Atualmente, a indústria de SiC está passando de 150 mm (6 polegadas) para 200 mm (8 polegadas). Para atender à demanda urgente por wafers homoepitaxiais de SiC de grande porte e alta qualidade na indústria, 150 mm e 200 mmWafers homoepitaxiais de 4H-SiCforam preparados com sucesso em substratos domésticos utilizando o equipamento de crescimento epitaxial de SiC de 200 mm, desenvolvido independentemente. Foi desenvolvido um processo homoepitaxial adequado para 150 mm e 200 mm, no qual a taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 µm/h. Ao mesmo tempo em que atende à epitaxia de alta velocidade, a qualidade do wafer epitaxial é excelente. A uniformidade de espessura de 150 mm e 200 mmWafers epitaxiais de SiCpode ser controlado dentro de 1,5%, a uniformidade de concentração é menor que 3%, a densidade de defeitos fatais é menor que 0,3 partículas/cm2, e a raiz quadrada média da rugosidade da superfície epitaxial Ra é menor que 0,15 nm, e todos os indicadores de processo principais estão no nível avançado da indústria.
Carboneto de silício (SiC)É um dos representantes dos materiais semicondutores de terceira geração. Possui características de alta resistência ao campo de ruptura, 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 pode atender aos requisitos de serviço da próxima geração de equipamentos eletrônicos de potência para dispositivos com alta potência, tamanho pequeno, alta temperatura, alta radiação e outras condições extremas. Pode reduzir o espaço, o consumo de energia e os requisitos de resfriamento. Trouxe mudanças revolucionárias para veículos de nova energia, transporte ferroviário, redes inteligentes e outros campos. Portanto, os semicondutores de carboneto de silício tornaram-se reconhecidos como o material ideal que liderará a próxima geração de dispositivos eletrônicos de potência de alta potência. Nos últimos anos, graças ao apoio da política nacional para o 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 basicamente concluídos na China, e a segurança da cadeia industrial foi basicamente garantida. Portanto, o foco da indústria mudou gradualmente para o controle de custos e a melhoria da eficiência. Conforme mostrado na Tabela 1, em comparação com 150 mm, o SiC de 200 mm apresenta uma taxa de utilização de borda maior, e a produção de chips de wafer único pode ser aumentada em cerca de 1,8 vezes. Após o amadurecimento da tecnologia, o custo de fabricação de um único chip pode ser reduzido em 30%. O avanço tecnológico de 200 mm é um meio direto de "reduzir custos e aumentar a eficiência", e também é a chave para que a indústria de semicondutores do meu país "funcione em paralelo" ou até mesmo "lidere".
Diferente do processo do dispositivo Si,Dispositivos de energia semicondutores de SiCsão todos processados e preparados com camadas epitaxiais como base. Wafers epitaxiais são materiais básicos essenciais para dispositivos de energia 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 energia de SiC. O limite superior do nível do processo epitaxial é determinado pelo equipamento epitaxial. Atualmente, o grau de localização 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 ao mesmo tempo. Portanto, a fim de solucionar as necessidades urgentes e os problemas de gargalo da fabricação de materiais epitaxiais de grande porte e alta qualidade 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 em meu país e estuda o processo epitaxial. Otimizando os parâmetros do 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 fatais <0,3 grãos/cm² em wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm, utilizando um forno epitaxial de carboneto de silício de 200 mm desenvolvido independentemente. O nível de processo do equipamento atende às necessidades de preparação de dispositivos de energia 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 corrosão in situ em alta temperatura do substrato de 4H-SiC e o processo de deposição química homogênea de vapor. O principal objetivo da corrosão in situ do substrato é remover os danos subsuperficiais do substrato após o polimento da pastilha, o líquido de polimento residual, as partículas e a camada de óxido, permitindo a formação de uma estrutura de degrau atômico regular na superfície do substrato por meio da corrosão. A corrosão in situ é geralmente realizada em atmosfera de hidrogênio. De acordo com os requisitos reais do processo, uma pequena quantidade de gás auxiliar, como cloreto de hidrogênio, propano, etileno ou silano, também pode ser adicionada. A temperatura da corrosão in situ com hidrogênio é geralmente superior a 1.600 ℃ e a pressão da câmara de reação é geralmente controlada abaixo de 2 × 10⁻ Pa durante o processo de corrosão.
