Investigació sobre forn epitaxial de SiC de 8 polzades i procés homoepitaxial-Ⅰ

Actualment, la indústria del SiC està passant de 150 mm (6 polzades) a 200 mm (8 polzades). Per tal de satisfer la demanda urgent d'hòsties homoepitaxials de SiC de gran mida i alta qualitat a la indústria, 150 mm i 200 mmHòsties homoepitaxials 4H-SiCes van preparar amb èxit en substrats domèstics mitjançant l'equip de creixement epitaxial SiC de 200 mm desenvolupat de manera independent. Es va desenvolupar un procés homoepitaxial adequat per a 150 mm i 200 mm, en el qual la taxa de creixement epitaxial pot ser superior a 60um/h. Mentre compleix l'epitaxia d'alta velocitat, la qualitat de l'hòstia epitaxial és excel·lent. La uniformitat de gruix de 150 mm i 200 mmHòsties epitaxials de SiCes pot controlar dins de l'1,5%, la uniformitat de la concentració és inferior al 3%, la densitat del defecte mortal és inferior a 0,3 partícules/cm2 i l'arrel quadrada mitjana de la rugositat de la superfície epitaxial Ra és inferior a 0,15 nm i tots els indicadors bàsics del procés estan en el nivell avançat de la indústria.

Carbur de silici (SiC)és un dels representants dels materials semiconductors de tercera generació. Té les característiques d'una gran intensitat de camp de descomposició, una excel·lent conductivitat tèrmica, una gran velocitat de deriva de saturació d'electrons i una forta resistència a la radiació. Ha ampliat molt la capacitat de processament d'energia dels dispositius de potència i pot satisfer els requisits de servei de la propera generació d'equips electrònics de potència per a dispositius amb gran potència, mida petita, alta temperatura, alta radiació i altres condicions extremes. Pot reduir l'espai, reduir el consum d'energia i reduir els requisits de refrigeració. Ha aportat canvis revolucionaris als vehicles d'energia nova, el transport ferroviari, les xarxes intel·ligents i altres camps. Per tant, els semiconductors de carbur de silici s'han reconegut com el material ideal que liderarà la propera generació de dispositius electrònics d'alta potència. En els darrers anys, gràcies al suport de la política nacional per al desenvolupament de la indústria de semiconductors de tercera generació, la recerca, el desenvolupament i la construcció del sistema de la indústria de dispositius SiC de 150 mm s'han completat bàsicament a la Xina i la seguretat de la cadena industrial s'ha completat. està garantida bàsicament. Per tant, l'enfocament de la indústria s'ha desplaçat gradualment cap al control de costos i la millora de l'eficiència. Tal com es mostra a la taula 1, en comparació amb els 150 mm, el SiC de 200 mm té una taxa d'utilització de vora més alta i la producció de xips d'hòsties individuals es pot augmentar aproximadament 1,8 vegades. Un cop madura la tecnologia, el cost de fabricació d'un sol xip es pot reduir en un 30%. L'avenç tecnològic de 200 mm és un mitjà directe per "reduir costos i augmentar l'eficiència", i també és la clau perquè la indústria de semiconductors del meu país "funcioni en paral·lel" o fins i tot "lider".

640 (7)

A diferència del procés del dispositiu Si,Dispositius de potència de semiconductors SiCtots es processen i es preparen amb capes epitaxials com a pedra angular. Les hòsties epitaxials són materials bàsics essencials per als dispositius d'alimentació de SiC. La qualitat de la capa epitaxial determina directament el rendiment del dispositiu i el seu cost representa el 20% del cost de fabricació del xip. Per tant, el creixement epitaxial és un enllaç intermedi essencial en els dispositius de potència SiC. El límit superior del nivell de procés epitaxial està determinat per l'equip epitaxial. En l'actualitat, el grau de localització de l'equip epitaxial SiC de 150 mm a la Xina és relativament alt, però al mateix temps la disposició general de 200 mm queda enrere del nivell internacional. Per tant, per resoldre les necessitats urgents i els problemes de coll d'ampolla de la fabricació de material epitaxial de gran mida i d'alta qualitat per al desenvolupament de la indústria nacional de semiconductors de tercera generació, aquest document presenta l'equip epitaxial de 200 mm SiC desenvolupat amb èxit al meu país, i estudia el procés epitaxial. Mitjançant l'optimització dels paràmetres del procés, com ara la temperatura del procés, el cabal de gas portador, la relació C/Si, etc., la uniformitat de la concentració <3%, la no uniformitat del gruix <1,5%, la rugositat Ra <0,2 nm i la densitat de defecte fatal <0,3 grans /cm2 de hòsties epitaxials de SiC de 150 mm i 200 mm amb un forn epitaxial de carbur de silici de 200 mm desenvolupat independentment. obtingut. El nivell de procés d'equip pot satisfer les necessitats de preparació de dispositius de potència SiC d'alta qualitat.

 

1 Experiment

 

1.1 Principi deSiC epitaxialprocés

El procés de creixement homoepitaxial 4H-SiC inclou principalment 2 passos clau, a saber, gravat in situ a alta temperatura del substrat 4H-SiC i procés de deposició de vapor químic homogeni. L'objectiu principal de l'aiguafort in situ del substrat és eliminar el dany subterrània del substrat després del poliment de les hòsties, el líquid de poliment residual, les partícules i la capa d'òxid, i es pot formar una estructura de pas atòmic regular a la superfície del substrat mitjançant el gravat. El gravat in situ es realitza normalment en una atmosfera d'hidrogen. D'acord amb els requisits reals del procés, també es pot afegir una petita quantitat de gas auxiliar, com ara clorur d'hidrogen, propà, etilè o silà. La temperatura del gravat d'hidrogen in situ és generalment superior a 1 600 ℃ i la pressió de la cambra de reacció es controla generalment per sota de 2 × 104 Pa durant el procés de gravat.

