madure, el costo de fabricación de un solo chip puede reducirse en un 30 %. El avance tecnológico de 200 mm es un medio directo para reducir costos y aumentar la eficiencia, y también es clave para que la industria de semiconductores de mi país avance en paralelo o incluso la lidere.
A diferencia del proceso del dispositivo Si,Dispositivos de potencia semiconductores de SiCTodos se procesan y preparan con capas epitaxiales como piedra angular. Las obleas epitaxiales son materiales básicos esenciales para los dispositivos de potencia de SiC. La calidad de la capa epitaxial determina directamente el rendimiento del dispositivo, y su costo representa el 20% del costo de fabricación del chip. Por lo tanto, el crecimiento epitaxial es un eslabón intermedio esencial en los dispositivos de potencia de SiC. El límite superior del nivel de proceso epitaxial lo determina el equipo epitaxial. Actualmente, el grado de localización de equipos epitaxiales de SiC de 150 mm en China es relativamente alto, pero el diseño general de 200 mm está rezagado con respecto al nivel internacional. Por lo tanto, para resolver las necesidades urgentes y los problemas de cuello de botella en la fabricación de material epitaxial de gran tamaño y alta calidad para el desarrollo de la industria nacional de semiconductores de tercera generación, este artículo presenta el equipo epitaxial de SiC de 200 mm desarrollado con éxito en mi país y estudia el proceso epitaxial. Al optimizar parámetros del proceso, como la temperatura, el caudal del gas portador y la relación C/Si, entre otros, se obtienen uniformidad de concentración <3 %, irregularidad de espesor <1,5 %, rugosidad Ra <0,2 nm y densidad de defectos fatales <0,3 granos/cm² en obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm, con un horno epitaxial de carburo de silicio de 200 mm desarrollado por nosotros. El nivel de proceso del equipo satisface las necesidades de preparación de dispositivos de potencia de SiC de alta calidad.
1 experimento
1.1 Principio deepitaxial de SiCproceso
El proceso de crecimiento homoepitaxial de 4H-SiC consta principalmente de dos pasos clave: el grabado in situ a alta temperatura del sustrato de 4H-SiC y la deposición química en fase de vapor (CVF). El objetivo principal del grabado in situ del sustrato es eliminar los daños superficiales del sustrato tras el pulido de la oblea, así como los residuos del líquido de pulido, las partículas y la capa de óxido, y formar una estructura atómica regular en la superficie del sustrato mediante el grabado. El grabado in situ se realiza habitualmente en atmósfera de hidrógeno. Según los requisitos del proceso, también se puede añadir una pequeña cantidad de gas auxiliar, como cloruro de hidrógeno, propano, etileno o silano. La temperatura del grabado in situ con hidrógeno suele ser superior a 1600 °C y la presión de la cámara de reacción se controla generalmente por debajo de 2 × 10⁻¹ Pa durante el proceso de grabado.
Tras la activación de la superficie del sustrato mediante grabado in situ, esta entra en el proceso de deposición química en fase de vapor a alta temperatura. En este proceso, la fuente de crecimiento (como etileno/propano, TCS/silano), la fuente de dopaje (nitrógeno, fuente de dopaje tipo n, TMAl, fuente de dopaje tipo p) y el gas auxiliar, como el cloruro de hidrógeno, se transportan a la cámara de reacción mediante un gran flujo de gas portador (normalmente hidrógeno). Tras la reacción del gas en la cámara de reacción a alta temperatura, parte del precursor reacciona químicamente y se adsorbe en la superficie de la oblea. De esta manera, se forma sobre la superficie del sustrato una capa epitaxial homogénea de 4H-SiC monocristalina con una concentración de dopaje específica, un espesor específico y una mayor calidad, utilizando el sustrato monocristalino de 4H-SiC como plantilla. Tras años de investigación técnica, la tecnología homoepitaxial de 4H-SiC ha alcanzado su madurez y se utiliza ampliamente en la producción industrial. La tecnología homoepitaxial 4H-SiC más utilizada en el mundo tiene dos características típicas:
(1) Utilizando un sustrato de corte oblicuo fuera del eje (relativo al plano cristalino <0001>, hacia la dirección cristalina <11-20>) como plantilla, se deposita sobre el sustrato una capa epitaxial de 4H-SiC monocristalino de alta pureza sin impurezas en forma de modo de crecimiento de flujo escalonado. El crecimiento homoepitaxial temprano de 4H-SiC utilizó un sustrato cristalino positivo, es decir, el plano de Si <0001> para el crecimiento. La densidad de escalones atómicos en la superficie del sustrato cristalino positivo es baja y las terrazas son amplias. El crecimiento de nucleación bidimensional es fácil de ocurrir durante el proceso de epitaxia para formar SiC cristalino 3C (3C-SiC). Mediante el corte fuera del eje, se pueden introducir escalones atómicos de alta densidad y ancho de terraza estrecho en la superficie del sustrato de 4H-SiC <0001>, y el precursor adsorbido puede alcanzar efectivamente la posición del escalón atómico con una energía superficial relativamente baja a través de la difusión superficial. En el paso, la posición de enlace del átomo precursor/grupo molecular es única, por lo que en el modo de crecimiento de flujo escalonado, la capa epitaxial puede heredar perfectamente la secuencia de apilamiento de capa atómica doble Si-C del sustrato para formar un solo cristal con la misma fase cristalina que el sustrato.