Após a ativação da superfície do substrato por corrosão in situ, ele entra no processo de deposição química de vapor em alta temperatura, ou seja, a fonte de crescimento (como etileno/propano, TCS/silano), a fonte de dopagem (nitrogênio, fonte de dopagem tipo n, TMAl) e o gás auxiliar, como cloreto de hidrogênio, são transportados para a câmara de reação por meio de um grande fluxo de gás de arraste (geralmente hidrogênio). Após a reação do gás na câmara de reação de alta temperatura, parte do precursor reage quimicamente e é adsorvida na superfície do wafer, e uma camada epitaxial homogênea de 4H-SiC monocristalino com concentração de dopagem específica, espessura específica e qualidade superior é formada na superfície do substrato, utilizando o substrato monocristalino de 4H-SiC como molde. Após anos de exploração técnica, a tecnologia homoepitaxial de 4H-SiC basicamente amadureceu e é amplamente utilizada na produção industrial. A tecnologia homoepitaxial 4H-SiC mais amplamente utilizada no mundo tem duas características típicas:
(1) Utilizando um substrato de corte oblíquo fora do eixo (em relação ao plano cristalino <0001>, na direção do cristal <11-20>) como molde, uma camada epitaxial de 4H-SiC monocristalino de alta pureza, sem impurezas, é depositada sobre o substrato no modo de crescimento em fluxo escalonado. O crescimento homoepitaxial inicial de 4H-SiC utilizou um substrato cristalino positivo, ou seja, o plano Si <0001> para crescimento. A densidade de degraus atômicos na superfície do substrato cristalino positivo é baixa e os terraços são amplos. O crescimento de nucleação bidimensional é fácil de ocorrer durante o processo de epitaxia para formar SiC cristalino 3C (3C-SiC). Por meio do corte fora do eixo, degraus atômicos de alta densidade e largura de terraço estreita podem ser introduzidos na superfície do substrato 4H-SiC <0001>, e o precursor adsorvido pode efetivamente atingir a posição do degrau atômico com energia de superfície relativamente baixa por meio da difusão superficial. Na etapa, a posição de ligação do átomo precursor/grupo molecular é única, portanto, no modo de crescimento de fluxo em etapas, a camada epitaxial pode herdar perfeitamente a sequência de empilhamento da camada atômica dupla Si-C do substrato para formar um único cristal com a mesma fase cristalina do substrato.
(2) O crescimento epitaxial de alta velocidade é obtido 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 por meio do aumento da vazão da fonte de crescimento, à medida que a pressão parcial de equilíbrio do componente de silício continua a aumentar, é fácil formar aglomerados de silício por nucleação homogênea em fase gasosa, o que reduz significativamente a taxa de utilização da fonte de silício. A formação de aglomerados de silício limita bastante a melhoria da taxa de crescimento epitaxial. Ao mesmo tempo, aglomerados de silício podem perturbar o crescimento do fluxo em etapas e causar nucleação defeituosa. A fim de evitar a nucleação homogênea em 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 de 4H-SiC.
1.2 Equipamento epitaxial de SiC de 200 mm (8 polegadas) e condições de processo
Os experimentos descritos neste artigo foram todos conduzidos em um equipamento epitaxial de SiC com parede quente horizontal monolítica compatível de 150/200 mm (6/8 pol.), desenvolvido independentemente pela 48ª Corporação do Grupo de Tecnologia Eletrônica do Instituto da China. O forno epitaxial suporta carregamento e descarregamento de wafers totalmente automáticos. A Figura 1 é um diagrama esquemático da estrutura interna da câmara de reação do equipamento epitaxial. Conforme mostrado na Figura 1, a parede externa da câmara de reação é um sino de quartzo com uma camada intermediária resfriada a água, e o interior do sino é uma câmara de reação de alta temperatura, composta de feltro de carbono com isolamento térmico, cavidade de grafite especial de alta pureza, base giratória flutuante de 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 de dopagem fluem através da superfície do wafer em um fluxo laminar horizontal, da parte superior da câmara de reação para a parte inferior da câmara de reação, sendo descarregados pela extremidade do gás residual. Para garantir a consistência dentro do wafer, o wafer transportado pela base flutuante de ar é constantemente rotacionado durante o processo.
O substrato utilizado no experimento é um substrato de SiC polido de dupla face, condutor tipo n, de 4H-SiC, com direção <1120> e ângulo de 4°, comercial, produzido pela Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilano (SiHCl3, TCS) e etileno (C2H4) são usados como principais fontes de crescimento no experimento de processo, dentre os quais TCS e C2H4 são usados como fonte de silício e fonte de carbono, respectivamente, nitrogênio de alta pureza (N2) é usado como fonte de dopagem tipo n e hidrogênio (H2) é usado como gás de diluição e gás de arraste. A faixa de temperatura do processo epitaxial é de 1.600 ~1.660 ℃, a pressão do processo é de 8 × 103 ~12 × 103 Pa e a vazão do gás de arraste H2 é de 100 ~ 140 L/min.
1.3 Teste e caracterização de wafers epitaxiais
O espectrômetro infravermelho de Fourier (fabricante do equipamento Thermalfisher, modelo iS50) e o testador de concentração de sonda de mercúrio (fabricante do equipamento Semilab, modelo 530L) foram usados para caracterizar a média e a distribuição da espessura da camada epitaxial e da concentração de dopagem; a espessura e a concentração de dopagem de cada ponto na camada epitaxial foram determinadas tomando pontos ao longo da linha de diâmetro que cruza a linha 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, 9 pontos foram coletados ao longo de uma única linha de diâmetro (dois diâmetros eram perpendiculares entre si) e, para um wafer de 200 mm, 21 pontos foram coletados, 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 área central e na área da borda (remoção da borda de 5 mm) 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 gerador de imagens 3D foi caracterizado por um sensor de radar (modelo Mars 4410 pro) da Kefenghua.
Horário da publicação: 04/09/2024