För närvarande omvandlas SiC-industrin från 150 mm (6 tum) till 200 mm (8 tum). För att möta den akuta efterfrågan på stora, högkvalitativa homoepitaxiella SiC-wafers i branschen, har 150 mm och 200 mm4H-SiC homoepitaxiella wafersframställdes framgångsrikt på inhemska substrat med hjälp av den oberoende utvecklade 200 mm SiC epitaxialtillväxtutrustningen. En homoepitaxiell process lämplig för 150 mm och 200 mm utvecklades, där den epitaxiella tillväxthastigheten kan vara större än 60 µm/h. Samtidigt som höghastighetsepitaxin uppfylls är den epitaxiella waferkvaliteten utmärkt. Tjockleksjämnheten på 150 mm och 200 mmEpitaxiella SiC-skivorkan kontrolleras inom 1,5 %, koncentrationsuniformiteten är mindre än 3 %, den fatala defektdensiteten är mindre än 0,3 partiklar/cm2, och den epitaxiella ytjämnhetens rotmedelskvadrat Ra är mindre än 0,15 nm, och alla kärnprocessindikatorer är på avancerad nivå inom branschen.
Kiselkarbid (SiC)är en av representanterna för tredje generationens halvledarmaterial. Det har egenskaper som hög genombrottsfältstyrka, utmärkt värmeledningsförmåga, hög elektronmättnadsdrifthastighet och stark strålningsbeständighet. Det har kraftigt utökat energibearbetningskapaciteten hos kraftenheter och kan uppfylla servicekraven för nästa generations kraftelektroniska utrustning för enheter med hög effekt, liten storlek, hög temperatur, hög strålning och andra extrema förhållanden. Det kan minska utrymme, minska strömförbrukningen och kylbehovet. Det har medfört revolutionerande förändringar för nya energifordon, järnvägstransporter, smarta nät och andra områden. Därför har kiselkarbidhalvledare blivit erkända som det ideala materialet som kommer att leda nästa generations kraftelektroniska enheter med hög effekt. Under de senaste åren, tack vare det nationella politiska stödet för utvecklingen av tredje generationens halvledarindustri, har forskning, utveckling och konstruktion av 150 mm SiC-enhetsindustrisystem i princip slutförts i Kina, och säkerheten i industrikedjan har i princip garanterats. Därför har industrins fokus gradvis skiftat till kostnadskontroll och effektivitetsförbättring. Som visas i tabell 1 har 200 mm SiC en högre kantutnyttjandegrad jämfört med 150 mm, och produktionen från enskilda waferchips kan ökas med cirka 1,8 gånger. Efter att tekniken mognat kan tillverkningskostnaden för ett enda chip minskas med 30 %. Det tekniska genombrottet på 200 mm är ett direkt sätt att "minska kostnader och öka effektiviteten", och det är också nyckeln till att mitt lands halvledarindustri ska "köra parallellt" eller till och med "leda".
Till skillnad från Si-enhetsprocessen,SiC-halvledarkraftkomponenterbearbetas och framställs alla med epitaxiella lager som hörnsten. Epitaxiella wafers är viktiga basmaterial för SiC-kraftkomponenter. Kvaliteten på det epitaxiella lagret avgör direkt enhetens utbyte, och dess kostnad står för 20 % av chipets tillverkningskostnad. Därför är epitaxial tillväxt en viktig mellanlänk i SiC-kraftkomponenter. Den övre gränsen för epitaxial processnivå bestäms av epitaxialutrustningen. För närvarande är lokaliseringsgraden för 150 mm SiC epitaxialutrustning i Kina relativt hög, men den övergripande layouten för 200 mm ligger samtidigt efter den internationella nivån. För att lösa de akuta behoven och flaskhalsproblemen för tillverkning av storskaliga, högkvalitativa epitaxiella material för utvecklingen av den inhemska tredje generationens halvledarindustri introducerar denna artikel därför den 200 mm SiC epitaxialutrustning som framgångsrikt utvecklats i mitt land, och studerar den epitaxiella processen. Genom att optimera processparametrar som processtemperatur, bärgasflödeshastighet, C/Si-förhållande etc. erhålls koncentrationsuniformitet <3 %, tjockleksojämnhet <1,5 %, ytjämnhet Ra <0,2 nm och fatal defektdensitet <0,3 grains/cm2 för 150 mm och 200 mm SiC epitaxialskivor med oberoende utvecklad 200 mm kiselkarbid epitaxialugn. Utrustningsprocessnivån kan möta behoven för högkvalitativ SiC-kraftkomponentberedning.
