Atualmente, a indústria de SiC está passando por uma transição de 150 mm (6 polegadas) para 200 mm (8 polegadas). Para atender à demanda urgente por wafers homoepitaxiais de SiC de alta qualidade e grande porte, a indústria está desenvolvendo wafers de 150 mm e 200 mm.wafers homoepitaxiais de 4H-SiCFilmes de SiC foram preparados com sucesso em substratos nacionais utilizando um equipamento de crescimento epitaxial de 200 mm desenvolvido independentemente. Um processo homoepitaxial adequado para filmes de 150 mm e 200 mm foi desenvolvido, no qual a taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 µm/h. Além de atender aos requisitos de epitaxia de alta velocidade, a qualidade dos wafers epitaxiais é excelente. A uniformidade da espessura dos filmes de 150 mm e 200 mm foi comprovada.wafers epitaxiais de SiCPode ser controlado dentro de 1,5%, a uniformidade da concentração é inferior a 3%, a densidade de defeitos críticos é inferior a 0,3 partículas/cm², e a rugosidade superficial epitaxial média quadrática Ra é inferior a 0,15 nm, e todos os indicadores principais do processo estão no nível avançado da indústria.
Carboneto de silício (SiC)O carbeto de silício (SiC) é um dos representantes da terceira geração de materiais semicondutores. Possui características como alta rigidez dielétrica, excelente condutividade térmica, alta velocidade de deriva de saturação de elétrons e forte resistência à radiação. Expandiu significativamente a capacidade de processamento de energia de dispositivos de potência e atende aos requisitos de serviço da próxima geração de equipamentos eletrônicos de potência para dispositivos com alta potência, tamanho reduzido, alta temperatura, alta radiação e outras condições extremas. Permite reduzir espaço, consumo de energia e necessidades de refrigeração. Trouxe mudanças revolucionárias para veículos de nova energia, transporte ferroviário, redes inteligentes e outros campos. Portanto, os semicondutores de carbeto de silício são reconhecidos como o material ideal para a próxima geração de dispositivos eletrônicos de potência de alta potência. Nos últimos anos, graças ao apoio político nacional ao desenvolvimento da indústria de semicondutores de terceira geração, a pesquisa, o desenvolvimento e a construção do sistema industrial de dispositivos de SiC de 150 mm foram praticamente concluídos na China, e a segurança da cadeia produtiva foi basicamente garantida. Assim, o foco da indústria tem se voltado gradualmente para o controle de custos e o aumento da eficiência. Como demonstrado na Tabela 1, em comparação com o SiC de 150 mm, o SiC de 200 mm apresenta uma taxa de utilização das bordas superior, e a produção de chips por wafer pode ser aumentada em cerca de 1,8 vezes. Após a consolidação da tecnologia, o custo de fabricação de um único chip poderá ser reduzido em 30%. O avanço tecnológico do SiC de 200 mm é um meio direto de "reduzir custos e aumentar a eficiência", sendo também fundamental para que a indústria de semicondutores do meu país "opere em paralelo" ou mesmo "lidere" o setor.
Diferentemente do processo de fabricação de dispositivos de silício,dispositivos de potência semicondutores de SiCTodos os processos e preparações têm como base as camadas epitaxiais. Os wafers epitaxiais são materiais básicos essenciais para dispositivos de potência de SiC. A qualidade da camada epitaxial determina diretamente o rendimento do dispositivo, e seu custo representa 20% do custo de fabricação do chip. Portanto, o crescimento epitaxial é um elo intermediário essencial em dispositivos de potência de SiC. O limite superior do nível do processo epitaxial é determinado pelo equipamento epitaxial. Atualmente, o grau de nacionalização do equipamento epitaxial de SiC de 150 mm na China é relativamente alto, mas o layout geral de 200 mm está atrasado em relação ao nível internacional. Portanto, para atender às necessidades urgentes e aos gargalos na fabricação de material epitaxial de alta qualidade e em grande escala para o desenvolvimento da indústria nacional de semicondutores de terceira geração, este artigo apresenta o equipamento epitaxial de SiC de 200 mm desenvolvido com sucesso no país e estuda o processo epitaxial. Ao otimizar parâmetros de processo como temperatura, vazão do gás de arraste, relação C/Si, etc., obtém-se uniformidade de concentração <3%, não uniformidade de espessura <1,5%, rugosidade Ra <0,2 nm e densidade de defeitos críticos <0,3 grãos/cm² em wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm, utilizando um forno epitaxial de carbeto de silício de 200 mm desenvolvido internamente. O nível de processamento do equipamento atende às necessidades de preparação de dispositivos de potência de SiC de alta qualidade.
