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 in SiC di grandi dimensioni e alta qualità, sono stati introdotti wafer da 150 mm e 200 mm.Wafer omoepitassiali 4H-SiCSono stati preparati con successo su substrati nazionali utilizzando l'apparecchiatura di crescita epitassiale in SiC da 200 mm sviluppata indipendentemente. È stato sviluppato un processo omoepitassiale adatto a 150 mm e 200 mm, in cui la velocità di crescita epitassiale può essere superiore a 60 µm/h. Pur rispettando l'epitassia ad alta velocità, la qualità del wafer epitassiale è eccellente. L'uniformità di spessore di 150 mm e 200 mmWafer epitassiali SiCpuò essere controllato entro l'1,5%, l'uniformità della concentrazione è inferiore al 3%, la densità dei difetti fatali è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la radice quadratica media della rugosità superficiale epitassiale Ra è inferiore a 0,15 nm e tutti gli indicatori di processo principali sono al livello avanzato del settore.
Carburo di silicio (SiC)È uno dei rappresentanti dei materiali semiconduttori di terza generazione. Presenta un'elevata intensità del campo di rottura, un'eccellente conduttività termica, un'elevata velocità di deriva di saturazione degli elettroni e una forte resistenza alle radiazioni. Ha notevolmente ampliato la capacità di elaborazione dell'energia 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, alte temperature, radiazioni elevate e altre condizioni estreme. Può ridurre lo spazio, il consumo energetico e i requisiti di raffreddamento. Ha apportato cambiamenti rivoluzionari ai veicoli a nuova energia, al trasporto ferroviario, alle reti intelligenti e ad altri settori. Pertanto, i semiconduttori in carburo di silicio sono stati riconosciuti come il materiale ideale per guidare 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 per dispositivi SiC da 150 mm sono stati sostanzialmente completati in Cina, garantendo sostanzialmente la sicurezza della catena industriale. 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 a wafer singolo può essere aumentata di circa 1,8 volte. Con la maturazione della tecnologia, il costo di produzione di un singolo chip può essere ridotto del 30%. La svolta tecnologica dei 200 mm è 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 "procedere in parallelo" o addirittura di "essere all'avanguardia".
Diversamente dal processo del dispositivo Si,Dispositivi di potenza a semiconduttore SiCvengono tutti elaborati e preparati utilizzando 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 del processo epitassiale è determinato dalle apparecchiature epitassiali. Attualmente, il grado di localizzazione delle apparecchiature epitassiali in SiC da 150 mm in Cina è relativamente elevato, ma la distribuzione complessiva da 200 mm è al contempo inferiore a quella internazionale. Pertanto, al fine di risolvere le urgenti esigenze e i problemi di collo di bottiglia della produzione di materiali epitassiali di grandi dimensioni e di alta qualità per lo sviluppo dell'industria nazionale dei semiconduttori di terza generazione, questo articolo presenta le apparecchiature epitassiali in SiC da 200 mm sviluppate con successo nel mio Paese e ne studia il processo epitassiale. Ottimizzando i parametri di processo, quali temperatura di processo, portata del gas di trasporto, rapporto C/Si, ecc., si ottengono uniformità di concentrazione <3%, disuniformità di spessore <1,5%, rugosità Ra <0,2 nm e densità di difetti fatali <0,3 grani/cm² su wafer epitassiali in SiC da 150 mm e 200 mm, utilizzando un forno epitassiale in carburo di silicio da 200 mm sviluppato indipendentemente. Il livello di processo delle apparecchiature è in grado di soddisfare le esigenze di preparazione di dispositivi di potenza in SiC di alta qualità.
