De SiC-industrie maakt momenteel een transformatie door 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, worden er nu wafers van 150 mm en 200 mm geproduceerd.4H-SiC homo-epitaxiale wafersMet succes werden op binnenlandse substraten geprepareerd met behulp van de zelfontwikkelde 200 mm SiC-epitaxiale groei-apparatuur. Er werd een homo-epitaxiaal proces ontwikkeld dat geschikt is voor 150 mm en 200 mm, waarbij de epitaxiale groeisnelheid meer dan 60 µm/u kan bedragen. De epitaxiale wafers voldoen aan de eisen voor snelle epitaxie en leveren tegelijkertijd een uitstekende kwaliteit. De dikteuniformiteit van de 150 mm en 200 mm wafers is eveneens goed.SiC epitaxiale wafersDe afwijking kan binnen 1,5% worden gehouden, de concentratieuniformiteit is minder dan 3%, de dichtheid van fatale defecten is minder dan 0,3 deeltjes/cm², en de wortelgemiddelde kwadratische ruwheid Ra van het epitaxiale oppervlak is minder dan 0,15 nm. Alle kernprocesindicatoren bevinden zich op een geavanceerd niveau binnen de industrie.
Siliciumcarbide (SiC)Siliciumcarbide (SiC) is een van de vertegenwoordigers van de derde generatie halfgeleidermaterialen. Het kenmerkt zich door een hoge doorslagsterkte, uitstekende thermische geleidbaarheid, een grote verzadigingsdriftsnelheid van elektronen en een sterke stralingsbestendigheid. Het heeft de energieverwerkingscapaciteit van vermogenscomponenten aanzienlijk vergroot en kan voldoen aan de eisen van de volgende generatie vermogenselektronica voor apparaten met een hoog vermogen, kleine afmetingen, hoge temperaturen, hoge straling en andere extreme omstandigheden. Het kan ruimte besparen, het energieverbruik verlagen en de koelingsbehoefte verminderen. Het heeft revolutionaire veranderingen teweeggebracht in elektrische voertuigen, spoorvervoer, slimme netwerken en andere gebieden. Daarom worden siliciumcarbide-halfgeleiders erkend als het ideale materiaal dat de volgende generatie krachtige vermogenselektronica zal aansturen. Dankzij de nationale beleidssteun voor de ontwikkeling van de derde generatie halfgeleiderindustrie zijn de afgelopen jaren de research, ontwikkeling en de opbouw van het 150 mm SiC-componentenindustriesysteem in China grotendeels voltooid en is de veiligheid van de industriële keten in principe gewaarborgd. De focus van de industrie is daarom geleidelijk verschoven naar kostenbeheersing en efficiëntieverbetering. Zoals weergegeven in Tabel 1, heeft 200 mm SiC, vergeleken met 150 mm, een hogere benutting van de randen en kan de output van chips op één wafer met ongeveer 1,8 keer worden verhoogd. Naarmate de technologie volwassener wordt, 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 van ons land om "gelijk te presteren" of zelfs "een leidende rol te spelen".
Anders dan bij het Si-apparaatproces,SiC-halfgeleidervermogenscomponentenAlle componenten worden verwerkt en voorbereid met epitaxiale lagen als hoeksteen. Epitaxiale wafers zijn essentiële basismaterialen voor SiC-vermogenscomponenten. De kwaliteit van de epitaxiale laag bepaalt direct de opbrengst van het component, en de kosten ervan vertegenwoordigen 20% van de chipproductiekosten. Daarom is epitaxiale groei een essentiële tussenschakel in SiC-vermogenscomponenten. 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 ontwikkeling van 200 mm loopt tegelijkertijd achter op het internationale niveau. Om de dringende behoeften en knelpunten van de grootschalige, hoogwaardige productie van epitaxiaal materiaal voor de ontwikkeling van de binnenlandse derde generatie halfgeleiderindustrie op te lossen, introduceert dit artikel de in China succesvol ontwikkelde 200 mm SiC-epitaxiale apparatuur en bestudeert het het epitaxiale proces. Door de procesparameters zoals procestemperatuur, draaggasstroom, C/Si-verhouding, enz. te optimaliseren, worden concentratieuniformiteit <3%, dikte-ongelijkmatigheid <1,5%, ruwheid Ra <0,2 nm en fatale defectdichtheid <0,3 korrels/cm² bereikt voor 150 mm en 200 mm SiC-epitaxiale wafers met een zelfontwikkelde 200 mm siliciumcarbide-epitaxiale oven. Het procesniveau van de apparatuur voldoet aan de eisen voor de productie van hoogwaardige SiC-vermogenscomponenten.
