Pada masa ini, industri SiC sedang berubah daripada 150 mm (6 inci) kepada 200 mm (8 inci). Bagi memenuhi permintaan segera untuk wafer homoepitaksi SiC bersaiz besar dan berkualiti tinggi dalam industri, 150mm dan 200mmWafer homoepitaksial 4H-SiCtelah berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksial SiC 200mm yang dibangunkan secara bebas. Proses homoepitaksial yang sesuai untuk 150mm dan 200mm telah dibangunkan, di mana kadar pertumbuhan epitaksial boleh melebihi 60um/j. Walaupun memenuhi epitaksi berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaksial adalah sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mmWafer epitaksi SiCboleh dikawal dalam lingkungan 1.5%, keseragaman kepekatan kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan maut kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan kekasaran permukaan epitaksi akar min kuasa dua Ra kurang daripada 0.15nm, dan semua penunjuk proses teras berada pada tahap lanjutan industri.
Silikon Karbida (SiC)merupakan salah satu wakil bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia mempunyai ciri-ciri kekuatan medan pecahan yang tinggi, kekonduksian terma yang sangat baik, halaju hanyutan tepu elektron yang besar, dan rintangan sinaran yang kuat. Ia telah mengembangkan kapasiti pemprosesan tenaga peranti kuasa dengan ketara dan dapat memenuhi keperluan perkhidmatan peralatan elektronik kuasa generasi akan datang untuk peranti dengan kuasa tinggi, saiz kecil, suhu tinggi, sinaran tinggi dan keadaan ekstrem yang lain. Ia dapat mengurangkan ruang, mengurangkan penggunaan kuasa dan mengurangkan keperluan penyejukan. Ia telah membawa perubahan revolusioner kepada kenderaan tenaga baharu, pengangkutan kereta api, grid pintar dan bidang lain. Oleh itu, semikonduktor silikon karbida telah diiktiraf sebagai bahan ideal yang akan menerajui peranti elektronik kuasa berkuasa tinggi generasi akan datang. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, hasil daripada sokongan dasar negara untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga, penyelidikan dan pembangunan serta pembinaan sistem industri peranti SiC 150 mm pada asasnya telah siap di China, dan keselamatan rantaian perindustrian pada asasnya telah dijamin. Oleh itu, tumpuan industri secara beransur-ansur beralih kepada kawalan kos dan peningkatan kecekapan. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, berbanding dengan 150 mm, SiC 200 mm mempunyai kadar penggunaan tepi yang lebih tinggi, dan output cip wafer tunggal boleh ditingkatkan kira-kira 1.8 kali ganda. Selepas teknologi matang, kos pembuatan cip tunggal boleh dikurangkan sebanyak 30%. Penemuan teknologi 200 mm adalah cara langsung untuk "mengurangkan kos dan meningkatkan kecekapan", dan ia juga merupakan kunci untuk industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan selari" atau "memimpin".
Berbeza dengan proses peranti Si,Peranti kuasa semikonduktor SiCSemuanya diproses dan disediakan dengan lapisan epitaksial sebagai asas. Wafer epitaksial adalah bahan asas penting untuk peranti kuasa SiC. Kualiti lapisan epitaksial secara langsung menentukan hasil peranti, dan kosnya menyumbang 20% daripada kos pembuatan cip. Oleh itu, pertumbuhan epitaksial adalah penghubung perantaraan penting dalam peranti kuasa SiC. Had atas tahap proses epitaksial ditentukan oleh peralatan epitaksial. Pada masa ini, tahap penyetempatan peralatan epitaksial SiC 150mm di China agak tinggi, tetapi susun atur keseluruhan 200mm ketinggalan di belakang tahap antarabangsa pada masa yang sama. Oleh itu, untuk menyelesaikan keperluan mendesak dan masalah kesesakan pembuatan bahan epitaksial bersaiz besar dan berkualiti tinggi untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga domestik, kertas kerja ini memperkenalkan peralatan epitaksial SiC 200 mm yang berjaya dibangunkan di negara saya, dan mengkaji proses epitaksial. Dengan mengoptimumkan parameter proses seperti suhu proses, kadar aliran gas pembawa, nisbah C/Si, dan sebagainya, keseragaman kepekatan <3%, ketidakseragaman ketebalan <1.5%, kekasaran Ra <0.2 nm dan ketumpatan kecacatan fatal <0.3 butiran/cm2 bagi wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm dengan relau epitaksi silikon karbida 200 mm yang dibangunkan secara bebas diperoleh. Tahap proses peralatan dapat memenuhi keperluan penyediaan peranti kuasa SiC berkualiti tinggi.
