For tiden går SiC-industrien fra 150 mm (6 tommer) til 200 mm (8 tommer). For å møte den presserende etterspørselen etter store, høykvalitets SiC homoepitaksiale wafere i industrien, er 150 mm og 200 mm4H-SiC homoepitaksiale wafereble vellykket fremstilt på innenlandske underlag ved bruk av det uavhengig utviklede 200 mm SiC epitaksiale vekstutstyret. En homoepitaksial prosess egnet for 150 mm og 200 mm ble utviklet, der den epitaksiale veksthastigheten kan være større enn 60 µm/t. Samtidig som den oppfyller høyhastighetsepitaksien, er den epitaksiale waferkvaliteten utmerket. Tykkelsesjevnheten på 150 mm og 200 mmSiC epitaksiale waferekan kontrolleres innenfor 1,5 %, konsentrasjonsuniformiteten er mindre enn 3 %, den fatale defekttettheten er mindre enn 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overflateruhetens rotmiddelkvadrat Ra er mindre enn 0,15 nm, og alle kjerneprosessindikatorer er på avansert nivå i bransjen.
Silisiumkarbid (SiC)er en av representantene for tredjegenerasjons halvledermaterialer. Det har egenskapene høy gjennombruddsfeltstyrke, utmerket varmeledningsevne, stor elektronmetningsdrifthastighet og sterk strålingsmotstand. Det har utvidet energibehandlingskapasiteten til kraftenheter betraktelig og kan oppfylle servicekravene til neste generasjon kraftelektronisk utstyr for enheter med høy effekt, liten størrelse, høy temperatur, høy stråling og andre ekstreme forhold. Det kan redusere plass, redusere strømforbruket og redusere kjølebehovet. Det har brakt revolusjonerende endringer til nye energikjøretøyer, jernbanetransport, smarte nett og andre felt. Derfor har silisiumkarbidhalvledere blitt anerkjent som det ideelle materialet som vil lede neste generasjon kraftelektroniske enheter med høy effekt. I de senere årene, takket være den nasjonale politiske støtten til utviklingen av tredjegenerasjons halvlederindustri, har forskning, utvikling og konstruksjon av 150 mm SiC-enhetsindustrisystem i hovedsak blitt fullført i Kina, og sikkerheten i industrikjeden har i hovedsak blitt garantert. Derfor har industriens fokus gradvis skiftet til kostnadskontroll og effektivitetsforbedring. Som vist i tabell 1, har 200 mm SiC en høyere kantutnyttelsesgrad sammenlignet med 150 mm, og produksjonen fra enkeltskiver kan økes med omtrent 1,8 ganger. Etter at teknologien modnes, kan produksjonskostnadene for en enkeltbrikke reduseres med 30 %. Det teknologiske gjennombruddet på 200 mm er et direkte middel til å "redusere kostnader og øke effektiviteten", og det er også nøkkelen til at landets halvlederindustri skal "kjøre parallelt" eller til og med "lede".
Forskjellig fra Si-enhetsprosessen,SiC halvlederkraftenheterblir alle behandlet og fremstilt med epitaksiale lag som hjørnestein. Epitaksiale wafere er essensielle basismaterialer for SiC-kraftenheter. Kvaliteten på det epitaksiale laget bestemmer direkte enhetens utbytte, og kostnaden utgjør 20 % av produksjonskostnadene for brikken. Derfor er epitaksialvekst et viktig mellomledd i SiC-kraftenheter. Den øvre grensen for epitaksialprosessnivået bestemmes av epitaksialutstyret. For tiden er lokaliseringsgraden for 150 mm SiC epitaksialutstyr i Kina relativt høy, men den generelle utformingen av 200 mm henger samtidig etter det internasjonale nivået. For å løse de presserende behovene og flaskehalsproblemene ved produksjon av store, høykvalitets epitaksiale materialer for utviklingen av den innenlandske tredjegenerasjons halvlederindustrien, introduserer denne artikkelen derfor det 200 mm SiC epitaksiale utstyret som er utviklet med suksess i mitt land, og studerer den epitaksiale prosessen. Ved å optimalisere prosessparametrene som prosesstemperatur, bærergassstrømningshastighet, C/Si-forhold, etc., oppnås konsentrasjonsuniformitet <3 %, tykkelsesujevnhet <1,5 %, ruhet Ra <0,2 nm og fatal defekttetthet <0,3 grain/cm2 for 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere med uavhengig utviklet 200 mm silisiumkarbid epitaksialovn. Utstyrsprosessnivået kan møte behovene for forberedelse av SiC-kraftenheter av høy kvalitet.
