Saat ini, industri SiC sedang bertransformasi dari 150 mm (6 inci) menjadi 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan mendesak akan wafer homoepitaksial SiC berukuran besar dan berkualitas tinggi di industri, wafer 150 mm dan 200 mmWafer homoepitaksial 4H-SiCLapisan epitaksi SiC 200 mm berhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksi SiC 200 mm yang dikembangkan secara independen. Proses homoepitaksi yang cocok untuk ukuran 150 mm dan 200 mm telah dikembangkan, di mana laju pertumbuhan epitaksi dapat lebih besar dari 60 µm/jam. Sembari memenuhi kebutuhan epitaksi kecepatan tinggi, kualitas wafer epitaksi sangat baik. Keseragaman ketebalan pada ukuran 150 mm dan 200 mm juga sangat baik.wafer epitaksial SiCDapat dikontrol dalam batas 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kepadatan cacat fatal kurang dari 0,3 partikel/cm2, dan kekasaran permukaan epitaksial rata-rata kuadrat Ra kurang dari 0,15nm, serta semua indikator proses inti berada pada tingkat yang lebih maju di industri ini.
Silikon Karbida (SiC)Silikon karbida (SiC) adalah salah satu perwakilan dari material semikonduktor generasi ketiga. Material ini memiliki karakteristik kekuatan medan tembus yang tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, kecepatan hanyut saturasi elektron yang besar, dan ketahanan radiasi yang kuat. Ia telah secara signifikan memperluas kapasitas pengolahan energi perangkat daya 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. Ia dapat mengurangi ruang, mengurangi konsumsi daya, dan mengurangi kebutuhan pendinginan. Hal ini telah membawa perubahan revolusioner pada kendaraan energi baru, transportasi kereta api, jaringan listrik pintar, dan bidang lainnya. Oleh karena itu, semikonduktor silikon karbida telah diakui sebagai material ideal yang akan memimpin generasi berikutnya dari 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 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. Setelah teknologi ini 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 kita untuk "berjalan sejajar" atau bahkan "memimpin".
Berbeda dengan proses perangkat Si,Perangkat daya semikonduktor SiCSemua diproses dan disiapkan dengan lapisan epitaksial sebagai landasannya. Wafer epitaksial merupakan material dasar penting untuk perangkat daya SiC. Kualitas lapisan epitaksial secara langsung menentukan hasil produksi perangkat, dan biayanya mencapai 20% dari biaya pembuatan 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 150mm di Tiongkok relatif tinggi, tetapi tata letak keseluruhan 200mm tertinggal dari tingkat internasional. Oleh karena itu, untuk mengatasi kebutuhan mendesak dan masalah hambatan dalam pembuatan 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 kita, dan mempelajari proses epitaksialnya. 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 kepadatan cacat fatal <0,3 butir/cm2 pada wafer epitaksial SiC 150 mm dan 200 mm yang dibuat dengan tungku epitaksial silikon karbida 200 mm yang dikembangkan secara independen. Tingkat proses peralatan dapat memenuhi kebutuhan pembuatan perangkat daya SiC berkualitas tinggi.
1 Percobaan
1.1 PrinsipSiC epitaksialproses
Proses pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC terutama meliputi 2 langkah kunci, yaitu, etsa in-situ suhu tinggi pada substrat 4H-SiC dan proses deposisi uap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerusakan permukaan bawah substrat setelah pemolesan wafer, sisa cairan pemoles, partikel, dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom yang teratur dapat dibentuk pada permukaan substrat melalui etsa. Etsa in-situ biasanya dilakukan dalam atmosfer hidrogen. Sesuai dengan persyaratan proses aktual, sejumlah kecil gas bantu juga dapat ditambahkan, seperti hidrogen klorida, propana, etilena, atau silana. Suhu etsa hidrogen in-situ umumnya di atas 1600 ℃, dan tekanan ruang reaksi umumnya dikontrol di bawah 2×10⁴ Pa selama proses etsa.
