În prezent, industria SiC se transformă de la 150 mm (6 inci) la 200 mm (8 inci). Pentru a satisface cererea urgentă de napolitane homoepitaxiale SiC de dimensiuni mari și de înaltă calitate din industrie, 150 mm și 200 mmNapolitane homoepitaxiale 4H-SiCau fost preparate cu succes pe substraturi interne folosind echipamentul de creștere epitaxială SiC de 200 mm, dezvoltat independent. A fost dezvoltat un proces homoepitaxial potrivit pentru 150 mm și 200 mm, în care rata de creștere epitaxială poate fi mai mare de 60 µm/h. Deși respectă epitaxia de mare viteză, calitatea plachetei epitaxiale este excelentă. Uniformitatea grosimii de 150 mm și 200 mmNapolitane epitaxiale de SiCpoate fi controlat în limita a 1,5%, uniformitatea concentrației este mai mică de 3%, densitatea defectelor fatale este mai mică de 0,3 particule/cm2, iar rugozitatea medie pătratică a suprafeței epitaxiale Ra este mai mică de 0,15 nm, iar toți indicatorii de bază ai procesului sunt la nivelul avansat al industriei.
Carbură de siliciu (SiC)este unul dintre reprezentanții materialelor semiconductoare de a treia generație. Are caracteristici precum o rezistență ridicată a câmpului de străpungere, o conductivitate termică excelentă, o viteză mare de derivă a saturației electronilor și o rezistență puternică la radiații. A extins considerabil capacitatea de procesare a energiei dispozitivelor de putere și poate îndeplini cerințele de service ale următoarei generații de echipamente electronice de putere pentru dispozitive cu putere mare, dimensiuni mici, temperaturi ridicate, radiații ridicate și alte condiții extreme. Poate reduce spațiul, consumul de energie și cerințele de răcire. A adus schimbări revoluționare în vehiculele cu energie nouă, transportul feroviar, rețelele inteligente și alte domenii. Prin urmare, semiconductorii din carbură de siliciu au devenit recunoscuți ca materialul ideal care va conduce următoarea generație de dispozitive electronice de putere de mare putere. În ultimii ani, datorită sprijinului politicii naționale pentru dezvoltarea industriei semiconductorilor de a treia generație, cercetarea, dezvoltarea și construcția sistemului industrial de dispozitive SiC de 150 mm au fost practic finalizate în China, iar securitatea lanțului industrial a fost practic garantată. Prin urmare, accentul industriei s-a mutat treptat către controlul costurilor și îmbunătățirea eficienței. După cum se arată în Tabelul 1, comparativ cu SiC de 150 mm, cel de 200 mm are o rată de utilizare a muchiilor mai mare, iar producția de cipuri cu un singur wafer poate fi crescută de aproximativ 1,8 ori. După maturizarea tehnologiei, costul de fabricație al unui singur cip poate fi redus cu 30%. Descoperirea tehnologică a cipurilor de 200 mm este un mijloc direct de „reducere a costurilor și creștere a eficienței” și este, de asemenea, cheia pentru ca industria semiconductorilor din țara mea să „funcționeze în paralel” sau chiar să „conducă”.
Diferit de procesul dispozitivului Si,Dispozitive de putere semiconductoare SiCToate sunt procesate și preparate cu straturi epitaxiale ca piatră de temelie. Napolitanele epitaxiale sunt materiale de bază esențiale pentru dispozitivele de alimentare SiC. Calitatea stratului epitaxial determină direct randamentul dispozitivului, iar costul acestuia reprezintă 20% din costul de fabricație al cipului. Prin urmare, creșterea epitaxială este o verigă intermediară esențială în dispozitivele de alimentare SiC. Limita superioară a nivelului procesului epitaxial este determinată de echipamentul epitaxial. În prezent, gradul de localizare al echipamentelor epitaxiale SiC de 150 mm în China este relativ ridicat, dar, în același timp, configurația generală a echipamentelor de 200 mm este în urma nivelului internațional. Prin urmare, pentru a rezolva nevoile urgente și problemele de blocaj ale fabricării de materiale epitaxiale de dimensiuni mari și de înaltă calitate pentru dezvoltarea industriei interne a semiconductorilor de a treia generație, această lucrare prezintă echipamentul epitaxial SiC de 200 mm dezvoltat cu succes în țara mea și studiază procesul epitaxial. Prin optimizarea parametrilor de proces, cum ar fi temperatura procesului, debitul gazului purtător, raportul C/Si etc., se obțin uniformitate a concentrației <3%, neuniformitate a grosimii <1,5%, rugozitate Ra <0,2 nm și densitate a defectelor fatale <0,3 granule/cm2 pentru napolitane epitaxiale de SiC de 150 mm și 200 mm, cu ajutorul unui cuptor epitaxial din carbură de siliciu de 200 mm, dezvoltat independent. Nivelul de proces al echipamentului poate satisface nevoile de preparare a dispozitivelor de putere SiC de înaltă calitate.