1 Eksperimen
1.1 PrinsipEpitaksi SiCproses
Proses pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC terutamanya merangkumi 2 langkah utama, iaitu pengukiran in-situ suhu tinggi substrat 4H-SiC dan proses pemendapan wap kimia homogen. Tujuan utama pengukiran in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerosakan bawah permukaan substrat selepas penggilapan wafer, cecair penggilap sisa, zarah dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom yang tetap boleh dibentuk pada permukaan substrat melalui pengukiran. Pengukiran in-situ biasanya dijalankan dalam atmosfera hidrogen. Mengikut keperluan proses sebenar, sedikit gas tambahan juga boleh ditambah, seperti hidrogen klorida, propana, etilena atau silana. Suhu pengukiran hidrogen in-situ biasanya melebihi 1 600 ℃, dan tekanan ruang tindak balas biasanya dikawal di bawah 2 × 104 Pa semasa proses pengukiran.
Selepas permukaan substrat diaktifkan melalui pengetsaan in-situ, ia memasuki proses pemendapan wap kimia suhu tinggi, iaitu sumber pertumbuhan (seperti etilena/propana, TCS/silana), sumber pendopan (sumber pendopan jenis-n nitrogen, sumber pendopan jenis-p TMAl), dan gas tambahan seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang tindak balas melalui aliran gas pembawa yang besar (biasanya hidrogen). Selepas gas bertindak balas dalam ruang tindak balas suhu tinggi, sebahagian daripada prekursor bertindak balas secara kimia dan menyerap pada permukaan wafer, dan lapisan epitaksi 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan kepekatan pendopan tertentu, ketebalan tertentu, dan kualiti yang lebih tinggi dibentuk pada permukaan substrat menggunakan substrat 4H-SiC kristal tunggal sebagai templat. Selepas bertahun-tahun penerokaan teknikal, teknologi homoepitaksi 4H-SiC pada asasnya telah matang dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran perindustrian. Teknologi homoepitaksi 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia mempunyai dua ciri tipikal:
(1) Menggunakan substrat potongan serong luar paksi (berbanding satah kristal <0001>, ke arah arah kristal <11-20>) sebagai templat, lapisan epitaksi kristal tunggal 4H-SiC berketulenan tinggi tanpa bendasing dimendapkan pada substrat dalam bentuk mod pertumbuhan aliran langkah. Pertumbuhan homoepitaksi 4H-SiC awal menggunakan substrat kristal positif, iaitu satah <0001> Si untuk pertumbuhan. Ketumpatan langkah atom pada permukaan substrat kristal positif adalah rendah dan teresnya luas. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah berlaku semasa proses epitaksi untuk membentuk kristal 3C SiC (3C-SiC). Dengan pemotongan luar paksi, langkah atom lebar teres sempit berketumpatan tinggi boleh diperkenalkan pada permukaan substrat 4H-SiC <0001>, dan prekursor yang terserap boleh mencapai kedudukan langkah atom dengan tenaga permukaan yang agak rendah melalui resapan permukaan. Pada langkah tersebut, kedudukan ikatan atom/kumpulan molekul prekursor adalah unik, jadi dalam mod pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaksi boleh mewarisi jujukan susunan lapisan atom berganda Si-C substrat dengan sempurna untuk membentuk kristal tunggal dengan fasa kristal yang sama seperti substrat.