1 eksperiment
1.1 Prinsipp forSiC epitaksialbehandle
4H-SiC homoepitaksial vekstprosess inkluderer hovedsakelig to hovedtrinn, nemlig høytemperatur in-situ-etsing av 4H-SiC-substrat og homogen kjemisk dampavsetningsprosess. Hovedformålet med in-situ-etsing av substratet er å fjerne skader på underlaget etter waferpolering, gjenværende poleringsvæske, partikler og oksidlag, og en regelmessig atomtrinnstruktur kan dannes på substratoverflaten ved etsing. In-situ-etsing utføres vanligvis i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske prosesskravene kan en liten mengde hjelpegass også tilsettes, for eksempel hydrogenklorid, propan, etylen eller silan. Temperaturen ved in-situ hydrogenetsing er vanligvis over 1600 ℃, og trykket i reaksjonskammeret kontrolleres vanligvis under 2 × 104 Pa under etseprosessen.
Etter at substratoverflaten er aktivert ved in-situ-etsing, går den inn i høytemperatur kjemisk dampavsetningsprosess, det vil si at vekstkilden (som etylen/propan, TCS/silan), dopingkilden (n-type dopingkilde nitrogen, p-type dopingkilde TMAl) og hjelpegass som hydrogenklorid transporteres til reaksjonskammeret gjennom en stor strøm av bærergass (vanligvis hydrogen). Etter at gassen reagerer i høytemperaturreaksjonskammeret, reagerer en del av forløperen kjemisk og adsorberes på waferoverflaten, og et enkeltkrystall homogent 4H-SiC epitaksiallag med en spesifikk dopingkonsentrasjon, spesifikk tykkelse og høyere kvalitet dannes på substratoverflaten ved å bruke enkeltkrystall 4H-SiC-substratet som mal. Etter år med teknisk utforskning har 4H-SiC homoepitaksialteknologien i utgangspunktet modnet og er mye brukt i industriell produksjon. Den mest brukte 4H-SiC homoepitaksialteknologien i verden har to typiske egenskaper:
(1) Ved å bruke et skrått kuttet substrat utenfor aksen (i forhold til <0001> krystallplanet, mot <11-20> krystallretningen) som mal, avsettes et epitaksialt lag av 4H-SiC med høy renhet og uten urenheter på substratet i form av trinnvis vekstmodus. Tidlig 4H-SiC homoepitaksial vekst brukte et positivt krystallsubstrat, det vil si <0001> Si-planet, for vekst. Tettheten av atomtrinn på overflaten av det positive krystallsubstratet er lav, og terrassene er brede. Todimensjonal kimdannelsesvekst forekommer lett under epitaksiprosessen for å danne 3C krystall SiC (3C-SiC). Ved skjæring utenfor aksen kan atomtrinn med høy tetthet og smal terrassebredde introduseres på overflaten av 4H-SiC <0001> substratet, og den adsorberte forløperen kan effektivt nå atomtrinnposisjonen med relativt lav overflateenergi gjennom overflatediffusjon. På trinnet er bindingsposisjonen mellom forløperatom og molekylgruppe unik, så i trinnvis flytvekstmodus kan det epitaksiale laget perfekt arve Si-C dobbeltatomlagsstablingssekvensen til substratet for å danne en enkeltkrystall med samme krystallfase som substratet.
