В настоящее время в индустрии SiC происходит переход от 150 мм (6 дюймов) к 200 мм (8 дюймов). Для удовлетворения острого спроса на крупногабаритные высококачественные гомоэпитаксиальные пластины SiC, в отрасли были разработаны пластины размером 150 мм и 200 мм.Гомоэпитаксиальные пластины 4H-SiCУспешно получены образцы на отечественных подложках с использованием разработанного нами оборудования для эпитаксиального роста SiC на подложках диаметром 200 мм. Разработан гомоэпитаксиальный процесс, подходящий для подложек диаметром 150 мм и 200 мм, в котором скорость эпитаксиального роста может превышать 60 мкм/ч. При этом обеспечивается высокая скорость эпитаксии, а качество эпитаксиальных пластин превосходное. Наблюдается равномерность толщины подложек диаметром 150 мм и 200 мм.Эпитаксиальные пластины SiCКонтролируемая концентрация составляет менее 1,5%, равномерность концентрации — менее 3%, плотность критических дефектов — менее 0,3 частиц/см², а среднеквадратичная шероховатость эпитаксиальной поверхности Ra — менее 0,15 нм, при этом все основные технологические показатели находятся на передовом уровне отрасли.
Карбид кремния (SiC)Карбид кремния является одним из представителей полупроводниковых материалов третьего поколения. Он обладает такими характеристиками, как высокая прочность на пробой, отличная теплопроводность, большая скорость дрейфа насыщения электронов и высокая радиационная стойкость. Он значительно расширил возможности обработки энергии силовых устройств и может удовлетворить эксплуатационные требования следующего поколения силовой электроники для устройств высокой мощности, малых размеров, высоких температур, высокого излучения и других экстремальных условий. Он позволяет уменьшить занимаемое пространство, снизить энергопотребление и требования к охлаждению. Он произвел революционные изменения в электромобилях, железнодорожном транспорте, интеллектуальных сетях и других областях. Поэтому полупроводники на основе карбида кремния признаны идеальным материалом, который станет основой для следующего поколения мощных силовых электронных устройств. В последние годы, благодаря государственной поддержке развития полупроводниковой промышленности третьего поколения, в Китае в основном завершены исследования и разработки, а также создание системы производства 150-мм SiC-устройств, и безопасность производственной цепочки 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 краев, и объем производства чипов на одной пластине может быть увеличен примерно в 1,8 раза. После достижения технологической зрелости себестоимость производства одного чипа может снизиться на 30%. Технологический прорыв 200 мм является прямым средством «снижения затрат и повышения эффективности», а также ключом к «параллельному развитию» или даже «лидированию» полупроводниковой промышленности нашей страны.
В отличие от процесса производства кремниевых устройств,силовые полупроводниковые приборы на основе карбида кремнияВсе процессы обработки и подготовки осуществляются с использованием эпитаксиальных слоев в качестве основы. Эпитаксиальные пластины являются важнейшим базовым материалом для силовых устройств на основе SiC. Качество эпитаксиального слоя напрямую определяет выход годных изделий, а его стоимость составляет 20% от себестоимости производства чипа. Поэтому эпитаксиальный рост является важным промежуточным звеном в силовых устройствах на основе SiC. Верхний предел уровня эпитаксиального процесса определяется оборудованием для эпитаксиального роста. В настоящее время степень локализации оборудования для эпитаксиального роста SiC на 150-мм пластинах в Китае относительно высока, но при этом общая компоновка оборудования для 200-мм пластин отстает от международного уровня. Поэтому, чтобы решить насущные проблемы и узкие места в производстве высококачественных эпитаксиальных материалов больших размеров для развития отечественной полупроводниковой промышленности третьего поколения, в данной статье представлено успешно разработанное в нашей стране оборудование для эпитаксиального роста SiC на 200-мм пластинах и изучен эпитаксиальный процесс. Оптимизация параметров процесса, таких как температура процесса, скорость потока несущего газа, соотношение C/Si и т. д., позволила получить эпитаксиальные пластины SiC диаметром 150 мм и 200 мм с равномерностью концентрации <3%, неравномерностью толщины <1,5%, шероховатостью Ra <0,2 нм и плотностью критических дефектов <0,3 зерен/см2 при использовании разработанной нами 200-мм эпитаксиальной печи для карбида кремния. Уровень технологического процесса, обеспечиваемый оборудованием, позволяет удовлетворить потребности в изготовлении высококачественных силовых устройств на основе SiC.