1 Esperimento
1.1 Principio diEpitassiale SiCprocesso
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 vapore omogenea. Lo scopo principale dell'incisione in situ del substrato è quello di rimuovere i danni subsuperficiali del substrato dopo la lucidatura del wafer, il liquido di lucidatura residuo, le particelle e lo strato di ossido, e di formare una struttura atomica regolare sulla superficie del substrato mediante l'incisione. L'incisione in situ viene solitamente eseguita in atmosfera di idrogeno. A seconda dei requisiti 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 della 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 attacco chimico in situ, questa viene sottoposta al processo di deposizione chimica da 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 l'acido cloridrico, vengono trasportati nella camera di reazione attraverso un flusso elevato di gas vettore (solitamente idrogeno). Dopo la reazione del gas nella camera di reazione ad alta temperatura, parte del precursore reagisce chimicamente e si adsorbe sulla superficie del wafer, formando sulla superficie del substrato uno strato epitassiale omogeneo di 4H-SiC monocristallino con una specifica concentrazione di drogaggio, uno spessore specifico e una qualità superiore, utilizzando il substrato di 4H-SiC monocristallino come stampo. Dopo anni di esplorazione tecnica, la tecnologia omoepitassiale di 4H-SiC è sostanzialmente matura ed è ampiamente utilizzata nella produzione industriale. La tecnologia omoepitassiale 4H-SiC più utilizzata 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 modello, uno strato epitassiale di 4H-SiC monocristallino ad alta purezza e privo di impurità viene depositato sul substrato sotto forma di modalità di crescita a flusso a gradini. La crescita omoepitassiale iniziale di 4H-SiC 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 per nucleazione bidimensionale è facile da verificare durante il processo di epitassia per formare SiC cristallino 3C (3C-SiC). Con il taglio fuori asse, è possibile introdurre gradini atomici ad alta densità e larghezza ridotta delle terrazze sulla superficie del substrato 4H-SiC <0001>, e il precursore adsorbito può raggiungere efficacemente la posizione del gradino atomico con un'energia superficiale relativamente bassa attraverso la diffusione superficiale. In questa fase, la posizione del 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 singolo cristallo 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 vapore di SiC, silano e propano (o etilene) sono le principali fonti di crescita. Nel processo di aumento della velocità di crescita mediante l'aumento della portata della sorgente di crescita, con l'aumentare della pressione parziale di equilibrio del componente in silicio, 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 a flusso a gradini e causare la nucleazione di difetti. Per 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 epitassiali SiC da 200 mm (8 pollici) e condizioni di processo
Gli esperimenti descritti in questo articolo sono stati tutti condotti su un'apparecchiatura epitassiale monolitica orizzontale a parete calda in SiC compatibile con 150/200 mm (6/8 di pollice), sviluppata in modo indipendente dal 48° Istituto della China Electronics Technology Group Corporation. Il forno epitassiale supporta il carico e lo scarico completamente automatici dei wafer. La Figura 1 mostra uno schema della struttura interna della camera di reazione dell'apparecchiatura epitassiale. Come mostrato in Figura 1, la parete esterna della camera di reazione è una campana di quarzo con uno strato intermedio raffreddato ad acqua, mentre l'interno della campana è una camera di reazione ad alta temperatura, composta da feltro di carbonio con isolamento termico, cavità in grafite speciale ad alta purezza, base rotante flottante in grafite a gas, 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 in Figura 1 (b), il gas di trasporto, il gas di reazione e il gas di drogaggio fluiscono attraverso la superficie del wafer in un flusso laminare orizzontale da monte a valle della camera di reazione e vengono scaricati dall'estremità del gas di coda. Per garantire la consistenza all'interno del wafer, il wafer trasportato dalla base flottante ad aria viene sempre ruotato durante il processo.
Il substrato utilizzato nell'esperimento è un substrato di SiC 4H-SiC di tipo n conduttivo commerciale da 150 mm, 200 mm (6 pollici, 8 pollici) con direzione <1120>, angolo di 4°, lucidato a doppia faccia, prodotto da Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilano (SiHCl3, TCS) ed etilene (C₂H₂) sono utilizzati come principali fonti di crescita nell'esperimento di processo, tra cui TCS e C₂H₂ sono utilizzati rispettivamente come fonte di silicio e fonte di carbonio, azoto ad alta purezza (N₂) è utilizzato come fonte di drogaggio di tipo n e idrogeno (H₂) è utilizzato come gas di diluizione e gas di trasporto. L'intervallo di temperatura del processo epitassiale è 1.600 ~ 1.660 °C, la pressione di processo è 8×10₄ ~ 12×10₄ Pa e la portata del gas di trasporto H₂ è 100~140 L/min.
1.3 Test e caratterizzazione di wafer epitassiali
Sono stati utilizzati uno spettrometro infrarosso di Fourier (produttore dell'apparecchiatura Thermalfisher, modello iS50) e un misuratore di concentrazione della sonda di mercurio (produttore dell'apparecchiatura Semilab, modello 530L) 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 di diametro (due diametri erano perpendicolari tra loro) e per un wafer da 200 mm, sono stati presi 21 punti, come mostrato nella Figura 2. È stato utilizzato un microscopio a forza atomica (produttore dell'apparecchiatura Bruker, modello Dimension Icon) per selezionare aree di 30 μm × 30 μm nell'area centrale e nell'area del bordo (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 dell'apparecchiatura China Electronics). Il riproduttore di immagini 3D è stato caratterizzato da un sensore radar (modello Mars 4410 pro) di Kefenghua.
Data di pubblicazione: 04/09/2024