1 Experiment
1.1 Principe vanSiC epitaxiaalproces
Het homo-epitaxiale groeiproces van 4H-SiC omvat hoofdzakelijk twee belangrijke stappen: in-situ etsen van het 4H-SiC-substraat bij hoge temperatuur en het homogene chemische dampafzettingsproces. Het belangrijkste doel van het in-situ etsen van het substraat is het verwijderen van beschadigingen onder het oppervlak na het polijsten van de wafer, resten van polijstvloeistof, deeltjes en de oxidelaag. Door middel van etsen kan een regelmatige atomaire trapstructuur op het substraatoppervlak worden gevormd. In-situ etsen wordt doorgaans uitgevoerd in een waterstofatmosfeer. Afhankelijk van de specifieke procesvereisten kan een kleine hoeveelheid hulpgas worden toegevoegd, zoals waterstofchloride, propaan, ethyleen of silaan. De temperatuur van het in-situ waterstofetsen ligt over het algemeen boven de 1600 °C en de druk in de reactiekamer wordt tijdens het etsproces doorgaans onder de 2 × 10⁴ Pa gehouden.
Nadat het substraatoppervlak is geactiveerd door in-situ etsen, wordt het onderworpen aan een chemische dampafzetting bij hoge temperatuur. Hierbij worden de groeibron (zoals ethyleen/propaan, TCS/silaan), de doteringsbron (n-type doteringsbron stikstof, p-type doteringsbron TMAl) en een hulpstofgas zoals waterstofchloride via een grote stroom draaggas (meestal waterstof) naar de reactiekamer getransporteerd. Nadat het gas in de reactiekamer bij hoge temperatuur heeft gereageerd, reageert een deel van de precursor chemisch en adsorbeert op het waferoppervlak. Hierdoor wordt een homogene, enkelkristallijne 4H-SiC epitaxiale laag met een specifieke doteringsconcentratie, specifieke dikte en hogere kwaliteit gevormd op het substraatoppervlak, waarbij het enkelkristallijne 4H-SiC-substraat als sjabloon dient. Na jaren van technisch onderzoek is de 4H-SiC homo-epitaxiale technologie in principe volwassen geworden en wordt deze op grote schaal toegepast in de industriële productie. De meest gebruikte 4H-SiC homo-epitaxiale technologie ter wereld heeft twee typische kenmerken:
(1) Door gebruik te maken van een schuin gesneden substraat (ten opzichte van het <0001>-kristalvlak, in de richting van de <11-20>-kristalrichting) als sjabloon, wordt een zeer zuivere, eenkristallijne 4H-SiC-epitaxiale laag zonder onzuiverheden op het substraat afgezet in de vorm van een stapstroomgroeimodus. Bij de vroege homo-epitaxiale groei van 4H-SiC werd een positief kristalsubstraat gebruikt, dat wil zeggen het <0001>-Si-vlak voor de groei. De dichtheid van atomaire treden op het oppervlak van het positieve kristalsubstraat is laag en de terrassen zijn breed. Tweedimensionale nucleatiegroei treedt gemakkelijk op tijdens het epitaxieproces, wat leidt tot de vorming van 3C-kristallijn SiC (3C-SiC). Door schuin 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 positie van de atomaire treden met een relatief lage oppervlakte-energie effectief bereiken door oppervlaktediffusie. Bij de stap is de bindingspositie van het precursoratoom/de moleculaire groep uniek, waardoor de epitaxiale laag in de stapsgewijze groeimodus de Si-C dubbele atoomlaagstapelingsvolgorde van het substraat perfect kan overnemen en zo een enkel kristal met dezelfde kristalfase als het substraat kan vormen.