1 Experiment
1.1 Princípio deSiC epitaxialprocesso
O processo de crescimento homoepitaxial de 4H-SiC compreende principalmente duas etapas principais: a gravação in situ em alta temperatura do substrato de 4H-SiC e o processo de deposição química de vapor homogênea. O principal objetivo da gravação in situ do substrato é remover os danos subsuperficiais resultantes do polimento do wafer, como resíduos de líquido de polimento, partículas e camada de óxido, permitindo a formação de uma estrutura regular de degraus atômicos na superfície do substrato. A gravação in situ é geralmente realizada em atmosfera de hidrogênio. De acordo com as necessidades do processo, pequenas quantidades de gases auxiliares, como cloreto de hidrogênio, propano, etileno ou silano, podem ser adicionadas. A temperatura da gravação in situ em hidrogênio geralmente ultrapassa 1600 °C, e a pressão na câmara de reação é controlada abaixo de 2 × 10⁴ Pa durante o processo.
Após a ativação da superfície do substrato por meio de ataque químico in situ, este entra no processo de deposição química de vapor em alta temperatura (CVD). Nesse processo, a fonte de crescimento (como etileno/propano, TCS/silano), a fonte de dopagem (nitrogênio para dopagem tipo n, TMAl para dopagem tipo p) e um gás auxiliar, como o cloreto de hidrogênio, são transportados para a câmara de reação por um grande fluxo de gás de arraste (geralmente hidrogênio). Após a reação gasosa na câmara de reação em alta temperatura, parte do precursor reage quimicamente e é adsorvida na superfície do wafer, formando uma camada epitaxial homogênea de 4H-SiC monocristalina com concentração de dopagem específica, espessura específica e alta qualidade. O substrato de 4H-SiC monocristalino serve como molde. Após anos de pesquisa e desenvolvimento, a tecnologia de homoepitaxia de 4H-SiC atingiu a maturidade e é amplamente utilizada na produção industrial. A tecnologia homoepitaxial de 4H-SiC mais utilizada no mundo possui duas características típicas:
(1) Utilizando um substrato cortado obliquamente fora do eixo (em relação ao plano cristalino <0001>, na direção do plano cristalino <11-20>) como molde, uma camada epitaxial de 4H-SiC monocristalina de alta pureza e sem impurezas é depositada sobre o substrato por meio do modo de crescimento por fluxo de degraus. Os primeiros métodos de crescimento homoepitaxial de 4H-SiC utilizavam um substrato cristalino positivo, ou seja, o plano <0001> do Si para o crescimento. A densidade de degraus atômicos na superfície do substrato cristalino positivo é baixa e os terraços são amplos. O crescimento por nucleação bidimensional ocorre facilmente durante o processo de epitaxia para formar o SiC cristalino 3C (3C-SiC). Por meio do corte fora do eixo, degraus atômicos de alta densidade e com terraços estreitos podem ser introduzidos na superfície do substrato de 4H-SiC <0001>, e o precursor adsorvido pode alcançar efetivamente a posição do degrau atômico com energia superficial relativamente baixa por meio de difusão superficial. Nessa etapa, a posição de ligação do átomo precursor/grupo molecular é única, portanto, no modo de crescimento por fluxo em etapas, a camada epitaxial pode herdar perfeitamente a sequência de empilhamento da dupla camada atômica Si-C do substrato para formar um monocristal com a mesma fase cristalina do substrato.
