Actuellement, l'industrie du SiC est en pleine transformation, passant de 150 mm (6 pouces) à 200 mm (8 pouces). Afin de répondre à la demande urgente de plaquettes homoépitaxiales SiC de grande taille et de haute qualité, les formats 150 mm et 200 mm ont été développés.Plaquettes homoépitaxiales 4H-SiCDes plaquettes ont été préparées avec succès sur des substrats locaux grâce à l'équipement de croissance épitaxiale SiC de 200 mm développé indépendamment. Un procédé homoépitaxial adapté aux épaisseurs de 150 et 200 mm a été développé, permettant une vitesse de croissance épitaxiale supérieure à 60 µm/h. Tout en répondant aux exigences d'épitaxie à grande vitesse, la qualité des plaquettes épitaxiées est excellente. L'épaisseur est uniforme à 150 et 200 mm.plaquettes épitaxiales de SiCpeut être contrôlé à 1,5 %, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3 %, la densité des défauts fatals est inférieure à 0,3 particules/cm2 et la valeur quadratique moyenne de la rugosité de surface épitaxiale Ra est inférieure à 0,15 nm, et tous les indicateurs de processus de base sont au niveau avancé de l'industrie.
Carbure de silicium (SiC)Il s'agit de l'un des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il présente une intensité de champ de claquage élevée, une excellente conductivité thermique, une grande vitesse de dérive de saturation électronique et une forte résistance aux radiations. Il a considérablement amélioré la capacité de traitement énergétique des dispositifs de puissance et peut répondre aux exigences de la prochaine génération d'équipements électroniques de puissance, notamment pour les dispositifs de forte puissance, de petite taille, soumis à des températures élevées, à des radiations élevées et soumis à d'autres conditions extrêmes. Il permet de réduire l'espace, la consommation d'énergie et les besoins de refroidissement. Il a révolutionné les véhicules à énergies nouvelles, le transport ferroviaire, les réseaux intelligents et d'autres domaines. Par conséquent, les semi-conducteurs en carbure de silicium sont reconnus comme le matériau idéal pour la prochaine génération de dispositifs électroniques de puissance de forte puissance. Ces dernières années, grâce au soutien politique national au développement de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération, la recherche, le développement et la construction du système industriel des dispositifs SiC de 150 mm ont été quasiment achevés en Chine, garantissant ainsi la sécurité de la chaîne industrielle. Par conséquent, l'industrie s'est progressivement orientée vers la maîtrise des coûts et l'amélioration de l'efficacité. Comme le montre le tableau 1, le SiC de 200 mm présente un taux d'utilisation des bords supérieur à celui de 150 mm, et la production de puces mono-plaquettes peut être multipliée par environ 1,8. Une fois la technologie mature, le coût de fabrication d'une puce peut être réduit de 30 %. La percée technologique du 200 mm est un moyen direct de « réduire les coûts et d'accroître l'efficacité », et elle est également essentielle pour que l'industrie des semi-conducteurs de mon pays puisse « évoluer en parallèle », voire « prendre l'avantage ».
Différent du processus de dispositif Si,Dispositifs de puissance à semi-conducteurs SiCLes couches épitaxiales sont toutes traitées et préparées avec comme pierre angulaire les couches épitaxiales. Les plaquettes épitaxiales sont des matériaux de base essentiels pour les dispositifs de puissance SiC. La qualité de la couche épitaxiale détermine directement le rendement du dispositif, et son coût représente 20 % du coût de fabrication de la puce. Par conséquent, la croissance épitaxiale est un maillon intermédiaire essentiel dans les dispositifs de puissance SiC. La limite supérieure du niveau du processus épitaxial est déterminée par l'équipement épitaxial. Actuellement, le degré de localisation de l'équipement épitaxial SiC de 150 mm en Chine est relativement élevé, mais la disposition globale du 200 mm est en retard par rapport au niveau international. Par conséquent, afin de répondre aux besoins urgents et aux problèmes de goulot d'étranglement de la fabrication de matériaux épitaxiaux de grande taille et de haute qualité pour le développement de l'industrie nationale des semi-conducteurs de troisième génération, cet article présente l'équipement épitaxial SiC de 200 mm développé avec succès dans mon pays et étudie le processus épitaxial. En optimisant les paramètres du procédé tels que la température, le débit du gaz vecteur et le rapport C/Si, nous obtenons une uniformité de concentration inférieure à 3 %, une hétérogénéité d'épaisseur inférieure à 1,5 %, une rugosité Ra inférieure à 0,2 nm et une densité de défauts fatals inférieure à 0,3 grains/cm² sur des plaquettes épitaxiales SiC de 150 mm et 200 mm, grâce à un four épitaxial en carbure de silicium de 200 mm développé indépendamment. L'équipement répond aux exigences de la préparation de composants de puissance SiC de haute qualité.
