Attualmente, l'industria del SiC si sta trasformando da 150 mm (6 pollici) a 200 mm (8 pollici). Per soddisfare l'urgente domanda di wafer omoepitassiali SiC di grandi dimensioni e di alta qualità nell'industria, 150 mm e 200 mmwafer omoepitassiali di 4H-SiCsono stati preparati con successo su substrati nazionali utilizzando l'apparecchiatura di crescita epitassiale SiC da 200 mm sviluppata in modo indipendente. È stato sviluppato un processo omoepitassiale adatto per 150 mm e 200 mm, in cui la velocità di crescita epitassiale può essere superiore a 60 µm/h. Pur soddisfacendo l'epitassia ad alta velocità, la qualità del wafer epitassiale è eccellente. L'uniformità dello spessore di 150 mm e 200 mmwafer epitassiali di SiCpuò essere controllato entro l'1,5%, l'uniformità della concentrazione è inferiore al 3%, la densità dei difetti critici è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la rugosità superficiale epitassiale radice quadrata media dei quadrati Ra è inferiore a 0,15 nm, e tutti gli indicatori di processo principali sono al livello avanzato del settore.
Carburo di silicio (SiC)Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali semiconduttori di terza generazione. Presenta caratteristiche quali elevata rigidità dielettrica, eccellente conduttività termica, elevata velocità di deriva di saturazione degli elettroni e forte resistenza alle radiazioni. Ha ampliato notevolmente la capacità di elaborazione energetica dei dispositivi di potenza e può soddisfare i requisiti di servizio della prossima generazione di apparecchiature elettroniche di potenza per dispositivi ad alta potenza, dimensioni ridotte, alta temperatura, elevata radiazione e altre condizioni estreme. Consente di ridurre l'ingombro, il consumo energetico e le esigenze di raffreddamento. Ha portato cambiamenti rivoluzionari nei veicoli a energia alternativa, nel trasporto ferroviario, nelle reti intelligenti e in altri settori. Pertanto, i semiconduttori al carburo di silicio sono stati riconosciuti come il materiale ideale che guiderà la prossima generazione di dispositivi elettronici di potenza ad alta potenza. Negli ultimi anni, grazie al sostegno politico nazionale per lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori di terza generazione, la ricerca, lo sviluppo e la costruzione del sistema industriale dei dispositivi SiC da 150 mm sono stati sostanzialmente completati in Cina e la sicurezza della catena industriale è stata sostanzialmente garantita. Pertanto, l'attenzione del settore si è gradualmente spostata sul controllo dei costi e sul miglioramento dell'efficienza. Come mostrato nella Tabella 1, rispetto ai 150 mm, il SiC da 200 mm presenta un tasso di utilizzo dei bordi più elevato e la produzione di chip per singolo wafer può essere aumentata di circa 1,8 volte. Una volta che la tecnologia sarà matura, il costo di produzione di un singolo chip potrà essere ridotto del 30%. La svolta tecnologica dei 200 mm rappresenta un mezzo diretto per "ridurre i costi e aumentare l'efficienza" ed è anche la chiave per consentire all'industria dei semiconduttori del mio paese di "operare in parallelo" o addirittura di "essere leader".
A differenza del processo del dispositivo Si,dispositivi di potenza a semiconduttore SiCTutti i wafer epitassiali sono lavorati e preparati con strati epitassiali come elemento fondamentale. I wafer epitassiali sono materiali di base essenziali per i dispositivi di potenza in SiC. La qualità dello strato epitassiale determina direttamente la resa del dispositivo e il suo costo rappresenta il 20% del costo di produzione del chip. Pertanto, la crescita epitassiale è un anello intermedio essenziale nei dispositivi di potenza in SiC. Il limite superiore del livello di processo epitassiale è determinato dalle apparecchiature epitassiali. Attualmente, il grado di localizzazione delle apparecchiature epitassiali per SiC da 150 mm in Cina è relativamente elevato, ma la configurazione complessiva per i wafer da 200 mm è allo stesso tempo inferiore al livello internazionale. Pertanto, al fine di risolvere le esigenze urgenti e i problemi di collo di bottiglia della produzione di materiale epitassiale di grandi dimensioni e di alta qualità per lo sviluppo dell'industria nazionale dei semiconduttori di terza generazione, questo articolo presenta le apparecchiature epitassiali per SiC da 200 mm sviluppate con successo nel mio paese e studia il processo epitassiale. Ottimizzando i parametri di processo quali temperatura, portata del gas vettore, rapporto C/Si, ecc., si ottengono wafer epitassiali di SiC da 150 mm e 200 mm con uniformità di concentrazione <3%, non uniformità di spessore <1,5%, rugosità Ra <0,2 nm e densità di difetti critici <0,3 grani/cm2, utilizzando un forno epitassiale in carburo di silicio da 200 mm sviluppato autonomamente. Il livello di processo dell'apparecchiatura è in grado di soddisfare le esigenze di produzione di dispositivi di potenza in SiC di alta qualità.
