Saat ini, industri SiC sedang bertransformasi dari 150 mm (6 inci) menjadi 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan mendesak akan wafer homoepitaxial SiC berukuran besar dan berkualitas tinggi di industri, 150 mm dan 200 mmWafer homoepitaxial 4H-SiCberhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksial SiC 200mm yang dikembangkan secara independen. Proses homoepitaxial yang cocok untuk 150mm dan 200mm dikembangkan, di mana laju pertumbuhan epitaksial dapat lebih besar dari 60um/jam. Sambil memenuhi epitaksi berkecepatan tinggi, kualitas wafer epitaksial sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mmWafer epitaksial SiCdapat dikontrol dalam 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kepadatan cacat fatal kurang dari 0,3 partikel/cm2, dan akar kuadrat rata-rata kekasaran permukaan epitaksial Ra kurang dari 0,15 nm, dan semua indikator proses inti berada pada tingkat industri yang maju.
Karbida silikon (SiC)adalah salah satu perwakilan bahan semikonduktor generasi ketiga. Bahan ini memiliki karakteristik kekuatan medan tembus yang tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, kecepatan pergeseran saturasi elektron yang besar, dan ketahanan radiasi yang kuat. Bahan ini telah memperluas kapasitas pemrosesan energi perangkat daya secara signifikan dan dapat memenuhi persyaratan layanan peralatan elektronik daya generasi berikutnya untuk perangkat dengan daya tinggi, ukuran kecil, suhu tinggi, radiasi tinggi, dan kondisi ekstrem lainnya. Bahan ini dapat mengurangi ruang, mengurangi konsumsi daya, dan mengurangi persyaratan pendinginan. Bahan ini telah membawa perubahan revolusioner pada kendaraan energi baru, transportasi kereta api, jaringan pintar, dan bidang lainnya. Oleh karena itu, semikonduktor silikon karbida telah diakui sebagai bahan ideal yang akan memimpin generasi berikutnya perangkat elektronik daya berdaya tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, berkat dukungan kebijakan nasional untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga, penelitian dan pengembangan serta pembangunan sistem industri perangkat SiC 150 mm pada dasarnya telah selesai di Tiongkok, dan keamanan rantai industri pada dasarnya telah terjamin. Oleh karena itu, fokus industri secara bertahap telah bergeser ke pengendalian biaya dan peningkatan efisiensi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, dibandingkan dengan 150 mm, SiC 200 mm memiliki tingkat pemanfaatan tepi yang lebih tinggi, dan output chip wafer tunggal dapat ditingkatkan sekitar 1,8 kali lipat. Setelah teknologinya matang, biaya produksi chip tunggal dapat dikurangi hingga 30%. Terobosan teknologi 200 mm merupakan cara langsung untuk "mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi", dan juga merupakan kunci bagi industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan paralel" atau bahkan "memimpin".
Berbeda dengan proses perangkat Si,Perangkat daya semikonduktor SiCsemuanya diproses dan disiapkan dengan lapisan epitaksial sebagai landasannya. Wafer epitaksial merupakan material dasar yang penting untuk perangkat daya SiC. Kualitas lapisan epitaksial secara langsung menentukan hasil perangkat, dan biayanya mencakup 20% dari biaya produksi chip. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaksial merupakan mata rantai perantara yang penting dalam perangkat daya SiC. Batas atas tingkat proses epitaksial ditentukan oleh peralatan epitaksial. Saat ini, tingkat lokalisasi peralatan epitaksial SiC 150 mm di Tiongkok relatif tinggi, tetapi tata letak keseluruhan 200 mm tertinggal dari tingkat internasional pada saat yang sama. Oleh karena itu, untuk memecahkan kebutuhan mendesak dan masalah kemacetan produksi material epitaksial berukuran besar dan berkualitas tinggi untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga dalam negeri, makalah ini memperkenalkan peralatan epitaksial SiC 200 mm yang berhasil dikembangkan di negara saya, dan mempelajari proses epitaksial. Dengan mengoptimalkan parameter proses seperti suhu proses, laju aliran gas pembawa, rasio C/Si, dll., diperoleh keseragaman konsentrasi <3%, ketidakseragaman ketebalan <1,5%, kekasaran Ra <0,2 nm, dan kerapatan cacat fatal <0,3 butir/cm2 dari wafer epitaksial SiC 150 mm dan 200 mm dengan tungku epitaksial silikon karbida 200 mm yang dikembangkan secara independen. Tingkat proses peralatan dapat memenuhi kebutuhan persiapan perangkat daya SiC berkualitas tinggi.