1 Expérience
1.1 Principe deSiC épitaxialprocessus
Le procédé de croissance homoépitaxiale du 4H-SiC comprend principalement deux étapes clés : la gravure in situ à haute température du substrat 4H-SiC et le dépôt chimique en phase vapeur homogène. L'objectif principal de la gravure in situ du substrat est d'éliminer les dommages sous-jacents du substrat après le polissage de la plaquette, ainsi que les résidus de liquide de polissage, de particules et de couche d'oxyde. Une structure atomique régulière peut ainsi être formée à la surface du substrat. La gravure in situ est généralement réalisée sous atmosphère d'hydrogène. Selon les exigences du procédé, une faible quantité de gaz auxiliaire, tel que du chlorure d'hydrogène, du propane, de l'éthylène ou du silane, peut également être ajoutée. La température de gravure in situ à l'hydrogène est généralement supérieure à 1 600 °C et la pression de la chambre de réaction est généralement maintenue à une valeur inférieure à 2 × 104 Pa.
Après activation de la surface du substrat par gravure in situ, celle-ci est soumise au procédé de dépôt chimique en phase vapeur à haute température. La source de croissance (éthylène/propane, TCS/silane), la source de dopage (azote de type n, TMAl de type p) et le gaz auxiliaire, tel que le chlorure d'hydrogène, sont transportés vers la chambre de réaction par un important flux de gaz vecteur (généralement de l'hydrogène). Après la réaction du gaz dans la chambre de réaction à haute température, une partie du précurseur réagit chimiquement et s'adsorbe à la surface du wafer. Une couche épitaxiale monocristalline homogène de 4H-SiC, présentant une concentration de dopage et une épaisseur spécifiques et une qualité supérieure, est formée à la surface du substrat, en utilisant le substrat monocristallin de 4H-SiC comme matrice. Après des années d'exploration technique, la technologie homoépitaxiale du 4H-SiC est parvenue à maturité et est largement utilisée en production industrielle. La technologie homoépitaxiale du 4H-SiC la plus répandue au monde présente deux caractéristiques principales :
(1) En utilisant un substrat coupé obliquement hors axe (par rapport au plan cristallin <0001>, dans la direction cristalline <11-20>) comme gabarit, une couche épitaxiale de monocristal 4H-SiC de haute pureté, exempte d'impuretés, est déposée sur le substrat selon un mode de croissance par écoulement par paliers. La croissance homoépitaxiale initiale du 4H-SiC utilisait un substrat cristallin positif, c'est-à-dire le plan Si <0001>. La densité des paliers atomiques à la surface du substrat cristallin positif est faible et les terrasses sont larges. Une croissance par nucléation bidimensionnelle se produit facilement pendant le processus d'épitaxie pour former du cristal SiC 3C (3C-SiC). La coupe hors axe permet d'introduire des paliers atomiques de haute densité et de largeur de terrasse étroite à la surface du substrat 4H-SiC <0001>, et le précurseur adsorbé peut atteindre efficacement la position du palier atomique avec une énergie de surface relativement faible par diffusion de surface. À l'étape, la position de liaison atome précurseur/groupe moléculaire est unique, donc dans le mode de croissance par flux par étapes, la couche épitaxiale peut parfaitement hériter de la séquence d'empilement de double couche atomique Si-C du substrat pour former un monocristal avec la même phase cristalline que le substrat.
(2) La croissance épitaxiale à grande vitesse est obtenue par l'introduction d'une source de silicium contenant du chlore. Dans les systèmes conventionnels de dépôt chimique en phase vapeur de SiC, le silane et le propane (ou l'éthylène) sont les principales sources de croissance. L'augmentation du débit de la source de croissance, associée à l'augmentation de la pression partielle d'équilibre du silicium, facilite la formation d'agrégats de silicium par nucléation homogène en phase gazeuse, ce qui réduit considérablement le taux d'utilisation de la source de silicium. La formation d'agrégats de silicium limite considérablement l'amélioration de la croissance épitaxiale. Parallèlement, ils peuvent perturber la croissance par écoulement et provoquer la nucléation de défauts. Afin d'éviter la nucléation homogène en phase gazeuse et d'augmenter la croissance épitaxiale, l'introduction de sources de silicium à base de chlore est actuellement la méthode la plus courante pour augmenter la croissance épitaxiale du 4H-SiC.