1 Experiment
1.1 PrincipiulSiC epitaxialproces
Procesul de creștere homoepitaxială 4H-SiC include în principal 2 etape cheie, și anume, gravarea in situ la temperatură înaltă a substratului 4H-SiC și procesul de depunere chimică omogenă în stare de vapori. Scopul principal al gravării in situ a substratului este de a îndepărta deteriorarea sub suprafața substratului după lustruirea plachetei, lichidul de lustruire rezidual, particulele și stratul de oxid, putând fi formată o structură atomică regulată în trepte pe suprafața substratului prin gravare. Gravarea in situ se efectuează de obicei într-o atmosferă de hidrogen. În funcție de cerințele procesului, se poate adăuga și o cantitate mică de gaz auxiliar, cum ar fi clorură de hidrogen, propan, etilenă sau silan. Temperatura gravării in situ cu hidrogen este în general peste 1 600 ℃, iar presiunea din camera de reacție este în general controlată sub 2 × 10⁴ Pa în timpul procesului de gravare.
După ce suprafața substratului este activată prin gravare in situ, acesta intră în procesul de depunere chimică în fază de vapori la temperatură înaltă, adică sursa de creștere (cum ar fi etilenă/propan, TCS/silan), sursa de dopare (sursă de dopare de tip n azot, sursă de dopare de tip p TMAl) și gaz auxiliar, cum ar fi clorura de hidrogen, sunt transportate în camera de reacție printr-un flux mare de gaz purtător (de obicei hidrogen). După ce gazul reacționează în camera de reacție la temperatură înaltă, o parte din precursor reacționează chimic și se adsorbe pe suprafața napolitanei, iar pe suprafața substratului se formează un strat epitaxial omogen monocristal 4H-SiC cu o concentrație specifică de dopare, o grosime specifică și o calitate superioară, utilizând substratul monocristal 4H-SiC ca șablon. După ani de explorare tehnică, tehnologia homoepitaxială 4H-SiC s-a maturizat practic și este utilizată pe scară largă în producția industrială. Cea mai utilizată tehnologie homoepitaxială 4H-SiC din lume are două caracteristici tipice:
(1) Folosind un substrat tăiat oblic în afara axei (față de planul cristalin <0001>, spre direcția cristalină <11-20>) ca șablon, un strat epitaxial monocristal 4H-SiC de înaltă puritate, fără impurități, este depus pe substrat sub formă de mod de creștere în trepte. Creșterea homoepitaxială timpurie a 4H-SiC a utilizat un substrat cristalin pozitiv, adică planul Si <0001> pentru creștere. Densitatea treptelor atomice de pe suprafața substratului cristalin pozitiv este scăzută, iar terasele sunt largi. Creșterea prin nucleație bidimensională este ușor de realizat în timpul procesului de epitaxie pentru a forma cristalul SiC 3C (3C-SiC). Prin tăiere în afara axei, se pot introduce trepte atomice de înaltă densitate și cu lățime îngustă a terasei pe suprafața substratului 4H-SiC <0001>, iar precursorul adsorbit poate atinge eficient poziția treptei atomice cu o energie de suprafață relativ scăzută prin difuzie la suprafață. În această etapă, poziția de legătură dintre atomul precursor și grupul molecular este unică, astfel încât în modul de creștere în flux treptat, stratul epitaxial poate moșteni perfect secvența de stivuire a straturilor atomice duble Si-C a substratului pentru a forma un monocristal cu aceeași fază cristalină ca și substratul.
(2) Creșterea epitaxială de mare viteză se realizează prin introducerea unei surse de siliciu care conține clor. În sistemele convenționale de depunere chimică în fază de vapori de SiC, silanul și propanul (sau etilena) sunt principalele surse de creștere. În procesul de creștere a ratei de creștere prin creșterea debitului sursei de creștere, pe măsură ce presiunea parțială de echilibru a componentei de siliciu continuă să crească, este ușor să se formeze clustere de siliciu prin nucleație omogenă în fază gazoasă, ceea ce reduce semnificativ rata de utilizare a sursei de siliciu. Formarea clusterelor de siliciu limitează considerabil îmbunătățirea ratei de creștere epitaxială. În același timp, clusterele de siliciu pot perturba creșterea fluxului în trepte și pot provoca nucleație de defecte. Pentru a evita nucleația omogenă în fază gazoasă și a crește rata de creștere epitaxială, introducerea surselor de siliciu pe bază de clor este în prezent metoda principală pentru creșterea ratei de creștere epitaxială a 4H-SiC.