1 Esperimento
1.1 Principio diSiC epitassialeprocesso
Il processo di crescita omoepitassiale del 4H-SiC comprende principalmente due fasi chiave: l'incisione in situ ad alta temperatura del substrato di 4H-SiC e il processo di deposizione chimica da fase vapore omogenea. Lo scopo principale dell'incisione in situ del substrato è rimuovere i danni superficiali successivi alla lucidatura del wafer, i residui di liquido di lucidatura, le particelle e lo strato di ossido, in modo da formare una struttura a gradini atomici regolare sulla superficie del substrato. L'incisione in situ viene solitamente effettuata in atmosfera di idrogeno. A seconda delle esigenze specifiche del processo, è possibile aggiungere anche una piccola quantità di gas ausiliario, come acido cloridrico, propano, etilene o silano. La temperatura dell'incisione in situ con idrogeno è generalmente superiore a 1600 °C e la pressione nella camera di reazione è generalmente mantenuta al di sotto di 2×10⁴ Pa durante il processo di incisione.
Dopo l'attivazione della superficie del substrato mediante incisione in situ, si passa al processo di deposizione chimica da fase vapore ad alta temperatura, ovvero la sorgente di crescita (come etilene/propano, TCS/silano), la sorgente di drogaggio (sorgente di drogaggio di tipo n azoto, sorgente di drogaggio di tipo p TMAl) e il gas ausiliario come il cloruro di idrogeno vengono trasportati nella camera di reazione attraverso un grande flusso di gas vettore (solitamente idrogeno). Dopo che il gas reagisce nella camera di reazione ad alta temperatura, parte del precursore reagisce chimicamente e si adsorbe sulla superficie del wafer, e uno strato epitassiale omogeneo monocristallino di 4H-SiC con una specifica concentrazione di drogaggio, uno spessore specifico e una qualità superiore si forma sulla superficie del substrato utilizzando il substrato monocristallino di 4H-SiC come stampo. Dopo anni di ricerca tecnica, la tecnologia omoepitassiale 4H-SiC è sostanzialmente matura ed è ampiamente utilizzata nella produzione industriale. La tecnologia omoepitassiale 4H-SiC più diffusa al mondo presenta due caratteristiche tipiche:
(1) Utilizzando un substrato tagliato obliquamente fuori asse (rispetto al piano cristallino <0001>, verso la direzione cristallina <11-20>) come stampo, uno strato epitassiale di 4H-SiC monocristallino ad alta purezza senza impurità viene depositato sul substrato in modalità di crescita a flusso di gradini. La crescita omoepitassiale di 4H-SiC precedente utilizzava un substrato cristallino positivo, ovvero il piano Si <0001> per la crescita. La densità dei gradini atomici sulla superficie del substrato cristallino positivo è bassa e le terrazze sono ampie. La crescita di nucleazione bidimensionale si verifica facilmente durante il processo di epitassia per formare SiC cristallino 3C (3C-SiC). Mediante taglio fuori asse, è possibile introdurre gradini atomici ad alta densità e larghezza di terrazza ridotta sulla superficie del substrato 4H-SiC <0001>, e il precursore adsorbito può raggiungere efficacemente la posizione del gradino atomico con energia superficiale relativamente bassa attraverso la diffusione superficiale. In questa fase, la posizione di legame tra l'atomo precursore e il gruppo molecolare è unica, quindi nella modalità di crescita a flusso graduale, lo strato epitassiale può ereditare perfettamente la sequenza di impilamento del doppio strato atomico Si-C del substrato per formare un monocristallo con la stessa fase cristallina del substrato.
(2) La crescita epitassiale ad alta velocità si ottiene introducendo una sorgente di silicio contenente cloro. Nei sistemi convenzionali di deposizione chimica da fase vapore del SiC, il silano e il propano (o l'etilene) sono le principali sorgenti di crescita. Nel processo di aumento della velocità di crescita mediante l'aumento della portata della sorgente di crescita, poiché la pressione parziale di equilibrio del componente di silicio continua ad aumentare, è facile formare cluster di silicio per nucleazione omogenea in fase gassosa, il che riduce significativamente il tasso di utilizzo della sorgente di silicio. La formazione di cluster di silicio limita notevolmente il miglioramento della velocità di crescita epitassiale. Allo stesso tempo, i cluster di silicio possono disturbare la crescita del flusso a gradini e causare la nucleazione di difetti. Al fine di evitare la nucleazione omogenea in fase gassosa e aumentare la velocità di crescita epitassiale, l'introduzione di sorgenti di silicio a base di cloro è attualmente il metodo principale per aumentare la velocità di crescita epitassiale del 4H-SiC.