(2) O crescimento epitaxial de alta velocidade é alcançado pela introdução de uma fonte de silício contendo cloro. Em sistemas convencionais de deposição química de vapor de SiC, silano e propano (ou etileno) são as principais fontes de crescimento. No processo de aumento da taxa de crescimento pelo aumento da vazão da fonte de crescimento, à medida que a pressão parcial de equilíbrio do componente de silício continua a aumentar, é fácil a formação de aglomerados de silício por nucleação homogênea na fase gasosa, o que reduz significativamente a taxa de utilização da fonte de silício. A formação de aglomerados de silício limita consideravelmente a melhoria da taxa de crescimento epitaxial. Ao mesmo tempo, os aglomerados de silício podem perturbar o crescimento por fluxo de etapas e causar nucleação de defeitos. Para evitar a nucleação homogênea na fase gasosa e aumentar a taxa de crescimento epitaxial, a introdução de fontes de silício à base de cloro é atualmente o método principal para aumentar a taxa de crescimento epitaxial do 4H-SiC.
1.2 Equipamento e condições de processo para epitaxia de SiC de 200 mm (8 polegadas)
Os experimentos descritos neste artigo foram todos conduzidos em um equipamento epitaxial de SiC de parede quente horizontal monolítico compatível com wafers de 150/200 mm (6/8 polegadas), desenvolvido independentemente pelo 48º Instituto da China Electronics Technology Group Corporation. O forno epitaxial suporta carregamento e descarregamento totalmente automáticos de wafers. A Figura 1 apresenta um diagrama esquemático da estrutura interna da câmara de reação do equipamento epitaxial. Como mostrado na Figura 1, a parede externa da câmara de reação é um sino de quartzo com uma camada intermediária refrigerada a água, e o interior do sino é uma câmara de reação de alta temperatura, composta por feltro de carbono isolante térmico, cavidade de grafite especial de alta pureza, base rotativa flutuante a gás de grafite, etc. Todo o sino de quartzo é coberto por uma bobina de indução cilíndrica, e a câmara de reação dentro do sino é aquecida eletromagneticamente por uma fonte de alimentação de indução de média frequência. Conforme mostrado na Figura 1 (b), o gás de arraste, o gás de reação e o gás dopante fluem através da superfície do wafer em um fluxo laminar horizontal, da montante da câmara de reação até a jusante, sendo descarregados pela extremidade de saída do gás. Para garantir a homogeneidade dentro do wafer, este, suportado pela base flutuante a ar, é constantemente girado durante o processo.
O substrato utilizado no experimento é um substrato comercial de SiC tipo n, condutor, polido em ambos os lados, com dimensões de 150 mm e 200 mm (6 polegadas e 8 polegadas), na direção <1120> e ângulo de 4°, produzido pela Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilano (SiHCl3, TCS) e etileno (C2H4) são utilizados como principais fontes de crescimento no experimento, sendo o TCS utilizado como fonte de silício e o C2H4 como fonte de carbono. Nitrogênio de alta pureza (N2) é utilizado como fonte de dopagem tipo n, e hidrogênio (H2) é utilizado como gás de diluição e gás de arraste. A faixa de temperatura do processo epitaxial é de 1600 a 1660 °C, a pressão do processo é de 8×10³ a 12×10³ Pa e a vazão do gás de arraste H2 é de 100 a 140 L/min.
1.3 Teste e caracterização de wafers epitaxiais
Um espectrômetro de infravermelho por transformada de Fourier (fabricante do equipamento Thermalfisher, modelo iS50) e um medidor de concentração por sonda de mercúrio (fabricante do equipamento Semilab, modelo 530L) foram usados para caracterizar a espessura média e a distribuição da camada epitaxial e a concentração de dopagem; a espessura e a concentração de dopagem de cada ponto na camada epitaxial foram determinadas tomando-se pontos ao longo da linha do diâmetro que intersecta a normal da borda de referência principal a 45° no centro do wafer com remoção de borda de 5 mm. Para um wafer de 150 mm, foram coletados 9 pontos ao longo de uma única linha de diâmetro (dois diâmetros perpendiculares entre si), e para um wafer de 200 mm, foram coletados 21 pontos, conforme mostrado na Figura 2. Um microscópio de força atômica (fabricante do equipamento Bruker, modelo Dimension Icon) foi usado para selecionar áreas de 30 μm × 30 μm na região central e na borda (remoção de 5 mm da borda) do wafer epitaxial para testar a rugosidade da superfície da camada epitaxial; os defeitos da camada epitaxial foram medidos usando um testador de defeitos de superfície (fabricante do equipamento China Electronics). O imageador 3D foi caracterizado por um sensor de radar (modelo Mars 4410 pro) da Kefenghua.
Data da publicação: 04/09/2024