De SiC-industrie transformeert momenteel van 150 mm (6 inch) naar 200 mm (8 inch). Om te voldoen aan de dringende vraag naar grote, hoogwaardige SiC-homo-epitaxiale wafers in de industrie, zijn er 150 mm en 200 mm4H-SiC homo-epitaxiale waferswerden succesvol geprepareerd op binnenlandse substraten met behulp van de onafhankelijk ontwikkelde 200 mm SiC epitaxiale groeiapparatuur. Er werd een homo-epitaxiaal proces ontwikkeld, geschikt voor 150 mm en 200 mm, waarbij de epitaxiale groeisnelheid hoger kan zijn dan 60 µm/u. Hoewel de hogesnelheidsepitaxie wordt bereikt, is de epitaxiale waferkwaliteit uitstekend. De dikte-uniformiteit van 150 mm en 200 mmSiC epitaxiale waferskan worden geregeld binnen 1,5%, de concentratie-uniformiteit is minder dan 3%, de fatale defectdichtheid is minder dan 0,3 deeltjes/cm2 en de epitaxiale oppervlakteruwheid root mean square Ra is minder dan 0,15 nm, en alle kernprocesindicatoren bevinden zich op het geavanceerde niveau van de industrie.
Siliciumcarbide (SiC)is een van de vertegenwoordigers van de derde generatie halfgeleidermaterialen. Het heeft de kenmerken van een hoge doorslagsterkte, uitstekende thermische geleidbaarheid, een hoge elektronenverzadigingsdriftsnelheid en een sterke stralingsbestendigheid. Het heeft de energieverwerkingscapaciteit van vermogensapparaten aanzienlijk vergroot en kan voldoen aan de servicevereisten van de volgende generatie vermogenselektronica voor apparaten met een hoog vermogen, een klein formaat, hoge temperaturen, hoge straling en andere extreme omstandigheden. Het kan ruimte besparen, het stroomverbruik verminderen en de koelbehoefte verminderen. Het heeft revolutionaire veranderingen teweeggebracht in nieuwe energievoertuigen, spoorvervoer, slimme netwerken en andere sectoren. Daarom zijn siliciumcarbidehalfgeleiders erkend als het ideale materiaal voor de volgende generatie vermogenselektronica met hoog vermogen. Dankzij de nationale beleidsondersteuning voor de ontwikkeling van de derde generatie halfgeleiderindustrie zijn de afgelopen jaren het onderzoek, de ontwikkeling en de bouw van het 150 mm SiC-apparatenindustriesysteem in China grotendeels voltooid en is de veiligheid van de industriële keten grotendeels gegarandeerd. Daarom is de focus van de industrie geleidelijk verschoven naar kostenbeheersing en efficiëntieverbetering. Zoals weergegeven in tabel 1, heeft 200 mm SiC een hogere randbenuttingsgraad vergeleken met 150 mm, en kan de output van chips op één wafer met ongeveer 1,8 keer worden verhoogd. Na verdere ontwikkeling van de technologie kunnen de productiekosten van een enkele chip met 30% worden verlaagd. De technologische doorbraak van 200 mm is een directe manier om "kosten te verlagen en de efficiëntie te verhogen", en is tevens de sleutel voor de halfgeleiderindustrie in mijn land om "parallel" of zelfs "vooraan" te opereren.
Anders dan het Si-apparaatproces,SiC-halfgeleidervermogensapparatenworden allemaal verwerkt en voorbereid met epitaxiale lagen als hoeksteen. Epitaxiale wafers zijn essentiële basismaterialen voor SiC-voedingscomponenten. De kwaliteit van de epitaxiale laag bepaalt direct de opbrengst van de component en de kosten ervan bedragen 20% van de chipproductiekosten. Epitaxiale groei is daarom een essentiële tussenschakel in SiC-voedingscomponenten. De bovengrens van het epitaxiale procesniveau wordt bepaald door de epitaxiale apparatuur. Momenteel is de lokalisatiegraad van 150 mm SiC-epitaxiale apparatuur in China relatief hoog, maar de algehele lay-out van 200 mm blijft tegelijkertijd achter op het internationale niveau. Om de dringende behoeften en knelpunten op te lossen bij de productie van grootformaat, hoogwaardig epitaxiaal materiaal voor de ontwikkeling van de binnenlandse derde-generatie halfgeleiderindustrie, introduceert dit artikel de 200 mm SiC-epitaxiale apparatuur die met succes in mijn land is ontwikkeld en bestudeert het het epitaxiale proces. Door procesparameters zoals procestemperatuur, dragergasstroom, C/Si-verhouding, enz. te optimaliseren, worden een concentratie-uniformiteit <3%, een dikte-inuniformiteit <1,5%, een ruwheid Ra <0,2 nm en een fatale defectdichtheid <0,3 grains/cm² van 150 mm en 200 mm SiC epitaxiale wafers met een onafhankelijk ontwikkelde 200 mm siliciumcarbide epitaxiale oven bereikt. Het procesniveau van de apparatuur voldoet aan de behoeften van de voorbereiding van hoogwaardige SiC-vermogenscomponenten.
