Actualmente, a industria do SiC está a transformarse de 150 mm (6 polgadas) a 200 mm (8 polgadas). Para satisfacer a urxente demanda de obleas homoepitaxiales de SiC de gran tamaño e alta calidade na industria, 150 mm e 200 mmObleas homoepitaxiales de 4H-SiCpreparáronse con éxito en substratos domésticos empregando o equipo de crecemento epitaxial de SiC de 200 mm desenvolvido de forma independente. Desenvolveuse un proceso homoepitaxial axeitado para 150 mm e 200 mm, no que a taxa de crecemento epitaxial pode ser superior a 60 µm/h. Aínda que cumpre coa epitaxia de alta velocidade, a calidade da oblea epitaxial é excelente. A uniformidade de grosor de 150 mm e 200 mmObleas epitaxiais de SiCpódese controlar dentro do 1,5 %, a uniformidade da concentración é inferior ao 3 %, a densidade de defectos fatais é inferior a 0,3 partículas/cm2 e a raíz cuadrática media da rugosidade superficial epitaxial Ra é inferior a 0,15 nm, e todos os indicadores principais do proceso están no nivel avanzado da industria.
Carburo de silicio (SiC)é un dos representantes dos materiais semicondutores de terceira xeración. Ten as características de alta resistencia ao campo de ruptura, excelente condutividade térmica, gran velocidade de deriva de saturación de electróns e forte resistencia á radiación. Ampliou enormemente a capacidade de procesamento de enerxía dos dispositivos de potencia e pode cumprir os requisitos de servizo da próxima xeración de equipos electrónicos de potencia para dispositivos con alta potencia, pequeno tamaño, alta temperatura, alta radiación e outras condicións extremas. Pode reducir o espazo, reducir o consumo de enerxía e reducir os requisitos de refrixeración. Trouxo cambios revolucionarios nos vehículos de novas enerxías, o transporte ferroviario, as redes intelixentes e outros campos. Polo tanto, os semicondutores de carburo de silicio foron recoñecidos como o material ideal que liderará a próxima xeración de dispositivos electrónicos de potencia de alta potencia. Nos últimos anos, grazas ao apoio da política nacional para o desenvolvemento da industria de semicondutores de terceira xeración, a investigación, o desenvolvemento e a construción do sistema da industria de dispositivos SiC de 150 mm completáronse basicamente en China, e a seguridade da cadea industrial quedou basicamente garantida. Polo tanto, o foco da industria cambiou gradualmente ao control de custos e á mellora da eficiencia. Como se mostra na Táboa 1, en comparación cos 150 mm, os 200 mm de SiC teñen unha taxa de utilización de bordos máis alta e a produción de chips de oblea individual pode aumentar aproximadamente 1,8 veces. Unha vez que a tecnoloxía madure, o custo de fabricación dun só chip pode reducirse nun 30 %. O avance tecnolóxico dos 200 mm é un medio directo para "reducir custos e aumentar a eficiencia" e tamén é a clave para que a industria de semicondutores do meu país "funcione en paralelo" ou incluso "lidere".
Diferente do proceso do dispositivo Si,Dispositivos de potencia de semicondutores de SiCTodos eles procesanse e prepáranse con capas epitaxiais como pedra angular. As obleas epitaxiais son materiais básicos esenciais para os dispositivos de potencia de SiC. A calidade da capa epitaxiais determina directamente o rendemento do dispositivo e o seu custo representa o 20 % do custo de fabricación do chip. Polo tanto, o crecemento epitaxiais é un elo intermedio esencial nos dispositivos de potencia de SiC. O límite superior do nivel do proceso epitaxiais está determinado polo equipo epitaxiais. Na actualidade, o grao de localización do equipo epitaxiais de SiC de 150 mm en China é relativamente alto, pero ao mesmo tempo o deseño xeral de 200 mm está por detrás do nivel internacional. Polo tanto, para resolver as necesidades urxentes e os problemas de gargalo da fabricación de materiais epitaxiais de gran tamaño e alta calidade para o desenvolvemento da industria nacional de semicondutores de terceira xeración, este artigo presenta o equipo epitaxiais de SiC de 200 mm desenvolvido con éxito no meu país e estuda o proceso epitaxiais. Ao optimizar os parámetros do proceso, como a temperatura do proceso, o caudal do gas portador, a relación C/Si, etc., conséguense uniformidade de concentración <3 %, non uniformidade de espesor <1,5 %, rugosidade Ra <0,2 nm e densidade de defectos fatais <0,3 grans/cm2 de obleas epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm cun forno epitaxial de carburo de silicio de 200 mm desenvolvido independentemente. O nivel de proceso do equipamento pode satisfacer as necesidades de preparación de dispositivos de potencia de SiC de alta calidade.