1 Эксперимент
1.1 ПринципЭпитаксиальный SiCпроцесс
Процесс гомоэпитаксиального роста 4H-SiC в основном включает два ключевых этапа: высокотемпературное травление подложки 4H-SiC in situ и гомогенное химическое осаждение из газовой фазы. Основная цель травления подложки in situ — удаление подповерхностных повреждений подложки после полировки пластины, остатков полировальной жидкости, частиц и оксидного слоя, а также формирование на поверхности подложки регулярной атомной ступенчатой структуры. Травление in situ обычно проводится в водородной атмосфере. В зависимости от требований процесса может быть добавлено небольшое количество вспомогательного газа, такого как хлористый водород, пропан, этилен или силан. Температура травления водородом in situ обычно превышает 1600 ℃, а давление в реакционной камере, как правило, поддерживается ниже 2×10⁴ Па в процессе травления.
После активации поверхности подложки методом травления in situ, она переходит в процесс высокотемпературного химического осаждения из газовой фазы, то есть источник роста (например, этилен/пропан, TCS/силан), источник легирования (источник легирования n-типа азота, источник легирования p-типа TMAl) и вспомогательный газ, такой как хлористый водород, подаются в реакционную камеру через большой поток несущего газа (обычно водорода). После реакции газа в высокотемпературной реакционной камере часть прекурсора химически реагирует и адсорбируется на поверхности подложки, и на поверхности подложки формируется однородный монокристаллический эпитаксиальный слой 4H-SiC с определенной концентрацией легирования, определенной толщиной и более высоким качеством с использованием монокристаллической подложки 4H-SiC в качестве шаблона. После многолетних технических исследований технология гомоэпитаксиального осаждения 4H-SiC в основном созрела и широко используется в промышленном производстве. Наиболее распространенная в мире технология гомоэпитаксиального осаждения 4H-SiC имеет две типичные характеристики:
(1) Используя в качестве шаблона подложку, срезанную под углом (относительно кристаллической плоскости <0001>, в направлении кристаллического направления <11-20>), на подложку методом пошагового роста осаждается эпитаксиальный слой высокочистого монокристалла 4H-SiC без примесей. Ранние методы гомоэпитаксиального роста 4H-SiC использовали положительно заряженную кристаллическую подложку, то есть плоскость <0001> Si. Плотность атомных ступеней на поверхности положительно заряженной кристаллической подложки низкая, а террасы широкие. В процессе эпитаксии легко происходит двумерный рост зародышей с образованием кристалла 3C SiC (3C-SiC). Путем среза под углом на поверхности подложки 4H-SiC <0001> можно создать атомные ступени высокой плотности с узкой шириной террас, а адсорбированный прекурсор может эффективно достигать положения атомных ступеней с относительно низкой поверхностной энергией за счет поверхностной диффузии. На данном этапе положение связи атома-предшественника/молекулярной группы уникально, поэтому в режиме пошагового роста эпитаксиальный слой может идеально наследовать последовательность двойного атомного слоя Si-C подложки, образуя монокристалл с той же кристаллической фазой, что и подложка.