1 Experiment
1.1 Beginsel vanSiC epitaxiaalproces
Het homo-epitaxiale groeiproces van 4H-SiC omvat hoofdzakelijk twee belangrijke stappen: in-situ etsen bij hoge temperatuur van het 4H-SiC-substraat en homogeen chemisch dampdepositieproces. Het hoofddoel van in-situ etsen van het substraat is het verwijderen van de beschadigingen aan het substraatoppervlak na het polijsten van de wafer, resten van polijstvloeistof, deeltjes en oxidelaag, en het vormen van een regelmatige atomaire trapstructuur op het substraatoppervlak door middel van etsen. In-situ etsen wordt gewoonlijk uitgevoerd in een waterstofatmosfeer. Afhankelijk van de werkelijke procesvereisten kan ook een kleine hoeveelheid hulpgas worden toegevoegd, zoals waterstofchloride, propaan, ethyleen of silaan. De temperatuur van in-situ waterstofetsen ligt over het algemeen boven 1600 °C en de druk in de reactiekamer wordt over het algemeen onder 2×104 Pa gehouden tijdens het etsproces.
Nadat het substraatoppervlak is geactiveerd door in-situ etsen, gaat het over naar het hogetemperatuurproces van chemische dampdepositie (CVD). Dit houdt in dat de groeibron (zoals ethyleen/propaan, TCS/silaan), de doteringsbron (n-type doteringsbron stikstof, p-type doteringsbron TMAl) en het hulpgas, zoals waterstofchloride, via een grote stroom dragergas (meestal waterstof) naar de reactiekamer worden getransporteerd. Nadat het gas in de hogetemperatuurreactiekamer heeft gereageerd, reageert een deel van de precursor chemisch en adsorbeert aan het waferoppervlak. Vervolgens wordt een monokristallijne homogene 4H-SiC epitaxiale laag met een specifieke doteringsconcentratie, specifieke dikte en hogere kwaliteit op het substraatoppervlak gevormd, waarbij het monokristallijne 4H-SiC substraat als sjabloon wordt gebruikt. Na jaren van technisch onderzoek is de 4H-SiC homo-epitaxiale technologie in principe volwassen geworden en wordt deze breed toegepast in de industriële productie. De meest gebruikte 4H-SiC homo-epitaxiale technologie ter wereld heeft twee typische kenmerken:
(1) Met behulp van een off-axis (ten opzichte van het <0001> kristalvlak, in de richting van de <11-20> kristalrichting) schuin gesneden substraat als sjabloon, wordt een epitaxiale laag van hoogzuiver monokristallijn 4H-SiC zonder onzuiverheden op het substraat afgezet in de vorm van een stapsgewijze groeimodus. Voor de eerste homo-epitaxiale groei van 4H-SiC werd een positief kristalsubstraat gebruikt, d.w.z. het <0001> Si-vlak. De dichtheid van de atomaire treden op het oppervlak van het positieve kristalsubstraat is laag en de terrassen zijn breed. Tweedimensionale nucleatiegroei is gemakkelijk te realiseren tijdens het epitaxieproces om 3C-kristal SiC (3C-SiC) te vormen. Door off-axis te snijden, kunnen atomaire treden met een hoge dichtheid en smalle terrasbreedte op het oppervlak van het 4H-SiC <0001> substraat worden geïntroduceerd, en kan de geadsorbeerde precursor de atomaire stappositie effectief bereiken met een relatief lage oppervlakte-energie door middel van oppervlaktediffusie. Bij deze stap is de bindingspositie van het voorloperatoom/de moleculaire groep uniek, waardoor de epitaxiale laag bij de stapsgewijze groeimodus perfect de stapelvolgorde van de dubbele atoomlaag van Si-C van het substraat kan overnemen om een enkel kristal te vormen met dezelfde kristalfase als het substraat.