(2) El crecimiento epitaxial a alta velocidad se logra mediante la introducción de una fuente de silicio que contiene cloro. En los sistemas convencionales de deposición química en fase de vapor de SiC, el silano y el propano (o etileno) son las principales fuentes de crecimiento. Al aumentar la tasa de crecimiento mediante el caudal de la fuente de crecimiento, a medida que aumenta la presión parcial de equilibrio del componente de silicio, es fácil formar cúmulos de silicio por nucleación homogénea en fase gaseosa, lo que reduce significativamente la tasa de utilización de la fuente de silicio. La formación de cúmulos de silicio limita considerablemente la mejora de la tasa de crecimiento epitaxial. Al mismo tiempo, los cúmulos de silicio pueden perturbar el crecimiento por flujo escalonado y causar la nucleación de defectos. Para evitar la nucleación homogénea en fase gaseosa y aumentar la tasa de crecimiento epitaxial, la introducción de fuentes de silicio basadas en cloro es actualmente el método principal para aumentar la tasa de crecimiento epitaxial del 4H-SiC.
1.2 Equipos epitaxiales de SiC de 200 mm (8 pulgadas) y condiciones del proceso
Los experimentos descritos en este documento se llevaron a cabo en un equipo epitaxial de SiC de pared caliente horizontal monolítico compatible de 150/200 mm (6/8 de pulgada) desarrollado independientemente por el 48.º Instituto de China Electronics Technology Group Corporation. El horno epitaxial admite la carga y descarga de obleas completamente automáticas. La Figura 1 es un diagrama esquemático de la estructura interna de la cámara de reacción del equipo epitaxial. Como se muestra en la Figura 1, la pared exterior de la cámara de reacción es una campana de cuarzo con una capa intermedia refrigerada por agua, y el interior de la campana es una cámara de reacción de alta temperatura, que está compuesta de fieltro de carbono de aislamiento térmico, cavidad de grafito especial de alta pureza, base giratoria flotante de gas de grafito, etc. Toda la campana de cuarzo está cubierta con una bobina de inducción cilíndrica, y la cámara de reacción dentro de la campana se calienta electromagnéticamente mediante una fuente de alimentación de inducción de frecuencia media. Como se muestra en la Figura 1 (b), el gas portador, el gas de reacción y el gas dopante fluyen a través de la superficie de la oblea en un flujo laminar horizontal desde la parte superior de la cámara de reacción hasta la parte inferior, y se descargan por el extremo del gas de cola. Para garantizar la consistencia dentro de la oblea, esta, transportada por la base flotante de aire, gira constantemente durante el proceso.
El sustrato utilizado en el experimento es un sustrato de SiC 4H-SiC de tipo n, conductor, pulido por ambos lados, de 150 mm y 200 mm (6 y 8 pulgadas) con una dirección <1120° y un ángulo de 4°, producido por Shanxi Shuoke Crystal. El triclorosilano (SiHCl3, TCS) y el etileno (C2H4) se utilizan como principales fuentes de crecimiento en el experimento de proceso; entre ellas, el TCS y el C2H4 se utilizan como fuente de silicio y carbono, respectivamente; el nitrógeno (N2) de alta pureza se utiliza como fuente de dopaje de tipo n; y el hidrógeno (H2) se utiliza como gas de dilución y gas portador. El rango de temperatura del proceso epitaxial es de 1600 a 1660 °C, la presión del proceso es de 8×103 a 12×103 Pa y el caudal del gas portador H2 es de 100 a 140 L/min.
1.3 Pruebas y caracterización de obleas epitaxiales
Se utilizaron un espectrómetro infrarrojo de Fourier (fabricante de equipos Thermalfisher, modelo iS50) y un comprobador de concentración de sonda de mercurio (fabricante de equipos Semilab, modelo 530L) para caracterizar la media y la distribución del espesor de la capa epitaxial y la concentración de dopaje; el espesor y la concentración de dopaje de cada punto en la capa epitaxial se determinaron tomando puntos a lo largo de la línea de diámetro que interseca la línea normal del borde de referencia principal a 45° en el centro de la oblea con una eliminación del borde de 5 mm. Para una oblea de 150 mm, se tomaron 9 puntos a lo largo de una sola línea de diámetro (dos diámetros eran perpendiculares entre sí), y para una oblea de 200 mm, se tomaron 21 puntos, como se muestra en la Figura 2. Se utilizó un microscopio de fuerza atómica (fabricante de equipos Bruker, modelo Dimension Icon) para seleccionar áreas de 30 μm × 30 μm en el área central y el área del borde (eliminación del borde de 5 mm) de la oblea epitaxial para probar la rugosidad de la superficie de la capa epitaxial; los defectos de la capa epitaxial se midieron utilizando un comprobador de defectos de superficie (fabricante de equipos China Electronics). El generador de imágenes 3D se caracterizó mediante un sensor de radar (modelo Mars 4410 pro) de Kefenghua.
Hora de publicación: 04-sep-2024