1 Percobaan
1.1 PrinsipSiC epitaksialproses
Proses pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC terutama mencakup 2 langkah utama, yaitu, etsa in-situ suhu tinggi dari substrat 4H-SiC dan proses pengendapan uap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerusakan bawah permukaan substrat setelah pemolesan wafer, cairan pemoles sisa, partikel dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom biasa dapat dibentuk pada permukaan substrat dengan etsa. Etsa in-situ biasanya dilakukan dalam atmosfer hidrogen. Menurut persyaratan proses yang sebenarnya, sejumlah kecil gas tambahan juga dapat ditambahkan, seperti hidrogen klorida, propana, etilena atau silana. Suhu etsa hidrogen in-situ umumnya di atas 1.600 ℃, dan tekanan ruang reaksi umumnya dikontrol di bawah 2×104 Pa selama proses etsa.
Setelah permukaan substrat diaktifkan oleh etsa in situ, substrat tersebut memasuki proses pengendapan uap kimia suhu tinggi, yaitu, sumber pertumbuhan (seperti etilena/propana, TCS/silana), sumber doping (sumber doping tipe-n nitrogen, sumber doping tipe-p TMAl), dan gas tambahan seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang reaksi melalui aliran besar gas pembawa (biasanya hidrogen). Setelah gas bereaksi di ruang reaksi suhu tinggi, sebagian prekursor bereaksi secara kimia dan teradsorpsi pada permukaan wafer, dan lapisan epitaksial 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan konsentrasi doping tertentu, ketebalan tertentu, dan kualitas yang lebih tinggi terbentuk pada permukaan substrat menggunakan substrat 4H-SiC kristal tunggal sebagai templat. Setelah bertahun-tahun eksplorasi teknis, teknologi homoepitaxial 4H-SiC pada dasarnya telah matang dan digunakan secara luas dalam produksi industri. Teknologi homoepitaxial 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia memiliki dua karakteristik khas:
(1) Menggunakan substrat potongan miring di luar sumbu (relatif terhadap bidang kristal <0001>, ke arah arah kristal <11-20>) sebagai pola, lapisan epitaksial 4H-SiC kristal tunggal dengan kemurnian tinggi tanpa pengotor diendapkan pada substrat dalam bentuk mode pertumbuhan aliran bertahap. Pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC awal menggunakan substrat kristal positif, yaitu bidang Si <0001> untuk pertumbuhan. Kepadatan langkah atom pada permukaan substrat kristal positif rendah dan terasnya lebar. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah terjadi selama proses epitaksi untuk membentuk kristal SiC 3C (3C-SiC). Dengan pemotongan di luar sumbu, langkah atom dengan lebar teras sempit dan kepadatan tinggi dapat diperkenalkan pada permukaan substrat 4H-SiC <0001>, dan prekursor yang teradsorpsi dapat secara efektif mencapai posisi langkah atom dengan energi permukaan yang relatif rendah melalui difusi permukaan. Pada langkah tersebut, posisi ikatan atom prekursor/kelompok molekul bersifat unik, sehingga dalam modus pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaksial dapat dengan sempurna mewarisi urutan penumpukan lapisan atom ganda Si-C dari substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan fase kristal yang sama dengan substrat.