1 Experiment
1.1 Principen förEpitaxial SiCbehandla
4H-SiC homoepitaxiell tillväxtprocess innefattar huvudsakligen två huvudsteg, nämligen högtemperatur-in-situ-etsning av 4H-SiC-substrat och homogen kemisk ångavsättningsprocess. Huvudsyftet med in-situ-etsning av substratet är att avlägsna skador på underlaget efter waferpolering, kvarvarande poleringsvätska, partiklar och oxidskikt, och en regelbunden atomstegsstruktur kan bildas på substratytan genom etsning. In-situ-etsning utförs vanligtvis i en vätgasatmosfär. Enligt de faktiska processkraven kan en liten mängd hjälpgas också tillsättas, såsom väteklorid, propan, etylen eller silan. Temperaturen för in-situ-vätgasetsning är vanligtvis över 1600 ℃, och trycket i reaktionskammaren kontrolleras vanligtvis under 2 × 104 Pa under etsningsprocessen.
Efter att substratytan aktiverats genom in-situ-etsning, går den in i högtemperaturkemisk ångavsättning, det vill säga att tillväxtkällan (såsom etylen/propan, TCS/silan), dopningskällan (n-typ dopningskälla kväve, p-typ dopningskälla TMAl) och hjälpgas såsom väteklorid transporteras till reaktionskammaren genom ett stort flöde av bärargas (vanligtvis väte). Efter att gasen reagerat i högtemperaturreaktionskammaren reagerar en del av prekursorn kemiskt och adsorberas på waferytan, och ett homogent enkristalligt 4H-SiC epitaxiellt lager med en specifik dopningskoncentration, specifik tjocklek och högre kvalitet bildas på substratytan med hjälp av enkristalligt 4H-SiC-substrat som mall. Efter åratal av teknisk utforskning har 4H-SiC homoepitaxiell teknik i stort sett mognat och används i stor utsträckning inom industriell produktion. Den mest använda 4H-SiC homoepitaxiell tekniken i världen har två typiska egenskaper:
(1) Med hjälp av ett snett skuret substrat utanför axeln (i förhållande till <0001>-kristallplanet, mot <11-20>-kristallriktningen) som mall, avsätts ett högrent enkristall 4H-SiC epitaxiellt lager utan föroreningar på substratet i form av stegvis tillväxt. Tidig 4H-SiC homoepitaxiell tillväxt använde ett positivt kristallsubstrat, det vill säga <0001> Si-planet för tillväxt. Densiteten av atomsteg på ytan av det positiva kristallsubstratet är låg och terrasserna är breda. Tvådimensionell kärnbildningstillväxt sker lätt under epitaxiprocessen för att bilda 3C-kristall SiC (3C-SiC). Genom skärning utanför axeln kan atomsteg med hög densitet och smal terrassbredd introduceras på ytan av 4H-SiC <0001>-substratet, och den adsorberade prekursorn kan effektivt nå atomstegspositionen med relativt låg ytenergi genom ytdiffusion. Vid steget är bindningspositionen för prekursoratomen/molekylgruppen unik, så i stegflödestillväxtläget kan det epitaxiella skiktet perfekt ärva Si-C-dubbelatomskiktets staplingssekvens för att bilda en enda kristall med samma kristallfas som substratet.
