Hiện nay, ngành công nghiệp SiC đang chuyển đổi từ 150 mm (6 inch) sang 200 mm (8 inch). Để đáp ứng nhu cầu cấp thiết về các tấm wafer homoepitaxial SiC kích thước lớn, chất lượng cao trong ngành, 150mm và 200mmTấm wafer homoepitaxial 4H-SiCđã được chuẩn bị thành công trên các chất nền trong nước bằng cách sử dụng thiết bị tăng trưởng epitaxial SiC 200mm do chính công ty phát triển. Một quy trình homoepitaxial phù hợp với 150mm và 200mm đã được phát triển, trong đó tốc độ tăng trưởng epitaxial có thể lớn hơn 60um/h. Trong khi đáp ứng được epitaxy tốc độ cao, chất lượng wafer epitaxial là tuyệt vời. Độ đồng đều về độ dày của 150mm và 200mmTấm wafer epitaxial SiCcó thể kiểm soát trong vòng 1,5%, độ đồng đều nồng độ nhỏ hơn 3%, mật độ khuyết tật nghiêm trọng nhỏ hơn 0,3 hạt/cm2 và độ nhám bề mặt epitaxial bình phương trung bình Ra nhỏ hơn 0,15nm và tất cả các chỉ số quy trình cốt lõi đều ở cấp độ tiên tiến của ngành.
Cacbua Silic (SiC)là một trong những đại diện của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Nó có các đặc điểm là cường độ trường đánh thủng cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời, tốc độ trôi bão hòa electron lớn và khả năng chống bức xạ mạnh. Nó đã mở rộng đáng kể khả năng xử lý năng lượng của các thiết bị điện và có thể đáp ứng các yêu cầu dịch vụ của thế hệ thiết bị điện tử công suất tiếp theo cho các thiết bị có công suất cao, kích thước nhỏ, nhiệt độ cao, bức xạ cao và các điều kiện khắc nghiệt khác. Nó có thể giảm không gian, giảm mức tiêu thụ điện năng và giảm yêu cầu làm mát. Nó đã mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho các phương tiện năng lượng mới, vận tải đường sắt, lưới điện thông minh và các lĩnh vực khác. Do đó, chất bán dẫn silicon carbide đã được công nhận là vật liệu lý tưởng sẽ dẫn đầu thế hệ thiết bị điện tử công suất cao tiếp theo. Trong những năm gần đây, nhờ sự hỗ trợ của chính sách quốc gia cho sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba, nghiên cứu và phát triển và xây dựng hệ thống ngành công nghiệp thiết bị SiC 150 mm đã cơ bản hoàn thành tại Trung Quốc và an ninh của chuỗi công nghiệp đã được đảm bảo cơ bản. Do đó, trọng tâm của ngành đã dần chuyển sang kiểm soát chi phí và cải thiện hiệu quả. Như thể hiện trong Bảng 1, so với 150 mm, SiC 200 mm có tỷ lệ sử dụng cạnh cao hơn và sản lượng chip wafer đơn có thể tăng khoảng 1,8 lần. Sau khi công nghệ trưởng thành, chi phí sản xuất chip đơn có thể giảm 30%. Đột phá công nghệ 200 mm là phương tiện trực tiếp để "giảm chi phí và tăng hiệu quả", đồng thời cũng là chìa khóa để ngành công nghiệp bán dẫn của nước tôi "chạy song song" hoặc thậm chí là "dẫn đầu".
Khác với quy trình thiết bị Si,Thiết bị điện bán dẫn SiCđều được xử lý và chuẩn bị với các lớp epitaxial làm nền tảng. Các tấm wafer epitaxial là vật liệu cơ bản thiết yếu cho các thiết bị nguồn SiC. Chất lượng của lớp epitaxial quyết định trực tiếp đến năng suất của thiết bị và chi phí của nó chiếm 20% chi phí sản xuất chip. Do đó, sự phát triển của epitaxial là một liên kết trung gian thiết yếu trong các thiết bị nguồn SiC. Giới hạn trên của cấp độ quy trình epitaxial được xác định bởi thiết bị epitaxial. Hiện tại, mức độ bản địa hóa của thiết bị epitaxial SiC 150mm tại Trung Quốc tương đối cao, nhưng bố trí tổng thể của 200mm vẫn tụt hậu so với trình độ quốc tế cùng một lúc. Do đó, để giải quyết nhu cầu cấp thiết và các vấn đề thắt nút của sản xuất vật liệu epitaxial kích thước lớn, chất lượng cao để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước, bài báo này giới thiệu thiết bị epitaxial SiC 200 mm đã được phát triển thành công ở nước tôi và nghiên cứu quy trình epitaxial. Bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình như nhiệt độ quy trình, lưu lượng khí mang, tỷ lệ C/Si, v.v., độ đồng đều nồng độ <3%, độ không đồng đều về độ dày <1,5%, độ nhám Ra <0,2 nm và mật độ khuyết tật nghiêm trọng <0,3 hạt/cm2 của các tấm wafer epitaxial SiC 150 mm và 200 mm với lò epitaxial silicon carbide 200 mm do công ty tự phát triển đã thu được. Cấp độ quy trình của thiết bị có thể đáp ứng nhu cầu chế tạo thiết bị điện SiC chất lượng cao.