1 Experimento
1.1 Principio deepitaxial de SiCproceso
O proceso de crecemento homoepitaxial de 4H-SiC inclúe principalmente 2 pasos clave, concretamente, o gravado in situ a alta temperatura do substrato 4H-SiC e o proceso de deposición química de vapor homoxéneo. O obxectivo principal do gravado in situ do substrato é eliminar os danos subsuperficiais do substrato despois do pulido da oblea, o líquido de pulido residual, as partículas e a capa de óxido, e pode formarse unha estrutura escalonada atómica regular na superficie do substrato mediante gravado. O gravado in situ adoita levarse a cabo nunha atmosfera de hidróxeno. De acordo cos requisitos reais do proceso, tamén se pode engadir unha pequena cantidade de gas auxiliar, como cloruro de hidróxeno, propano, etileno ou silano. A temperatura do gravado de hidróxeno in situ é xeralmente superior a 1600 ℃ e a presión da cámara de reacción xeralmente contrólase por debaixo de 2 × 10⁴ Pa durante o proceso de gravado.
Despois de que a superficie do substrato sexa activada mediante gravado in situ, esta entra no proceso de deposición química de vapor a alta temperatura, é dicir, a fonte de crecemento (como etileno/propano, TCS/silano), a fonte de dopaxe (fonte de dopaxe de tipo n nitróxeno, fonte de dopaxe de tipo p TMAl) e o gas auxiliar como o cloruro de hidróxeno son transportados á cámara de reacción a través dun gran fluxo de gas portador (xeralmente hidróxeno). Despois de que o gas reaccione na cámara de reacción a alta temperatura, parte do precursor reacciona quimicamente e adsórbese na superficie da oblea, e fórmase unha capa epitaxial monocristalina homoxénea de 4H-SiC cunha concentración de dopaxe específica, un grosor específico e unha maior calidade na superficie do substrato utilizando o substrato monocristalino 4H-SiC como modelo. Despois de anos de exploración técnica, a tecnoloxía homoepitaxial 4H-SiC basicamente madurou e utilízase amplamente na produción industrial. A tecnoloxía homoepitaxial 4H-SiC máis utilizada no mundo ten dúas características típicas:
(1) Usando un substrato de corte oblicuo fóra do eixo (en relación co plano cristalino <0001>, cara á dirección do cristal <11-20>) como molde, deposítase sobre o substrato unha capa epitaxial de 4H-SiC monocristal de alta pureza sen impurezas en forma de modo de crecemento por fluxo escalonado. O crecemento homoepitaxial inicial de 4H-SiC utilizaba un substrato de cristal positivo, é dicir, o plano de Si <0001> para o crecemento. A densidade de pasos atómicos na superficie do substrato de cristal positivo é baixa e as terrazas son anchas. É doado que se produza un crecemento de nucleación bidimensional durante o proceso de epitaxia para formar o cristal de SiC 3C (3C-SiC). Mediante o corte fóra do eixo, pódense introducir pasos atómicos de alta densidade e ancho de terraza estreito na superficie do substrato 4H-SiC <0001>, e o precursor adsorbido pode alcanzar eficazmente a posición do paso atómico cunha enerxía superficial relativamente baixa a través da difusión superficial. Nesta etapa, a posición de unión do átomo precursor/grupo molecular é única, polo que no modo de crecemento de fluxo por etapas, a capa epitaxial pode herdar perfectamente a secuencia de apilamento de dobre capa atómica de Si-C do substrato para formar un monocristal coa mesma fase cristalina que o substrato.
