Actualmente, la industria del SiC está pasando 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 están desarrollando 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 adecuado para 150 mm y 200 mm, en el que la tasa de crecimiento epitaxial puede ser superior a 60 µm/h. Al tiempo que se cumple con la epitaxia de alta velocidad, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. La uniformidad del espesor de 150 mm y 200 mmobleas 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 cuadrática media Ra es inferior a 0,15 nm, y todos los indicadores del proceso principal están en el nivel avanzado de la industria.
Carburo de silicio (SiC)es uno de los representantes de los materiales semiconductores de tercera generación. Posee características como una alta rigidez dieléctrica, excelente conductividad térmica, gran velocidad de deriva de saturación electrónica y fuerte resistencia a la radiación. Ha ampliado considerablemente la capacidad de procesamiento de energía de los dispositivos de potencia y puede satisfacer los requisitos de servicio de la próxima generación de equipos electrónicos de potencia para dispositivos de alta potencia, tamaño reducido, alta temperatura, alta radiación y otras condiciones extremas. Puede reducir el espacio, el consumo de energía y los requisitos de refrigeración. Ha aportado cambios revolucionarios a los vehículos de nueva energía, el transporte ferroviario, las redes inteligentes y otros campos. Por lo tanto, los semiconductores de carburo de silicio se han consolidado como el material ideal que liderará la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia. En los últimos años, gracias al apoyo de las políticas nacionales para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación, la investigación, el desarrollo y la construcción del sistema industrial de dispositivos SiC de 150 mm se han completado prácticamente en China, y la seguridad de la cadena industrial está prácticamente garantizada. Por consiguiente, el enfoque de la industria se ha desplazado gradualmente hacia el control de costes 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 de bordes, y la producción de chips de una sola oblea puede incrementarse aproximadamente 1,8 veces. Una vez que la tecnología madure, el costo de fabricación de un solo chip podrá reducirse en un 30 %. El avance tecnológico de 200 mm representa una forma directa de reducir costos y aumentar la eficiencia, y es clave para que la industria de semiconductores de nuestro país pueda competir en paralelo o incluso liderar el sector.
A diferencia del proceso de dispositivos de Si,Dispositivos de potencia semiconductores de SiCTodos los procesos se realizan 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 del proceso epitaxial está determinado por el equipo epitaxial. Actualmente, el grado de localización del equipo epitaxial de SiC de 150 mm en China es relativamente alto, pero la disposición general de 200 mm está rezagada con respecto al nivel internacional. Por lo tanto, para resolver las necesidades urgentes y los problemas de cuello de botella de 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. Mediante la optimización de parámetros de proceso como la temperatura, el caudal del gas portador y la relación C/Si, se obtienen obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm con una uniformidad de concentración <3%, una no uniformidad de espesor <1,5%, una rugosidad Ra <0,2 nm y una densidad de defectos críticos <0,3 granos/cm², utilizando un horno epitaxial de carburo de silicio de 200 mm desarrollado independientemente. El nivel de procesamiento del equipo cumple con los requisitos para la fabricación de dispositivos de potencia de SiC de alta calidad.
1 Experiment
1.1 Principio deSiC epitaxialproceso
El proceso de crecimiento homoepitaxial de 4H-SiC incluye principalmente dos pasos clave: el grabado in situ a alta temperatura del sustrato de 4H-SiC y la deposición química en fase vapor homogénea. El objetivo principal del grabado in situ del sustrato es eliminar los daños subsuperficiales posteriores al pulido de la oblea, el líquido de pulido residual, las partículas y la capa de óxido, y así formar una estructura de escalones atómicos regulares en la superficie del sustrato. El grabado in situ se suele realizar en atmósfera de hidrógeno. Según los requisitos del proceso, 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 × 10⁴ Pa durante el proceso de grabado.