1 Thí nghiệm
1.1 Nguyên tắc củaSiC epitaxyquá trình
Quá trình tăng trưởng homoepitaxial 4H-SiC chủ yếu bao gồm 2 bước chính, cụ thể là khắc tại chỗ ở nhiệt độ cao của chất nền 4H-SiC và quá trình lắng đọng hơi hóa học đồng nhất. Mục đích chính của khắc tại chỗ chất nền là loại bỏ hư hỏng dưới bề mặt của chất nền sau khi đánh bóng wafer, chất lỏng đánh bóng còn lại, các hạt và lớp oxit và có thể hình thành cấu trúc bước nguyên tử thông thường trên bề mặt chất nền bằng cách khắc. Khắc tại chỗ thường được thực hiện trong khí quyển hydro. Theo yêu cầu của quy trình thực tế, cũng có thể thêm một lượng nhỏ khí phụ trợ, chẳng hạn như hydro clorua, propan, etylen hoặc silan. Nhiệt độ khắc hydro tại chỗ thường trên 1 600 ℃ và áp suất của buồng phản ứng thường được kiểm soát dưới 2 × 104 Pa trong quá trình khắc.
Sau khi bề mặt chất nền được hoạt hóa bằng phương pháp khắc tại chỗ, nó đi vào quá trình lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao, tức là nguồn tăng trưởng (như etylen/propan, TCS/silan), nguồn pha tạp (nguồn pha tạp loại n là nitơ, nguồn pha tạp loại p là TMAl) và khí phụ trợ như hydro clorua được vận chuyển đến buồng phản ứng thông qua luồng khí mang lớn (thường là hydro). Sau khi khí phản ứng trong buồng phản ứng nhiệt độ cao, một phần tiền chất phản ứng hóa học và hấp phụ trên bề mặt wafer, và một lớp epitaxial 4H-SiC đồng nhất đơn tinh thể với nồng độ pha tạp cụ thể, độ dày cụ thể và chất lượng cao hơn được hình thành trên bề mặt chất nền bằng cách sử dụng chất nền 4H-SiC đơn tinh thể làm khuôn mẫu. Sau nhiều năm thăm dò kỹ thuật, công nghệ homoepitaxial 4H-SiC về cơ bản đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Công nghệ homoepitaxial 4H-SiC được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới có hai đặc điểm tiêu biểu:
(1) Sử dụng một chất nền cắt xiên lệch trục (so với mặt phẳng tinh thể <0001>, theo hướng tinh thể <11-20>) làm khuôn mẫu, một lớp epitaxial 4H-SiC đơn tinh thể có độ tinh khiết cao không có tạp chất được lắng đọng trên chất nền dưới dạng chế độ tăng trưởng dòng chảy bậc thang. Sự tăng trưởng homoepitaxial 4H-SiC ban đầu sử dụng một chất nền tinh thể dương, tức là mặt phẳng Si <0001> để tăng trưởng. Mật độ các bước nguyên tử trên bề mặt của chất nền tinh thể dương thấp và các bậc thang rộng. Sự tăng trưởng hình thành hạt hai chiều dễ xảy ra trong quá trình epitaxy để tạo thành tinh thể SiC 3C (3C-SiC). Bằng cách cắt lệch trục, các bước nguyên tử có chiều rộng bậc thang hẹp, mật độ cao có thể được đưa vào bề mặt của chất nền 4H-SiC <0001> và tiền chất được hấp phụ có thể đạt đến vị trí bước nguyên tử một cách hiệu quả với năng lượng bề mặt tương đối thấp thông qua quá trình khuếch tán bề mặt. Ở bước này, vị trí liên kết của nguyên tử/nhóm phân tử tiền thân là duy nhất, do đó trong chế độ phát triển dòng chảy bước, lớp epitaxial có thể kế thừa hoàn hảo trình tự xếp chồng lớp nguyên tử đôi Si-C của chất nền để tạo thành một tinh thể đơn có cùng pha tinh thể với chất nền.