1.2 Équipement épitaxial SiC de 200 mm (8 pouces) et conditions de traitement
Les expériences décrites dans cet article ont toutes été réalisées sur un four épitaxial SiC horizontal monolithique compatible de 150/200 mm (6/8 pouces), développé indépendamment par le 48e Institut de la China Electronics Technology Group Corporation. Le four épitaxial permet un chargement et un déchargement entièrement automatiques des plaquettes. La figure 1 est un schéma de la structure interne de la chambre de réaction de l'équipement épitaxial. Comme le montre la figure 1, la paroi extérieure de la chambre de réaction est une cloche en quartz avec une couche intermédiaire refroidie par eau, et l'intérieur de la cloche est une chambre de réaction haute température, composée d'un feutre de carbone isolant thermique, d'une cavité en graphite spécial de haute pureté, d'une base rotative flottante en graphite gazeux, etc. La cloche en quartz est entièrement recouverte d'une bobine d'induction cylindrique, et la chambre de réaction à l'intérieur de la cloche est chauffée électromagnétiquement par une alimentation à induction moyenne fréquence. Comme le montre la figure 1 (b), le gaz vecteur, le gaz de réaction et le gaz dopant circulent tous à travers la surface de la plaquette selon un flux laminaire horizontal, de l'amont vers l'aval de la chambre de réaction, puis sont évacués par l'extrémité du gaz résiduaire. Afin de garantir l'homogénéité de la plaquette, celle-ci, portée par la base flottante, est constamment en rotation pendant le processus.
Français Le substrat utilisé dans l'expérience est un substrat SiC poli double face conducteur de type n 4H de 150 mm, 200 mm (6 pouces, 8 pouces) <1120> de direction 4° décalé, produit par Shanxi Shuoke Crystal. Le trichlorosilane (SiHCl3, TCS) et l'éthylène (C2H4) sont utilisés comme principales sources de croissance dans l'expérience de procédé, parmi lesquelles le TCS et le C2H4 sont utilisés respectivement comme source de silicium et de carbone, l'azote de haute pureté (N2) est utilisé comme source de dopage de type n, et l'hydrogène (H2) est utilisé comme gaz de dilution et gaz vecteur. La plage de température du procédé épitaxial est de 1 600 ~ 1 660 ℃, la pression du procédé est de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, et le débit de gaz vecteur H2 est de 100 ～ 140 L/min.
1.3 Test et caractérisation des plaquettes épitaxiales
Un spectromètre infrarouge de Fourier (fabricant d'équipement Thermalfisher, modèle iS50) et un testeur de concentration à sonde de mercure (fabricant d'équipement Semilab, modèle 530L) ont été utilisés pour caractériser la moyenne et la distribution de l'épaisseur de la couche épitaxiale et de la concentration de dopage ; l'épaisseur et la concentration de dopage de chaque point de la couche épitaxiale ont été déterminées en prenant des points le long de la ligne de diamètre coupant la ligne normale du bord de référence principal à 45° au centre de la plaquette avec un retrait de bord de 5 mm. Pour une plaquette de 150 mm, 9 points ont été pris le long d'une seule ligne de diamètre (deux diamètres étaient perpendiculaires l'un à l'autre), et pour une plaquette de 200 mm, 21 points ont été pris, comme le montre la figure 2. Un microscope à force atomique (fabricant d'équipement Bruker, modèle Dimension Icon) a été utilisé pour sélectionner des zones de 30 μm × 30 μm dans la zone centrale et la zone de bord (retrait de bord de 5 mm) de la plaquette épitaxiale pour tester la rugosité de surface de la couche épitaxiale ; les défauts de la couche épitaxiale ont été mesurés à l'aide d'un testeur de défauts de surface (fabricant d'équipement China Electronics). L'imageur 3D a été caractérisé par un capteur radar (modèle Mars 4410 pro) de Kefenghua.
Date de publication : 4 septembre 2024