Después de que la superficie del sustrato se activa mediante grabado in situ, entra en el proceso de deposición química en fase vapor a alta temperatura, es decir, la fuente de crecimiento (como etileno/propano, TCS/silano), la fuente de dopaje (fuente de dopaje de tipo n nitrógeno, fuente de dopaje de tipo p TMAl) y el gas auxiliar, como el cloruro de hidrógeno, se transportan a la cámara de reacción a través de un gran flujo de gas portador (generalmente hidrógeno). Después de que el gas reacciona en la cámara de reacción a alta temperatura, parte del precursor reacciona químicamente y se adsorbe en la superficie de la oblea, y se forma una capa epitaxial homogénea monocristalina de 4H-SiC con una concentración de dopaje específica, un espesor específico y una mayor calidad en la superficie del sustrato utilizando el sustrato monocristalino de 4H-SiC como plantilla. Después de años de exploración técnica, la tecnología homoepitaxial de 4H-SiC ha madurado básicamente y se utiliza ampliamente en la producción industrial. La tecnología homoepitaxial de 4H-SiC más utilizada en el mundo tiene dos características típicas:
(1) Utilizando un sustrato cortado oblicuo fuera del eje (en relación con el plano cristalino <0001>, hacia la dirección cristalina <11-20>) como plantilla, se deposita una capa epitaxial monocristalina de 4H-SiC de alta pureza sin impurezas sobre el sustrato en forma de modo de crecimiento por flujo de escalones. El crecimiento homoepitaxial de 4H-SiC inicial utilizó un sustrato cristalino positivo, es decir, el plano Si <0001> para el crecimiento. La densidad de escalones atómicos en la superficie del sustrato cristalino positivo es baja y las terrazas son anchas. El crecimiento por 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 4H-SiC <0001>, y el precursor adsorbido puede alcanzar eficazmente la posición del escalón atómico con energía superficial relativamente baja a través de difusión superficial. En este paso, la posición de enlace del átomo precursor/grupo molecular es única, por lo que en el modo de crecimiento por flujo escalonado, la capa epitaxial puede heredar perfectamente la secuencia de apilamiento de doble capa atómica Si-C del sustrato para formar un monocristal con la misma fase cristalina que el sustrato.
(2) El crecimiento epitaxial de alta velocidad se logra mediante la introducción de una fuente de silicio que contiene cloro. En los sistemas convencionales de deposición química en fase vapor de SiC, el silano y el propano (o etileno) son las principales fuentes de crecimiento. En el proceso de aumentar la velocidad de crecimiento mediante el incremento del caudal de la fuente de crecimiento, a medida que la presión parcial de equilibrio del componente de silicio continúa aumentando, es fácil que se formen 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 en gran medida la mejora de la velocidad de crecimiento epitaxial. Al mismo tiempo, los cúmulos de silicio pueden perturbar el crecimiento por flujo de escalones y causar la nucleación de defectos. Para evitar la nucleación homogénea en fase gaseosa y aumentar la velocidad de crecimiento epitaxial, la introducción de fuentes de silicio a base de cloro es actualmente el método principal para aumentar la velocidad de crecimiento epitaxial del 4H-SiC.
1.2 Equipo epitaxial de SiC de 200 mm (8 pulgadas) y condiciones del proceso
Los experimentos descritos en este artículo se llevaron a cabo en un equipo epitaxial de SiC horizontal monolítico compatible de 150/200 mm (6/8 de pulgada) con pared caliente, desarrollado independientemente por el Instituto 48 de China Electronics Technology Group Corporation. El horno epitaxial admite la carga y descarga automática de obleas. La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de la estructura interna de la cámara de reacción del equipo epitaxial. Como se observa 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, compuesta por fieltro de carbono con aislamiento térmico, una cavidad de grafito especial de alta pureza, una base giratoria flotante de gas de grafito, etc. Toda la campana de cuarzo está cubierta por una bobina de inducción cilíndrica, y la cámara de reacción en su interior 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 reactivo y el gas dopante fluyen a través de la superficie de la oblea en un flujo laminar horizontal desde la entrada hasta la salida de la cámara de reacción, y se descargan por el extremo de salida. Para garantizar la uniformidad dentro de la oblea, esta, sostenida por la base flotante de aire, gira continuamente durante el proceso.
El sustrato utilizado en el experimento es un sustrato comercial de SiC 4H-SiC de doble cara pulido, conductor, de 150 mm, 200 mm (6 pulgadas, 8 pulgadas) en la dirección <1120> con un ángulo de 4°, producido por Shanxi Shuoke Crystal. El triclorosilano (SiHCl3, TCS) y el etileno (C2H4) se utilizan como fuentes principales de crecimiento en el experimento del proceso, donde el TCS y el C2H4 se utilizan como fuente de silicio y fuente de carbono, respectivamente; el nitrógeno de alta pureza (N2) 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 ℃, 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 utilizó un espectrómetro infrarrojo de Fourier (fabricante del equipo Thermalfisher, modelo iS50) y un analizador de concentración de sonda de mercurio (fabricante del equipo 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 de 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 de 5 mm del borde) 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 probador 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.
Fecha de publicación: 4 de septiembre de 2024