(2) Snelle epitaxiale groei wordt bereikt door de introductie van een chloorhoudende siliciumbron. In conventionele SiC-chemische dampafzettingssystemen 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 evenwichtspartialdruk van de siliciumcomponent blijft toenemen, gemakkelijk om siliciumclusters te vormen door homogene gasfasekiemvorming, wat de benuttingsgraad van de siliciumbron aanzienlijk vermindert. De vorming van siliciumclusters beperkt de verbetering van de epitaxiale groeisnelheid sterk. Tegelijkertijd kunnen siliciumclusters de stapstroomgroei verstoren en defectkiemvorming veroorzaken. Om homogene gasfasekiemvorming te voorkomen en de epitaxiale groeisnelheid te verhogen, is de introductie van op chloor gebaseerde 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, werden allemaal uitgevoerd op een 150/200 mm (6/8 inch) compatibele monolithische horizontale SiC-epitaxiale oven met hete wanden, die onafhankelijk is ontwikkeld door het 48e Instituut van China Electronics Technology Group Corporation. De epitaxiale oven ondersteunt volledig automatisch laden en lossen van wafers. Figuur 1 is een schematische weergave van de interne structuur van de reactiekamer van de epitaxiale oven. 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 opgebouwd uit thermisch isolerend koolstofvilt, een holte van zeer zuiver speciaal grafiet, een roterende basis met grafietgas, enzovoort. De gehele kwartsklok is bedekt met een cilindrische inductiespoel en de reactiekamer in de klok wordt elektromagnetisch verwarmd door een middelfrequente inductievoeding. Zoals weergegeven in figuur 1 (b), stromen het draaggas, het reactiegas en het doteringsgas allemaal in een horizontale laminaire stroom door het waferoppervlak, van de stroomopwaartse naar de stroomafwaartse zijde van de reactiekamer, en worden ze aan de uitlaat van het staartgas afgevoerd. Om de consistentie binnen de wafer te waarborgen, wordt de wafer, die op de lucht zwevende basis rust, tijdens het proces continu gedraaid.
Het substraat dat in het experiment is gebruikt, is een commercieel, dubbelzijdig gepolijst n-type 4H-SiC-substraat van 150 mm x 200 mm (6 inch x 8 inch) met een <1120>-richting en een hoek van 4°, 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 siliciumbron en koolstofbron dienen. Hoogzuivere stikstof (N2) wordt gebruikt als n-type doteringsbron en waterstof (H2) als verdunningsgas en draaggas. Het temperatuurbereik van het epitaxiale proces is 1600 tot 1660 °C, de procesdruk is 8 × 10³ tot 12 × 10³ Pa en de H2-draaggasstroom is 100 tot 140 L/min.
1.3 Testen en karakteriseren van epitaxiale wafers
Een Fourier-infraroodspectrometer (fabrikant Thermalfisher, model iS50) en een kwiksondeconcentratiemeter (fabrikant Semilab, model 530L) werden gebruikt om het gemiddelde en de verdeling van de dikte en de doteringsconcentratie van de epitaxiale laag te karakteriseren. De dikte en doteringsconcentratie van elk punt in de epitaxiale laag werden bepaald door punten te nemen langs de diameterlijn die de normaal van de hoofdreferentierand onder een hoek van 45° snijdt in het midden van de wafer, met een randafsnijding van 5 mm. 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 Figuur 2. Een atoomkrachtmicroscoop (fabrikant Bruker, model Dimension Icon) werd gebruikt om gebieden van 30 μm × 30 μm te selecteren in het midden en aan de rand (5 mm randafname) van de epitaxiale wafer om de oppervlakteruwheid van de epitaxiale laag te testen; de defecten van de epitaxiale laag werden gemeten met behulp van een oppervlaktedefecttester (fabrikant China Electronics). De 3D-beeldvormer werd gekarakteriseerd door een radarsensor (model Mars 4410 pro) van Kefenghua.
Geplaatst op: 04-09-2024