В настоящее время SiC-индустрия переходит от 150 мм (6 дюймов) к 200 мм (8 дюймов). Для того, чтобы удовлетворить срочный спрос на крупногабаритные, высококачественные гомоэпитаксиальные пластины SiC в отрасли, 150 мм и 200 ммГомоэпитаксиальные пластины 4H-SiCбыли успешно подготовлены на отечественных подложках с использованием независимо разработанного оборудования для эпитаксиального роста SiC 200 мм. Был разработан гомоэпитаксиальный процесс, подходящий для 150 мм и 200 мм, в котором скорость эпитаксиального роста может превышать 60 мкм/ч. При соблюдении высокоскоростной эпитаксии качество эпитаксиальной пластины превосходное. Однородность толщины 150 мм и 200 ммЭпитаксиальные пластины SiCможно контролировать в пределах 1,5%, однородность концентрации составляет менее 3%, плотность фатальных дефектов составляет менее 0,3 частиц/см2, а среднеквадратическая шероховатость эпитаксиальной поверхности Ra составляет менее 0,15 нм, а все основные показатели процесса находятся на передовом уровне отрасли.
Карбид кремния (SiC)является одним из представителей полупроводниковых материалов третьего поколения. Он обладает характеристиками высокой прочности поля пробоя, превосходной теплопроводности, большой скорости дрейфа насыщения электронов и сильной радиационной стойкости. Он значительно расширил возможности обработки энергии силовых устройств и может соответствовать требованиям обслуживания следующего поколения силового электронного оборудования для устройств с высокой мощностью, малыми размерами, высокой температурой, высокой радиацией и другими экстремальными условиями. Он может сократить пространство, снизить энергопотребление и снизить требования к охлаждению. Он принес революционные изменения в новые энергетические транспортные средства, железнодорожный транспорт, интеллектуальные сети и другие области. Поэтому полупроводники из карбида кремния стали признаны идеальным материалом, который возглавит следующее поколение мощных силовых электронных устройств. В последние годы, благодаря национальной политической поддержке развития полупроводниковой промышленности третьего поколения, исследования, разработки и строительство системы промышленности устройств SiC 150 мм были в основном завершены в Китае, и безопасность промышленной цепочки была в основном гарантирована. Поэтому фокус отрасли постепенно сместился на контроль затрат и повышение эффективности. Как показано в Таблице 1, по сравнению с 150 мм, 200 мм SiC имеет более высокий коэффициент использования края, и выход отдельных пластин может быть увеличен примерно в 1,8 раза. После того, как технология станет зрелой, себестоимость производства одного кристалла может быть снижена на 30%. Технологический прорыв 200 мм является прямым средством «снижения затрат и повышения эффективности», а также является ключом для полупроводниковой промышленности моей страны, чтобы «работать параллельно» или даже «лидировать».
В отличие от процесса изготовления Si-устройств,Силовые полупроводниковые приборы SiCвсе обработаны и подготовлены с эпитаксиальными слоями в качестве краеугольного камня. Эпитаксиальные пластины являются важнейшими базовыми материалами для силовых устройств SiC. Качество эпитаксиального слоя напрямую определяет выход устройства, а его стоимость составляет 20% от стоимости производства чипа. Таким образом, эпитаксиальный рост является важным промежуточным звеном в силовых устройствах SiC. Верхний предел уровня эпитаксиального процесса определяется эпитаксиальным оборудованием. В настоящее время степень локализации 150-миллиметрового эпитаксиального оборудования SiC в Китае относительно высока, но в то же время общая компоновка 200-миллиметрового отстает от международного уровня. Поэтому, чтобы решить насущные потребности и проблемы узких мест производства крупногабаритных высококачественных эпитаксиальных материалов для развития отечественной полупроводниковой промышленности третьего поколения, в этой статье представлено 200-миллиметровое эпитаксиальное оборудование SiC, успешно разработанное в моей стране, и изучен эпитаксиальный процесс. Оптимизируя параметры процесса, такие как температура процесса, скорость потока газа-носителя, соотношение C/Si и т. д., достигается однородность концентрации <3%, неоднородность толщины <1,5%, шероховатость Ra <0,2 нм и плотность фатальных дефектов <0,3 зерен/см2 для 150 мм и 200 мм эпитаксиальных пластин SiC с независимо разработанной 200 мм эпитаксиальной печью из карбида кремния. Уровень процесса оборудования может удовлетворить потребности в высококачественной подготовке силовых устройств SiC.