(2) Pertumbuhan epitaksi berkelajuan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandungi klorin. Dalam sistem pemendapan wap kimia SiC konvensional, silana dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses meningkatkan kadar pertumbuhan dengan meningkatkan kadar aliran sumber pertumbuhan, apabila tekanan separa keseimbangan komponen silikon terus meningkat, mudah untuk membentuk gugusan silikon melalui nukleasi fasa gas homogen, yang mengurangkan kadar penggunaan sumber silikon dengan ketara. Pembentukan gugusan silikon sangat mengehadkan peningkatan kadar pertumbuhan epitaksi. Pada masa yang sama, gugusan silikon boleh mengganggu pertumbuhan aliran langkah dan menyebabkan nukleasi kecacatan. Untuk mengelakkan nukleasi fasa gas homogen dan meningkatkan kadar pertumbuhan epitaksi, pengenalan sumber silikon berasaskan klorin kini merupakan kaedah arus perdana untuk meningkatkan kadar pertumbuhan epitaksi 4H-SiC.
1.2 200 mm (8 inci) peralatan epitaksi SiC dan keadaan proses
Eksperimen yang diterangkan dalam kertas kerja ini semuanya dijalankan pada peralatan epitaksi SiC dinding panas mendatar monolitik serasi 150/200 mm (6/8 inci) yang dibangunkan secara bebas oleh Institut China Electronics Technology Group Corporation ke-48. Relau epitaksi menyokong pemuatan dan pemunggahan wafer automatik sepenuhnya. Rajah 1 ialah gambarajah skematik struktur dalaman ruang tindak balas peralatan epitaksi. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dinding luar ruang tindak balas ialah loceng kuarza dengan lapisan antara yang disejukkan air, dan bahagian dalam loceng ialah ruang tindak balas suhu tinggi, yang terdiri daripada felt karbon penebat haba, rongga grafit khas ketulenan tinggi, tapak berputar terapung gas grafit, dan sebagainya. Keseluruhan loceng kuarza dilitupi dengan gegelung aruhan silinder, dan ruang tindak balas di dalam loceng dipanaskan secara elektromagnet oleh bekalan kuasa aruhan frekuensi sederhana. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), gas pembawa, gas tindak balas dan gas pendopan semuanya mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar mendatar dari hulu ruang tindak balas ke hilir ruang tindak balas dan dinyahcas dari hujung gas ekor. Untuk memastikan konsistensi dalam wafer, wafer yang dibawa oleh tapak terapung udara sentiasa diputar semasa proses.
Substrat yang digunakan dalam eksperimen ini ialah substrat SiC digilap dua sisi jenis-n konduktif 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) arah <1120> 4° luar sudut konduktif komersial 4H-SiC yang dihasilkan oleh Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilana (SiHCl3, TCS) dan etilena (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam eksperimen proses, antaranya TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen ketulenan tinggi (N2) digunakan sebagai sumber pendopan jenis-n, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pencairan dan gas pembawa. Julat suhu proses epitaksi ialah 1 600 ~ 1 660 ℃, tekanan proses ialah 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, dan kadar aliran gas pembawa H2 ialah 100 ~ 140 L/min.
1.3 Pengujian dan pencirian wafer epitaksial
Spektrometer inframerah Fourier (pengeluar peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji kepekatan prob merkuri (pengeluar peralatan Semilab, model 530L) telah digunakan untuk mencirikan min dan taburan ketebalan lapisan epitaksial dan kepekatan pendopan; ketebalan dan kepekatan pendopan setiap titik dalam lapisan epitaksial ditentukan dengan mengambil titik di sepanjang garis diameter yang bersilang dengan garis normal tepi rujukan utama pada 45° di tengah wafer dengan penyingkiran tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, 9 titik diambil di sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter berserenjang antara satu sama lain), dan untuk wafer 200 mm, 21 titik diambil, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Mikroskop daya atom (pengeluar peralatan Bruker, model Dimension Icon) telah digunakan untuk memilih kawasan 30 μm×30 μm di kawasan tengah dan kawasan tepi (penyingkiran tepi 5 mm) wafer epitaksial untuk menguji kekasaran permukaan lapisan epitaksial; Kecacatan lapisan epitaksi diukur menggunakan penguji kecacatan permukaan (pengeluar peralatan China Electronics). Pengimej 3D dicirikan oleh sensor radar (model Mars 4410 pro) dari Kefenghua.
Masa siaran: 04-Sep-2024