1.2 Echipament epitaxial SiC de 200 mm (8 inci) și condiții de proces
Experimentele descrise în această lucrare au fost efectuate pe un echipament epitaxial SiC cu pereți calzi orizontali monolitici compatibili cu 150/200 mm (6/8 inch), dezvoltat independent de Institutul 48 al Chinei, Corporația Grupului de Tehnologie Electronică. Cuptorul epitaxial permite încărcarea și descărcarea complet automată a plachetelor. Figura 1 este o diagramă schematică a structurii interne a camerei de reacție a echipamentului epitaxial. După cum se arată în Figura 1, peretele exterior al camerei de reacție este un clopot de cuarț cu un strat intermediar răcit cu apă, iar interiorul clopotului este o cameră de reacție la temperatură înaltă, compusă din pâslă de carbon izolatoare termic, cavitate din grafit special de înaltă puritate, bază rotativă plutitoare cu gaz de grafit etc. Întregul clopot de cuarț este acoperit cu o bobină de inducție cilindrică, iar camera de reacție din interiorul clopotului este încălzită electromagnetic de o sursă de alimentare cu inducție de medie frecvență. Așa cum se arată în Figura 1 (b), gazul purtător, gazul de reacție și gazul de dopare curg prin suprafața plachetei într-un flux laminar orizontal din amontele camerei de reacție până în avalul camerei de reacție și sunt evacuate din capătul cu gaz de coadă. Pentru a asigura consistența în interiorul plachetei, placheta susținută de baza plutitoare cu aer este întotdeauna rotită în timpul procesului.
Substratul utilizat în experiment este un substrat comercial de SiC lustruit față-verso, conductiv de tip n, 4H-SiC, de 150 mm (6 inci, 8 inci), cu grosimea de 200 mm (6 inci, 8 inci), direcția <1120>, cu unghi de 4° înclinat spre exterior, produs de Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilanul (SiHCl3, TCS) și etilena (C2H4) sunt utilizate ca principale surse de creștere în experimentul procesului, dintre care TCS și C2H4 sunt utilizate ca sursă de siliciu, respectiv sursă de carbon, azotul de înaltă puritate (N2) este utilizat ca sursă de dopare de tip n, iar hidrogenul (H2) este utilizat ca gaz de diluție și gaz purtător. Intervalul de temperatură al procesului epitaxial este de 1600 ~1660 ℃, presiunea procesului este de 8×10³ ~12×10³ Pa, iar debitul gazului purtător H2 este de 100~140 L/min.
1.3 Testarea și caracterizarea plachetelor epitaxiale
Un spectrometru Fourier în infraroșu (producătorul de echipamente Thermalfisher, modelul iS50) și un tester de concentrație a sondei cu mercur (producătorul de echipamente Semilab, modelul 530L) au fost utilizate pentru a caracteriza media și distribuția grosimii stratului epitaxial și a concentrației de dopare; grosimea și concentrația de dopare a fiecărui punct din stratul epitaxial au fost determinate prin luarea de puncte de-a lungul liniei diametrului care intersectează linia normală a marginii principale de referință la 45° în centrul plachetei cu o îndepărtare a marginii de 5 mm. Pentru o plachetă de 150 mm, au fost luate 9 puncte de-a lungul unei singure linii de diametru (două diametre erau perpendiculare unul pe celălalt), iar pentru o plachetă de 200 mm, au fost luate 21 de puncte, așa cum se arată în Figura 2. Un microscop cu forță atomică (producătorul de echipamente Bruker, modelul Dimension Icon) a fost utilizat pentru a selecta zone de 30 μm × 30 μm în zona centrală și zona marginii (îndepărtare a marginii de 5 mm) a plachetei epitaxiale pentru a testa rugozitatea suprafeței stratului epitaxial; Defectele stratului epitaxial au fost măsurate folosind un aparat de testare a defectelor de suprafață (producătorul de echipamente China Electronics). Aparatul de imagistică 3D a fost caracterizat de un senzor radar (modelul Mars 4410 Pro) de la Kefenghua.
Data publicării: 04 septembrie 2024