Setelah permukaan substrat diaktifkan dengan etsa in-situ, ia memasuki proses deposisi 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 bantu seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang reaksi melalui aliran gas pembawa yang besar (biasanya hidrogen). Setelah gas bereaksi di ruang reaksi suhu tinggi, sebagian prekursor bereaksi secara kimia dan terserap pada permukaan wafer, dan lapisan epitaksial 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan konsentrasi doping spesifik, ketebalan spesifik, dan kualitas lebih tinggi terbentuk pada permukaan substrat menggunakan substrat 4H-SiC kristal tunggal sebagai templat. Setelah bertahun-tahun eksplorasi teknologi, teknologi homoepitaksial 4H-SiC pada dasarnya telah matang dan banyak digunakan dalam produksi industri. Teknologi homoepitaksial 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia memiliki dua karakteristik khas:
(1) Dengan menggunakan substrat potongan miring off-axis (relatif terhadap bidang kristal <0001>, menuju arah kristal <11-20>) sebagai templat, lapisan epitaksial 4H-SiC kristal tunggal dengan kemurnian tinggi tanpa pengotor diendapkan pada substrat dalam bentuk mode pertumbuhan aliran langkah. Pertumbuhan homoepitaksial 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 3C SiC (3C-SiC). Dengan pemotongan off-axis, langkah atom dengan kepadatan tinggi dan lebar teras sempit dapat dimasukkan 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 tahap tersebut, posisi ikatan atom/grup molekul prekursor bersifat unik, sehingga dalam mode pertumbuhan aliran bertahap, lapisan epitaksial dapat mewarisi secara sempurna 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 deposisi uap kimia SiC konvensional, silana dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses peningkatan laju pertumbuhan dengan meningkatkan laju aliran sumber pertumbuhan, seiring dengan terus meningkatnya tekanan parsial kesetimbangan komponen silikon, mudah terbentuknya gugus silikon melalui nukleasi fase gas homogen, yang secara signifikan mengurangi tingkat 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 Peralatan dan kondisi proses epitaksi SiC 200 mm (8 inci)
Eksperimen yang dijelaskan dalam makalah ini semuanya dilakukan pada peralatan epitaksi SiC dinding panas horizontal monolitik kompatibel 150/200 mm (6/8 inci) yang dikembangkan secara independen oleh Institut ke-48 dari China Electronics Technology Group Corporation. Tungku epitaksi mendukung pemuatan dan pembongkaran wafer otomatis sepenuhnya. Gambar 1 adalah diagram skematik struktur internal ruang reaksi peralatan epitaksi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dinding luar ruang reaksi adalah lonceng kuarsa dengan lapisan antara berpendingin air, dan bagian dalam lonceng adalah ruang reaksi suhu tinggi, yang terdiri dari felt karbon isolasi termal, rongga grafit khusus kemurnian tinggi, alas putar pengapung gas grafit, dll. Seluruh lonceng kuarsa ditutupi dengan kumparan induksi silindris, 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 ekor. Untuk memastikan konsistensi di dalam wafer, wafer yang dibawa oleh alas apung udara selalu diputar selama proses berlangsung.
Substrat yang digunakan dalam percobaan adalah substrat SiC konduktif tipe-n 4H-SiC komersial berukuran 150 mm dan 200 mm (6 inci dan 8 inci) dengan arah <1120> dan sudut kemiringan 4°, yang dipoles dua sisi, diproduksi oleh Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilan (SiHCl3, TCS) dan etilena (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam percobaan proses, di mana TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen (N2) dengan kemurnian tinggi digunakan sebagai sumber doping tipe-n, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pengencer dan gas pembawa. Kisaran suhu proses epitaksi adalah 1600~1660 ℃, 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 (pabrikan peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji konsentrasi probe merkuri (pabrikan peralatan Semilab, model 530L) digunakan untuk mengkarakterisasi rata-rata dan distribusi ketebalan lapisan epitaksial dan konsentrasi doping; ketebalan dan konsentrasi doping setiap titik pada lapisan epitaksial ditentukan dengan mengambil titik-titik di sepanjang garis diameter yang memotong garis normal tepi referensi utama pada sudut 45° di tengah wafer dengan pengurangan tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, 9 titik diambil di 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 (pabrikan peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakan untuk memilih area 30 μm × 30 μm di area tengah dan area tepi (pengurangan tepi 5 mm) dari 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