(2) O crecemento epitaxial de alta velocidade conséguese introducindo unha fonte de silicio que contén cloro. Nos sistemas convencionais de deposición química de vapor de SiC, o silano e o propano (ou etileno) son as principais fontes de crecemento. No proceso de aumento da taxa de crecemento mediante o aumento do caudal da fonte de crecemento, a medida que a presión parcial de equilibrio do compoñente de silicio continúa a aumentar, é doado formar clústeres de silicio mediante a nucleación homoxénea en fase gasosa, o que reduce significativamente a taxa de utilización da fonte de silicio. A formación de clústeres de silicio limita en gran medida a mellora da taxa de crecemento epitaxial. Ao mesmo tempo, os clústeres de silicio poden perturbar o crecemento do fluxo escalonado e causar nucleación de defectos. Para evitar a nucleación homoxénea en fase gasosa e aumentar a taxa de crecemento epitaxial, a introdución de fontes de silicio baseadas en cloro é actualmente o método principal para aumentar a taxa de crecemento epitaxial de 4H-SiC.
1.2 Equipamento epitaxial de SiC de 200 mm (8 polgadas) e condicións de proceso
Os experimentos descritos neste artigo realizáronse nun equipo epitaxial de SiC de parede quente horizontal monolítica compatible con 150/200 mm (6/8 polgadas) desenvolvido independentemente polo 48º Instituto de China Electronics Technology Group Corporation. O forno epitaxial admite a carga e descarga de obleas totalmente automáticas. A Figura 1 é un diagrama esquemático da estrutura interna da cámara de reacción do equipo epitaxial. Como se mostra na Figura 1, a parede exterior da cámara de reacción é unha campá de cuarzo cunha capa intermedia arrefriada por auga, e o interior da campá é unha cámara de reacción de alta temperatura, que está composta por feltro de carbono illante térmico, cavidade de grafito especial de alta pureza, base xiratoria flotante de gas de grafito, etc. Toda a campá de cuarzo está cuberta cunha bobina de indución cilíndrica, e a cámara de reacción dentro da campá quéntase electromagneticamente mediante unha fonte de alimentación de indución de media frecuencia. Como se mostra na Figura 1 (b), o gas portador, o gas de reacción e o gas dopante flúen a través da superficie da oblea nun fluxo laminar horizontal desde a parte superior da cámara de reacción ata a parte inferior da cámara de reacción e descárganse polo extremo do gas de cola. Para garantir a consistencia dentro da oblea, a oblea transportada pola base flotante de aire xira sempre durante o proceso.
O substrato empregado no experimento é un substrato comercial de SiC puído de dobre cara 4H-SiC de tipo n condutor con ángulo de 4° e dirección <1120> <1120>, producido por Shanxi Shuoke Crystal. O triclorosilano (SiHCl3, TCS) e o etileno (C2H4) utilízanse como principais fontes de crecemento no experimento do proceso, entre as que se empregan TCS e C2H4 como fonte de silicio e fonte de carbono respectivamente, nitróxeno de alta pureza (N2) como fonte de dopaxe de tipo n e hidróxeno (H2) como gas de dilución e gas portador. O rango de temperatura do proceso epitaxial é de 1600 ~ 1660 ℃, a presión do proceso é de 8×10³ ~ 12×10³ Pa e o caudal do gas portador H2 é de 100~140 L/min.
1.3 Probas e caracterización de obleas epitaxiais
Empregáronse un espectrómetro de infravermellos de Fourier (fabricante de equipos Thermalfisher, modelo iS50) e un probador de concentración de sonda de mercurio (fabricante de equipos Semilab, modelo 530L) para caracterizar a media e a distribución do grosor da capa epitaxial e a concentración de dopaxe; o grosor e a concentración de dopaxe de cada punto na capa epitaxial determináronse tomando puntos ao longo da liña de diámetro que interseca a liña normal do bordo de referencia principal a 45° no centro da oblea cunha eliminación de bordo de 5 mm. Para unha oblea de 150 mm, tomáronse 9 puntos ao longo dunha única liña de diámetro (dous diámetros eran perpendiculares entre si) e para unha oblea de 200 mm, tomáronse 21 puntos, como se mostra na Figura 2. Utilizouse un microscopio de forza atómica (fabricante de equipos Bruker, modelo Dimension Icon) para seleccionar áreas de 30 μm × 30 μm na área central e na área do bordo (eliminación de bordo de 5 mm) da oblea epitaxial para probar a rugosidade superficial da capa epitaxial; Os defectos da capa epitaxial medíronse cun probador de defectos superficiais (fabricante de equipos China Electronics). O lector de imaxes 3D caracterizouse por un sensor de radar (modelo Mars 4410 Pro) de Kefenghua.
Data de publicación: 04-09-2024