(2) Høyhastighets epitaksialvekst oppnås ved å introdusere en klorholdig silisiumkilde. I konvensjonelle SiC kjemiske dampavsetningssystemer er silan og propan (eller etylen) de viktigste vekstkildene. I prosessen med å øke vekstraten ved å øke vekstkildens strømningshastighet, er det lett å danne silisiumklynger ved homogen gassfasenukleering etter hvert som likevektspartialtrykket til silisiumkomponenten fortsetter å øke, noe som reduserer utnyttelsesgraden til silisiumkilden betydelig. Dannelsen av silisiumklynger begrenser i stor grad forbedringen av den epitaksiale vekstraten. Samtidig kan silisiumklynger forstyrre trinnstrømningsveksten og forårsake defektnukleering. For å unngå homogen gassfasenukleering og øke den epitaksiale vekstraten, er introduksjonen av klorbaserte silisiumkilder for tiden den vanlige metoden for å øke den epitaksiale vekstraten til 4H-SiC.
1,2 200 mm (8-tommers) SiC epitaksialt utstyr og prosessforhold
Eksperimentene beskrevet i denne artikkelen ble alle utført på et 150/200 mm (6/8-tommers) kompatibelt monolittisk horisontalt varmveggs SiC epitaksialt utstyr, uavhengig utviklet av 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaksialovnen støtter helautomatisk waferlasting og -lossing. Figur 1 er et skjematisk diagram av den indre strukturen til reaksjonskammeret til det epitaksiale utstyret. Som vist i figur 1 er den ytre veggen av reaksjonskammeret en kvartsklokke med et vannkjølt mellomlag, og innsiden av klokken er et høytemperaturreaksjonskammer, som består av termisk isolasjonskarbonfilt, et spesielt grafitthulrom med høy renhet, en roterende base med grafittgass, etc. Hele kvartsklokken er dekket med en sylindrisk induksjonsspole, og reaksjonskammeret inne i klokken varmes opp elektromagnetisk av en mediumfrekvent induksjonsstrømforsyning. Som vist i figur 1 (b), strømmer bærergassen, reaksjonsgassen og dopinggassen gjennom waferoverflaten i en horisontal laminær strømning fra oppstrøms reaksjonskammeret til nedstrøms reaksjonskammeret og slippes ut fra halegassenden. For å sikre konsistensen i waferen roteres waferen som bæres av den luftflytende basen alltid under prosessen.
Substratet som ble brukt i eksperimentet er et kommersielt 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4° avvikende ledende n-type 4H-SiC dobbeltsidig polert SiC-substrat produsert av Shanxi Shuoke Crystal. Triklorsilan (SiHCl3, TCS) og etylen (C2H4) brukes som de viktigste vekstkildene i prosesseksperimentet, hvorav TCS og C2H4 brukes som henholdsvis silisiumkilde og karbonkilde, høyrens nitrogen (N2) brukes som n-type dopingkilde, og hydrogen (H2) brukes som fortynningsgass og bærergass. Temperaturområdet for den epitaksiale prosessen er 1600 ~ 1660 ℃, prosesstrykket er 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, og H2-bærergassens strømningshastighet er 100 ~ 140 L/min.
1.3 Epitaksial wafertesting og karakterisering
Fourier infrarødspektrometer (utstyrsprodusent Thermalfisher, modell iS50) og kvikksølvprobekonsentrasjonstester (utstyrsprodusent Semilab, modell 530L) ble brukt til å karakterisere gjennomsnittet og fordelingen av epitaksiallagets tykkelse og dopingkonsentrasjon. Tykkelsen og dopingkonsentrasjonen for hvert punkt i det epitaksiale laget ble bestemt ved å ta punkter langs diameterlinjen som skjærer normallinjen til hovedreferansekanten ved 45° i midten av waferen med 5 mm kantfjerning. For en 150 mm wafer ble 9 punkter tatt langs en linje med én diameter (to diametre var vinkelrett på hverandre), og for en 200 mm wafer ble 21 punkter tatt, som vist i figur 2. Et atomkraftmikroskop (utstyrsprodusent Bruker, modell Dimension Icon) ble brukt til å velge 30 μm × 30 μm områder i senterområdet og kantområdet (5 mm kantfjerning) av den epitaksiale waferen for å teste overflateruheten til det epitaksiale laget. Defektene i det epitaksiale laget ble målt ved hjelp av en overflatedefekttester (utstyrsprodusent China Electronics). 3D-bildeapparatet ble karakterisert av en radarsensor (modell Mars 4410 pro) fra Kefenghua.
Publisert: 04.09.2024