(2) Höghastighets epitaxiell tillväxt uppnås genom att införa en klorhaltig kiselkälla. I konventionella SiC-kemiska ångavsättningssystem är silan och propan (eller etylen) de huvudsakliga tillväxtkällorna. I processen att öka tillväxthastigheten genom att öka tillväxtkällans flödeshastighet, allt eftersom jämviktspartialtrycket för kiselkomponenten fortsätter att öka, är det lätt att bilda kiselkluster genom homogen gasfaskärnbildning, vilket avsevärt minskar kiselkällans utnyttjandegrad. Bildningen av kiselkluster begränsar kraftigt förbättringen av den epitaxiala tillväxthastigheten. Samtidigt kan kiselkluster störa stegflödestillväxten och orsaka defektkärnbildning. För att undvika homogen gasfaskärnbildning och öka den epitaxiala tillväxthastigheten är införandet av klorbaserade kiselkällor för närvarande den vanligaste metoden för att öka den epitaxiala tillväxthastigheten för 4H-SiC.
1,2 200 mm (8 tum) epitaxialutrustning för SiC och processförhållanden
Experimenten som beskrivs i denna artikel utfördes alla på en 150/200 mm (6/8-tum) kompatibel monolitisk horisontell varmväggs-SiC-epitaxiell utrustning, oberoende utvecklad av 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxiugnen stöder helautomatisk waferladdning och -lossning. Figur 1 är ett schematiskt diagram över den interna strukturen i reaktionskammaren i den epitaxiella utrustningen. Som visas i figur 1 är reaktionskammarens yttervägg en kvartsklocka med ett vattenkylt mellanlager, och insidan av klockan är en högtemperaturreaktionskammare, som består av värmeisolerande kolfilt, en specialgrafitkavitet med hög renhet, en roterande grafitgasflytande bas, etc. Hela kvartsklockan är täckt med en cylindrisk induktionsspole, och reaktionskammaren inuti klockan värms elektromagnetiskt upp av en medelfrekvent induktionsströmförsörjning. Som visas i figur 1 (b) strömmar bärgasen, reaktionsgasen och dopningsgasen alla genom waferns yta i ett horisontellt laminärt flöde från uppströms reaktionskammaren till nedströms reaktionskammaren och utmatas från bakgasänden. För att säkerställa konsistensen i wafern roteras wafern som bärs av den luftflytande basen alltid under processen.
Substratet som användes i experimentet är ett kommersiellt 150 mm, 200 mm (6 tum, 8 tum) <1120>-riktning 4° avvikande ledande n-typ 4H-SiC dubbelsidigt polerat SiC-substrat producerat av Shanxi Shuoke Crystal. Triklorsilan (SiHCl3, TCS) och etylen (C2H4) används som huvudsakliga tillväxtkällor i processexperimentet, varav TCS och C2H4 används som kiselkälla respektive kolkälla, högrent kväve (N2) används som n-typ dopningskälla och väte (H2) används som utspädningsgas och bärgas. Temperaturintervallet för den epitaxiella processen är 1600 ~1660 ℃, processtrycket är 8×103 ~12×103 Pa, och H2-bärgasflödeshastigheten är 100 ~ 140 L/min.
1.3 Testning och karakterisering av epitaxialskivor
Fourier-infrarödspektrometer (utrustningstillverkare Thermalfisher, modell iS50) och kvicksilversondkoncentrationstestare (utrustningstillverkare Semilab, modell 530L) användes för att karakterisera medelvärdet och fördelningen av epitaxialskiktets tjocklek och dopningskoncentration. Tjockleken och dopningskoncentrationen för varje punkt i det epitaxiala skiktet bestämdes genom att ta punkter längs diameterlinjen som skär normallinjen för huvudreferenskanten vid 45° i mitten av wafern med 5 mm kantborttagning. För en 150 mm wafer togs 9 punkter längs en linje med en enda diameter (två diametrar var vinkelräta mot varandra), och för en 200 mm wafer togs 21 punkter, såsom visas i figur 2. Ett atomkraftsmikroskop (utrustningstillverkare Bruker, modell Dimension Icon) användes för att välja 30 μm×30 μm områden i mittområdet och kantområdet (5 mm kantborttagning) av den epitaxiala wafern för att testa ytjämnheten hos det epitaxiala skiktet. Defekterna i det epitaxiella lagret mättes med hjälp av en ytdefekttestare (utrustningstillverkaren China Electronics). 3D-avbildaren karakteriserades av en radarsensor (modell Mars 4410 pro) från Kefenghua.
Publiceringstid: 4 september 2024