(2) Epitaxiale groei met hoge snelheid wordt bereikt door de introductie van een chloorhoudende siliciumbron. In conventionele SiC-systemen voor chemische dampdepositie zijn silaan en propaan (of ethyleen) de belangrijkste groeibronnen. Bij het verhogen van de groeisnelheid door de stroomsnelheid van de groeibron te verhogen, is het, naarmate de evenwichtspartiële druk van de siliciumcomponent blijft toenemen, gemakkelijk om siliciumclusters te vormen door homogene nucleatie in de gasfase, wat de benuttingsgraad van de siliciumbron aanzienlijk verlaagt. De vorming van siliciumclusters beperkt de verbetering van de epitaxiale groeisnelheid aanzienlijk. Tegelijkertijd kunnen siliciumclusters de stapsgewijze groei verstoren en defectnucleatie veroorzaken. Om homogene nucleatie in de gasfase te voorkomen en de epitaxiale groeisnelheid te verhogen, is de introductie van chloorhoudende siliciumbronnen momenteel de gangbare methode om de epitaxiale groeisnelheid van 4H-SiC te verhogen.
1.2 200 mm (8 inch) SiC epitaxiale apparatuur en procesomstandigheden
De experimenten die in dit artikel worden beschreven, zijn allemaal uitgevoerd met een 150/200 mm (6/8-inch) compatibele monolithische horizontale SiC epitaxiale apparatuur met hete wand, onafhankelijk ontwikkeld door het 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. De epitaxiale oven ondersteunt volledig automatisch laden en lossen van wafers. Figuur 1 toont een schema van de interne structuur van de reactiekamer van de epitaxiale apparatuur. Zoals weergegeven in figuur 1, is de buitenwand van de reactiekamer een kwartsklok met een watergekoelde tussenlaag, en de binnenkant van de klok is een hogetemperatuurreactiekamer, die is samengesteld uit thermisch isolerend koolstofvilt, een holte van zeer zuiver speciaal grafiet, een roterende basis met zwevend grafietgas, enz. De gehele kwartsklok is bedekt met een cilindrische inductiespoel, en de reactiekamer in de klok wordt elektromagnetisch verwarmd door een middenfrequente inductievoeding. Zoals weergegeven in Figuur 1 (b), stromen het draaggas, reactiegas en doteringsgas allemaal in een horizontale laminaire stroming door het waferoppervlak, van de bovenstroomse kant van de reactiekamer naar de benedenstroomse kant van de reactiekamer, en worden ze afgevoerd via het uitlaatgaseinde. Om de consistentie binnen de wafer te waarborgen, wordt de wafer, die door de zwevende basis wordt gedragen, tijdens het proces altijd gedraaid.
Het in het experiment gebruikte substraat is een commercieel 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) <1120> geleidend, dubbelzijdig gepolijst SiC-substraat met een 4° schuine hoek van 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) en een 4H-SiC-substraat, geproduceerd door Shanxi Shuoke Crystal. Trichloorsilaan (SiHCl3, TCS) en ethyleen (C2H4) worden gebruikt als de belangrijkste groeibronnen in het procesexperiment, waarbij TCS en C2H4 respectievelijk als silicium- en koolstofbron worden gebruikt, hoogzuivere stikstof (N2) als n-type doteringsbron en waterstof (H2) als verdunningsgas en dragergas. Het temperatuurbereik van het epitaxiale proces is 1600 tot 1660 °C, de procesdruk is 8×103 tot 12×103 Pa en de H2-dragergasstroom is 100 tot 140 l/min.
1.3 Epitaxiale wafertesten en -karakterisering
Een Fourier-infraroodspectrometer (apparatuurfabrikant Thermalfisher, model iS50) en een kwiksondeconcentratietester (apparatuurfabrikant Semilab, model 530L) werden gebruikt om het gemiddelde en de verdeling van de dikte van de epitaxiale laag en de dopingconcentratie te karakteriseren; de dikte en de dopingconcentratie van elk punt in de epitaxiale laag werden bepaald door punten te nemen langs de diameterlijn die de normaallijn van de belangrijkste referentierand snijdt onder een hoek van 45° in het midden van de wafer met 5 mm randverwijdering. Voor een wafer van 150 mm werden 9 punten genomen langs een enkele diameterlijn (twee diameters stonden loodrecht op elkaar) en voor een wafer van 200 mm werden 21 punten genomen, zoals weergegeven in afbeelding 2. Een atoomkrachtmicroscoop (apparatuurfabrikant Bruker, model Dimension Icon) werd gebruikt om gebieden van 30 μm×30 μm in het middengebied en het randgebied (5 mm randverwijdering) van de epitaxiale wafer te selecteren om de oppervlakteruwheid van de epitaxiale laag te testen; de defecten van de epitaxiale laag werden gemeten met een oppervlaktedefecttester (apparatuurfabrikant China Electronics). De 3D-imager werd gekarakteriseerd door een radarsensor (model Mars 4410 pro) van Kefenghua.
Plaatsingstijd: 04-09-2024