1 Эксперимент
1.1 Принципэпитаксиальный SiCпроцесс
Процесс гомоэпитаксиального роста 4H-SiC в основном включает 2 ключевых этапа, а именно: высокотемпературное травление in-situ подложки 4H-SiC и процесс однородного химического осаждения из паровой фазы. Основной целью травления in-situ подложки является удаление подповерхностных повреждений подложки после полировки пластины, остаточной полирующей жидкости, частиц и оксидного слоя, а на поверхности подложки путем травления может быть сформирована регулярная атомная ступенчатая структура. Травление in-situ обычно проводится в атмосфере водорода. В соответствии с фактическими требованиями процесса также может быть добавлено небольшое количество вспомогательного газа, такого как хлористый водород, пропан, этилен или силан. Температура травления in-situ водородом обычно превышает 1 600 ℃, а давление в реакционной камере обычно контролируется ниже 2×104 Па во время процесса травления.
После активации поверхности подложки травлением in-situ она поступает в процесс высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы, то есть источник роста (например, этилен/пропан, TCS/силан), источник легирования (источник легирования n-типа азот, источник легирования p-типа TMAl) и вспомогательный газ, такой как хлористый водород, транспортируются в реакционную камеру через большой поток газа-носителя (обычно водорода). После того, как газ реагирует в высокотемпературной реакционной камере, часть прекурсора вступает в химическую реакцию и адсорбируется на поверхности пластины, и на поверхности подложки формируется монокристаллический однородный эпитаксиальный слой 4H-SiC с определенной концентрацией легирования, определенной толщиной и более высоким качеством с использованием монокристаллической подложки 4H-SiC в качестве шаблона. После многих лет технических исследований гомоэпитаксиальная технология 4H-SiC в основном созрела и широко используется в промышленном производстве. Наиболее широко используемая в мире гомоэпитаксиальная технология 4H-SiC имеет две типичные характеристики:
(1) Используя внеосевую (относительно кристаллической плоскости <0001>, в направлении кристаллического направления <11-20>) косую срезную подложку в качестве шаблона, высокочистый монокристаллический эпитаксиальный слой 4H-SiC без примесей осаждается на подложку в виде режима роста ступенчатого потока. Ранний гомоэпитаксиальный рост 4H-SiC использовал для роста положительную кристаллическую подложку, то есть плоскость <0001> Si. Плотность атомных ступеней на поверхности положительной кристаллической подложки низкая, а террасы широкие. Двумерный рост зародышей легко происходит во время процесса эпитаксии с образованием 3C кристалла SiC (3C-SiC). С помощью внеосевой резки на поверхность подложки 4H-SiC <0001> могут быть введены атомные ступени высокой плотности и узкой ширины террасы, а адсорбированный прекурсор может эффективно достигать положения атомной ступени с относительно низкой поверхностной энергией посредством поверхностной диффузии. На этом этапе положение связи атома-предшественника/молекулярной группы является уникальным, поэтому в режиме роста ступенчатого потока эпитаксиальный слой может идеально унаследовать последовательность укладки двухатомных слоев Si-C подложки, образуя монокристалл с той же кристаллической фазой, что и подложка.
(2) Высокоскоростной эпитаксиальный рост достигается путем введения хлорсодержащего источника кремния. В обычных системах химического осаждения из паровой фазы SiC основными источниками роста являются силан и пропан (или этилен). В процессе увеличения скорости роста путем увеличения скорости потока источника роста, поскольку равновесное парциальное давление компонента кремния продолжает увеличиваться, легко образуются кластеры кремния путем однородного зародышеобразования в газовой фазе, что значительно снижает коэффициент использования источника кремния. Образование кластеров кремния значительно ограничивает улучшение скорости эпитаксиального роста. В то же время кластеры кремния могут нарушать рост ступенчатого потока и вызывать зародышеобразование дефектов. Чтобы избежать однородного зародышеобразования в газовой фазе и увеличить скорость эпитаксиального роста, введение источников кремния на основе хлора в настоящее время является основным методом увеличения скорости эпитаксиального роста 4H-SiC.