1.2 Apparecchiature e condizioni di processo per la deposizione epitassiale di SiC da 200 mm (8 pollici)
Gli esperimenti descritti in questo articolo sono stati tutti condotti su un'apparecchiatura epitassiale monolitica orizzontale a parete calda compatibile con SiC da 150/200 mm (6/8 di pollice), sviluppata autonomamente dal 48° Istituto della China Electronics Technology Group Corporation. Il forno epitassiale supporta il carico e lo scarico completamente automatico dei wafer. La Figura 1 mostra uno schema della struttura interna della camera di reazione dell'apparecchiatura epitassiale. Come illustrato nella Figura 1, la parete esterna della camera di reazione è costituita da una campana di quarzo con uno strato intermedio raffreddato ad acqua, mentre l'interno della campana ospita una camera di reazione ad alta temperatura, composta da feltro di carbonio termoisolante, cavità in grafite speciale ad alta purezza, base rotante flottante in gas di grafite, ecc. L'intera campana di quarzo è ricoperta da una bobina di induzione cilindrica e la camera di reazione al suo interno è riscaldata elettromagneticamente da un alimentatore a induzione a media frequenza. Come mostrato nella Figura 1 (b), il gas vettore, il gas di reazione e il gas di drogaggio fluiscono tutti attraverso la superficie del wafer in un flusso laminare orizzontale dalla parte a monte della camera di reazione a quella a valle della camera di reazione e vengono scaricati dall'estremità di scarico del gas. Per garantire l'uniformità all'interno del wafer, quest'ultimo, trasportato dalla base galleggiante ad aria, viene sempre ruotato durante il processo.
Il substrato utilizzato nell'esperimento è un substrato di SiC lucidato su entrambi i lati, conduttivo, di tipo n, 4H-SiC, con orientamento <1120> e angolo di 4°, prodotto da Shanxi Shuoke Crystal, di dimensioni commerciali 150 mm e 200 mm (6 pollici e 8 pollici), con orientamento <1120> e angolo di 4°. Il triclorosilano (SiHCl3, TCS) e l'etilene (C2H4) sono utilizzati come principali sorgenti di crescita nell'esperimento di processo, dove TCS e C2H4 fungono rispettivamente da sorgente di silicio e di carbonio. L'azoto ad alta purezza (N2) è utilizzato come sorgente di drogaggio di tipo n, mentre l'idrogeno (H2) è utilizzato come gas di diluizione e gas vettore. L'intervallo di temperatura del processo epitassiale è compreso tra 1600 e 1660 °C, la pressione di processo tra 8×10³ e 12×10³ Pa e la portata del gas vettore H2 è compresa tra 100 e 140 L/min.
1.3 Test e caratterizzazione di wafer epitassiali
Uno spettrometro a infrarossi Fourier (produttore dell'apparecchiatura Thermalfisher, modello iS50) e un misuratore di concentrazione a sonda di mercurio (produttore dell'apparecchiatura Semilab, modello 530L) sono stati utilizzati per caratterizzare la media e la distribuzione dello spessore dello strato epitassiale e della concentrazione di drogaggio; lo spessore e la concentrazione di drogaggio di ciascun punto nello strato epitassiale sono stati determinati prendendo punti lungo la linea del diametro che interseca la linea normale del bordo di riferimento principale a 45° al centro del wafer con una rimozione del bordo di 5 mm. Per un wafer da 150 mm, sono stati presi 9 punti lungo una singola linea del diametro (due diametri erano perpendicolari tra loro) e per un wafer da 200 mm, sono stati presi 21 punti, come mostrato in Figura 2. Un microscopio a forza atomica (produttore dell'apparecchiatura Bruker, modello Dimension Icon) è stato utilizzato per selezionare aree di 30 μm × 30 μm nella zona centrale e nella zona periferica (rimozione del bordo di 5 mm) del wafer epitassiale per testare la rugosità superficiale dello strato epitassiale; I difetti dello strato epitassiale sono stati misurati utilizzando un tester di difetti superficiali (produttore di apparecchiature China Electronics). L'imager 3D è stato caratterizzato da un sensore radar (modello Mars 4410 pro) di Kefenghua.
Data di pubblicazione: 4 settembre 2024