(2) Pertumbuhan epitaksial berkecepatan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandung klorin. Dalam sistem pengendapan uap kimia SiC konvensional, silana dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses peningkatan laju pertumbuhan dengan meningkatkan laju aliran sumber pertumbuhan, karena tekanan parsial kesetimbangan komponen silikon terus meningkat, mudah untuk membentuk gugus silikon dengan nukleasi fase gas homogen, yang secara signifikan mengurangi laju pemanfaatan sumber silikon. Pembentukan gugus silikon sangat membatasi peningkatan laju pertumbuhan epitaksial. Pada saat yang sama, gugus silikon dapat mengganggu pertumbuhan aliran langkah dan menyebabkan nukleasi cacat. Untuk menghindari nukleasi fase gas homogen dan meningkatkan laju pertumbuhan epitaksial, pengenalan sumber silikon berbasis klorin saat ini merupakan metode utama untuk meningkatkan laju pertumbuhan epitaksial 4H-SiC.
1.2 200 mm (8 inci) Peralatan epitaksial SiC dan kondisi proses
Percobaan yang dijelaskan dalam makalah ini semuanya dilakukan pada peralatan epitaksial SiC dinding panas horizontal monolitik kompatibel 150/200 mm (6/8 inci) yang dikembangkan secara independen oleh 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Tungku epitaksial mendukung pemuatan dan pembongkaran wafer yang sepenuhnya otomatis. Gambar 1 adalah diagram skematis dari struktur internal ruang reaksi peralatan epitaksial. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dinding luar ruang reaksi adalah lonceng kuarsa dengan lapisan tengah berpendingin air, dan bagian dalam lonceng adalah ruang reaksi suhu tinggi, yang terdiri dari karbon felt isolasi termal, rongga grafit khusus dengan kemurnian tinggi, dasar berputar yang mengapungkan gas grafit, dll. Seluruh lonceng kuarsa ditutupi dengan kumparan induksi silinder, dan ruang reaksi di dalam lonceng dipanaskan secara elektromagnetik oleh catu daya induksi frekuensi menengah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), gas pembawa, gas reaksi, dan gas doping semuanya mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar horizontal dari hulu ruang reaksi ke hilir ruang reaksi dan dikeluarkan dari ujung gas buang. Untuk memastikan konsistensi dalam wafer, wafer yang dibawa oleh alas apung udara selalu diputar selama proses berlangsung.
Substrat yang digunakan dalam percobaan ini adalah substrat SiC poles dua sisi tipe-n konduktif 4H-SiC tipe-n berukuran 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> arah 4°off-angle komersial yang diproduksi oleh Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilana (SiHCl3, TCS) dan etilena (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam percobaan proses, di antaranya TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen dengan kemurnian tinggi (N2) digunakan sebagai sumber doping tipe-n, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pengencer dan gas pembawa. Kisaran suhu proses epitaksial adalah 1.600 ~1.660 ℃, tekanan proses adalah 8×103 ~12×103 Pa, dan laju aliran gas pembawa H2 adalah 100～140 L/menit.
1.3 Pengujian dan karakterisasi wafer epitaksial
Spektrometer inframerah Fourier (produsen peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji konsentrasi probe merkuri (produsen peralatan Semilab, model 530L) digunakan untuk mengkarakterisasi rata-rata dan distribusi ketebalan lapisan epitaksial dan konsentrasi doping; ketebalan dan konsentrasi doping setiap titik dalam lapisan epitaksial ditentukan dengan mengambil titik-titik sepanjang garis diameter yang memotong garis normal tepi referensi utama pada 45° di bagian tengah wafer dengan penghilangan tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, 9 titik diambil sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter saling tegak lurus), dan untuk wafer 200 mm, 21 titik diambil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Mikroskop gaya atom (produsen peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakan untuk memilih area 30 μm×30 μm di area tengah dan area tepi (penghapusan tepi 5 mm) wafer epitaksial untuk menguji kekasaran permukaan lapisan epitaksial; Cacat pada lapisan epitaksial diukur menggunakan penguji cacat permukaan (produsen peralatan China Electronics). Pencitra 3D dikarakterisasi oleh sensor radar (model Mars 4410 pro) dari Kefenghua.
Waktu posting: 04-Sep-2024