1.2 200 мм (8 дюймов) SiC эпитаксиальное оборудование и условия процесса
Эксперименты, описанные в этой статье, были проведены на совместимом монолитном горизонтальном эпитаксиальном оборудовании SiC с горячей стенкой размером 150/200 мм (6/8 дюйма), независимо разработанном 48-м институтом China Electronics Technology Group Corporation. Эпитаксиальная печь поддерживает полностью автоматическую загрузку и выгрузку пластин. На рисунке 1 представлена принципиальная схема внутренней структуры реакционной камеры эпитаксиального оборудования. Как показано на рисунке 1, внешняя стенка реакционной камеры представляет собой кварцевый колокол с охлаждаемым водой промежуточным слоем, а внутренняя часть колокола представляет собой высокотемпературную реакционную камеру, которая состоит из теплоизоляционного углеродного войлока, полости из специального графита высокой чистоты, вращающегося основания с плавающим графитовым газом и т. д. Весь кварцевый колокол покрыт цилиндрической индукционной катушкой, а реакционная камера внутри колокола электромагнитно нагревается среднечастотным индукционным источником питания. Как показано на рисунке 1 (b), газ-носитель, реакционный газ и легирующий газ протекают через поверхность пластины в горизонтальном ламинарном потоке от входа реакционной камеры к выходу реакционной камеры и выбрасываются из конца хвостового газа. Для обеспечения последовательности внутри пластины пластина, переносимая воздушным плавающим основанием, всегда вращается во время процесса.
Подложка, используемая в эксперименте, представляет собой коммерческую 150 мм, 200 мм (6 дюймов, 8 дюймов) <1120> направление 4° вне угла проводящая n-типа 4H-SiC двухсторонняя полированная подложка SiC, произведенная Shanxi Shuoke Crystal. Трихлорсилан (SiHCl3, TCS) и этилен (C2H4) используются в качестве основных источников роста в технологическом эксперименте, среди которых TCS и C2H4 используются в качестве источника кремния и источника углерода соответственно, азот высокой чистоты (N2) используется в качестве источника легирования n-типа, а водород (H2) используется в качестве разбавляющего газа и газа-носителя. Температурный диапазон эпитаксиального процесса составляет 1600 ~ 1660 ℃, давление процесса составляет 8×103 ~ 12×103 Па, а расход газа-носителя H2 составляет 100～140 л/мин.
1.3 Тестирование и характеристика эпитаксиальных пластин
Для характеристики среднего значения и распределения толщины эпитаксиального слоя и концентрации легирования использовались инфракрасный Фурье-спектрометр (производитель оборудования Thermalfisher, модель iS50) и ртутный зондовый тестер концентрации (производитель оборудования Semilab, модель 530L); толщина и концентрация легирования каждой точки эпитаксиального слоя определялись путем взятия точек вдоль линии диаметра, пересекающей нормаль основного ребра под углом 45° в центре пластины с удалением края на 5 мм. Для пластины диаметром 150 мм были взяты 9 точек вдоль одной линии диаметра (два диаметра были перпендикулярны друг другу), а для пластины диаметром 200 мм была взята 21 точка, как показано на рисунке 2. Атомно-силовой микроскоп (производитель оборудования Bruker, модель Dimension Icon) использовался для выбора областей размером 30 мкм × 30 мкм в центральной области и области края (удаление края 5 мм) эпитаксиальной пластины для проверки шероховатости поверхности эпитаксиального слоя; дефекты эпитаксиального слоя измерялись с помощью тестера дефектов поверхности (производитель оборудования China Electronics). 3D-визуализатор характеризовался радарным датчиком (модель Mars 4410 pro) от Kefenghua.
Время публикации: 04.09.2024