(2) Высокоскоростной эпитаксиальный рост достигается путем введения источника кремния, содержащего хлор. В традиционных системах химического осаждения SiC основными источниками роста являются силан и пропан (или этилен). В процессе увеличения скорости роста путем увеличения скорости потока источника роста, по мере дальнейшего увеличения равновесного парциального давления кремниевого компонента, легко образуются кремниевые кластеры путем гомогенного газофазного зарождения, что значительно снижает коэффициент использования источника кремния. Образование кремниевых кластеров значительно ограничивает повышение скорости эпитаксиального роста. В то же время кремниевые кластеры могут нарушать ступенчатый рост и вызывать зарождение дефектов. Чтобы избежать гомогенного газофазного зарождения 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 Оборудование и технологические условия для эпитаксиального осаждения SiC диаметром 200 мм (8 дюймов).
Эксперименты, описанные в данной статье, проводились на монолитном горизонтальном нагревательном эпитаксиальном оборудовании для получения кремниевых карбидов с характеристиками 150/200 мм (6/8 дюйма), разработанном 48-м институтом Китайской корпорации электронных технологий. Эпитаксиальная печь поддерживает полностью автоматическую загрузку и выгрузку пластин. На рисунке 1 представлена схематическая диаграмма внутренней структуры реакционной камеры эпитаксиального оборудования. Как показано на рисунке 1, наружная стенка реакционной камеры представляет собой кварцевый колпак с водоохлаждаемым промежуточным слоем, а внутри колпака находится высокотемпературная реакционная камера, состоящая из теплоизоляционного углеродного войлока, полости из высокочистого специального графита, вращающегося графитового газоплавающего основания и т. д. Весь кварцевый колпак покрыт цилиндрической индукционной катушкой, а реакционная камера внутри колпака нагревается электромагнитным способом с помощью среднечастотного индукционного источника питания. Как показано на рисунке 1 (b), газ-носитель, реакционный газ и легирующий газ протекают через поверхность пластины в горизонтальном ламинарном потоке от передней части реакционной камеры к задней части и выходят через хвостовой газовый вывод. Для обеспечения однородности внутри пластины, пластина, удерживаемая воздушным подложкой, постоянно вращается в процессе.
В эксперименте использовалась коммерческая двухсторонняя полированная подложка из n-типа 4H-SiC размером 150 мм, 200 мм (6 дюймов, 8 дюймов) с направлением <1120> и углом отклонения 4°, произведенная компанией Shanxi Shuoke Crystal. В качестве основных источников роста в эксперименте использовались трихлорсилан (SiHCl3, TCS) и этилен (C2H4), при этом TCS и C2H4 использовались в качестве источника кремния и углерода соответственно, высокочистый азот (N2) использовался в качестве источника легирования n-типа, а водород (H2) — в качестве разбавляющего и несущего газов. Диапазон температур эпитаксиального процесса составлял 1600–1660 ℃, давление процесса — 8×10³–12×10³ Па, а расход несущего газа H2 — 100–140 л/мин.
1.3 Тестирование и характеризация эпитаксиальных пластин
Для определения среднего значения и распределения толщины эпитаксиального слоя и концентрации легирования использовались инфракрасный спектрометр Фурье (производитель оборудования Thermalfisher, модель iS50) и ртутный зондовый концентратор (производитель оборудования Semilab, модель 530L); толщина и концентрация легирования в каждой точке эпитаксиального слоя определялись путем взятия точек вдоль линии диаметра, пересекающей нормаль к основному опорному краю под углом 45° в центре пластины с удалением 5 мм края. Для пластины диаметром 150 мм было взято 9 точек вдоль одной линии диаметра (два диаметра были перпендикулярны друг другу), а для пластины диаметром 200 мм — 21 точка, как показано на рисунке 2. Для проверки шероховатости поверхности эпитаксиального слоя использовался атомно-силовой микроскоп (производитель оборудования Bruker, модель Dimension Icon) для выбора областей размером 30 мкм × 30 мкм в центре и на краю (удаление 5 мм по краю) эпитаксиальной пластины; дефекты эпитаксиального слоя измерялись с помощью тестера дефектов поверхности (производитель оборудования China Electronics). 3D-изображение было получено с помощью радарного датчика (модель Mars 4410 pro) от Kefenghua.
Дата публикации: 04.09.2024