(2) Tăng trưởng epitaxial tốc độ cao đạt được bằng cách đưa vào nguồn silic chứa clo. Trong các hệ thống lắng đọng hơi hóa học SiC thông thường, silane và propane (hoặc etylen) là nguồn tăng trưởng chính. Trong quá trình tăng tốc độ tăng trưởng bằng cách tăng lưu lượng nguồn tăng trưởng, khi áp suất riêng phần cân bằng của thành phần silic tiếp tục tăng, dễ hình thành các cụm silic bằng cách hình thành hạt pha khí đồng nhất, làm giảm đáng kể tốc độ sử dụng của nguồn silic. Sự hình thành các cụm silic hạn chế rất nhiều việc cải thiện tốc độ tăng trưởng epitaxial. Đồng thời, các cụm silic có thể làm nhiễu loạn sự tăng trưởng dòng chảy và gây ra sự hình thành hạt khuyết tật. Để tránh sự hình thành hạt pha khí đồng nhất và tăng tốc độ tăng trưởng epitaxial, việc đưa vào các nguồn silic gốc clo hiện là phương pháp chính để tăng tốc độ tăng trưởng epitaxial của 4H-SiC.
1.2 Thiết bị epitaxial SiC 200 mm (8 inch) và điều kiện quy trình
Các thí nghiệm được mô tả trong bài báo này đều được tiến hành trên thiết bị epitaxial SiC tường nóng ngang nguyên khối tương thích 150/200 mm (6/8 inch) do Viện Công nghệ Điện tử Trung Quốc số 48 phát triển độc lập. Lò epitaxial hỗ trợ nạp và tháo wafer hoàn toàn tự động. Hình 1 là sơ đồ cấu trúc bên trong của buồng phản ứng của thiết bị epitaxial. Như thể hiện trong Hình 1, thành ngoài của buồng phản ứng là chuông thạch anh có lớp xen kẽ làm mát bằng nước và bên trong chuông là buồng phản ứng nhiệt độ cao, bao gồm nỉ carbon cách nhiệt, khoang than chì đặc biệt có độ tinh khiết cao, đế quay nổi khí than chì, v.v. Toàn bộ chuông thạch anh được bao phủ bởi một cuộn dây cảm ứng hình trụ và buồng phản ứng bên trong chuông được gia nhiệt điện từ bằng nguồn điện cảm ứng tần số trung bình. Như thể hiện trong Hình 1 (b), khí mang, khí phản ứng và khí pha tạp đều chảy qua bề mặt wafer theo dòng chảy tầng nằm ngang từ thượng lưu của buồng phản ứng đến hạ lưu của buồng phản ứng và được thải ra từ đầu khí đuôi. Để đảm bảo tính nhất quán bên trong wafer, wafer được đế nổi bằng khí luôn được xoay trong quá trình này.
Chất nền được sử dụng trong thí nghiệm là chất nền SiC 4H-SiC loại n đánh bóng hai mặt, dẫn điện góc lệch 4°, kích thước thương mại 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) <1120> do Shanxi Shuoke Crystal sản xuất. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) và ethylene (C2H4) được sử dụng làm nguồn tăng trưởng chính trong quá trình thí nghiệm, trong đó TCS và C2H4 được sử dụng làm nguồn silicon và nguồn carbon, nitơ có độ tinh khiết cao (N2) được sử dụng làm nguồn pha tạp loại n và hydro (H2) được sử dụng làm khí pha loãng và khí mang. Phạm vi nhiệt độ của quá trình epitaxial là 1 600 ~ 1 660 ℃, áp suất quá trình là 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa và lưu lượng khí mang H2 là 100 ～ 140 L/phút.
1.3 Kiểm tra và đặc tính của wafer epitaxial
Máy quang phổ hồng ngoại Fourier (nhà sản xuất thiết bị Thermalfisher, model iS50) và máy kiểm tra nồng độ đầu dò thủy ngân (nhà sản xuất thiết bị Semilab, model 530L) được sử dụng để xác định giá trị trung bình và phân bố của độ dày lớp epitaxial và nồng độ pha tạp; độ dày và nồng độ pha tạp của mỗi điểm trong lớp epitaxial được xác định bằng cách lấy các điểm dọc theo đường kính giao với đường pháp tuyến của cạnh tham chiếu chính ở góc 45° tại tâm của tấm wafer với khoảng cách cạnh là 5 mm. Đối với tấm wafer 150 mm, lấy 9 điểm dọc theo một đường kính duy nhất (hai đường kính vuông góc với nhau) và đối với tấm wafer 200 mm, lấy 21 điểm, như thể hiện trong Hình 2. Kính hiển vi lực nguyên tử (nhà sản xuất thiết bị Bruker, model Dimension Icon) được sử dụng để chọn các vùng 30 μm×30 μm ở vùng trung tâm và vùng cạnh (khoảng cách cạnh là 5 mm) của tấm wafer epitaxial để kiểm tra độ nhám bề mặt của lớp epitaxial; Các khuyết tật của lớp epitaxial được đo bằng máy kiểm tra khuyết tật bề mặt (nhà sản xuất thiết bị China Electronics). Máy ảnh 3D được xác định bằng cảm biến radar (model Mars 4410 pro) từ Kefenghua.
Thời gian đăng: 04-09-2024