Després que la superfície del substrat s'activa mitjançant gravat in situ, entra en el procés de deposició de vapor químic a alta temperatura, és a dir, la font de creixement (com ara etilè/propà, TCS/silà), font de dopatge (nitrogen font de dopatge de tipus n). , font de dopatge de tipus p TMAl) i gas auxiliar com el clorur d'hidrogen es transporten a la cambra de reacció mitjançant un gran flux de gas portador (generalment hidrogen). Després que el gas reacciona a la cambra de reacció a alta temperatura, part del precursor reacciona químicament i s'adsorbeix a la superfície de l'hòstia, i es forma una capa epitaxial homogènia de 4H-SiC d'un sol cristall amb una concentració de dopatge específica, un gruix específic i una qualitat superior. a la superfície del substrat utilitzant el substrat monocristal 4H-SiC com a plantilla. Després d'anys d'exploració tècnica, la tecnologia homoepitaxial 4H-SiC ha madurat bàsicament i s'utilitza àmpliament en la producció industrial. La tecnologia homoepitaxial 4H-SiC més utilitzada al món té dues característiques típiques:
(1) Utilitzant un substrat de tall oblic fora de l'eix (en relació amb el pla cristal·lí <0001>, cap a la direcció del cristall <11-20>) com a plantilla, es fa una capa epitaxial 4H-SiC d'un sol cristall d'alta puresa sense impureses. dipositat al substrat en forma de mode de creixement de flux escalonat. El creixement homoepitaxial 4H-SiC primerenc va utilitzar un substrat de cristall positiu, és a dir, el pla <0001> Si per al creixement. La densitat de passos atòmics a la superfície del substrat de cristall positiu és baixa i les terrasses són amples. El creixement de la nucleació bidimensional és fàcil de produir-se durant el procés d'epitaxia per formar SiC de cristall 3C (3C-SiC). Mitjançant un tall fora de l'eix, es poden introduir passos atòmics d'alta densitat i amplada de terrassa estreta a la superfície del substrat 4H-SiC <0001> i el precursor adsorbit pot arribar efectivament a la posició del pas atòmic amb una energia superficial relativament baixa mitjançant la difusió superficial. . Al pas, la posició d'unió àtom/grup molecular precursor és única, de manera que en el mode de creixement de flux pas a pas, la capa epitaxial pot heretar perfectament la seqüència d'apilament de doble capa atòmica Si-C del substrat per formar un únic cristall amb el mateix cristall. fase com a substrat.
(2) El creixement epitaxial d'alta velocitat s'aconsegueix introduint una font de silici que conté clor. En els sistemes de deposició química de vapor de SiC convencionals, el silà i el propà (o etilè) són les principals fonts de creixement. En el procés d'augment de la taxa de creixement augmentant el cabal de la font de creixement, a mesura que la pressió parcial d'equilibri del component de silici continua augmentant, és fàcil formar grups de silici mitjançant una nucleació homogènia en fase gasosa, que redueix significativament la taxa d'utilització del font de silici. La formació de cúmuls de silici limita en gran mesura la millora de la taxa de creixement epitaxial. Al mateix temps, els cúmuls de silici poden alterar el creixement del flux de pas i provocar la nucleació de defectes. Per evitar una nucleació homogènia en fase gasosa i augmentar la taxa de creixement epitaxial, la introducció de fonts de silici basades en clor és actualment el mètode principal per augmentar la taxa de creixement epitaxial de 4H-SiC.

 

1,2 Equip epitaxial de SiC de 200 mm (8 polzades) i condicions del procés

Tots els experiments descrits en aquest document es van dur a terme en un equip epitaxial SiC de paret calenta horitzontal monolític compatible de 150/200 mm (6/8 polzades) desenvolupat de manera independent pel 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. El forn epitaxial admet la càrrega i descàrrega d'hòsties totalment automàtica. La figura 1 és un diagrama esquemàtic de l'estructura interna de la cambra de reacció de l'equip epitaxial. Com es mostra a la figura 1, la paret exterior de la cambra de reacció és una campana de quars amb una capa intercalada refrigerada per aigua, i l'interior de la campana és una cambra de reacció d'alta temperatura, que es compon de feltre de carboni d'aïllament tèrmic, d'alta puresa. cavitat especial de grafit, base giratòria flotant amb gas de grafit, etc. Tota la campana de quars està coberta amb una bobina d'inducció cilíndrica i la reacció La cambra dins de la campana s'escalfa electromagnèticament mitjançant una font d'alimentació d'inducció de freqüència mitjana. Tal com es mostra a la figura 1 (b), el gas portador, el gas de reacció i el gas de dopatge flueixen a través de la superfície de l'hòstia en un flux laminar horitzontal des de l'aigua amunt de la cambra de reacció fins a l'aigua avall de la cambra de reacció i es descarreguen des de la cua. extrem de gas. Per garantir la consistència dins de l'hòstia, l'hòstia portada per la base flotant d'aire sempre es gira durant el procés.

640

El substrat utilitzat a l'experiment és un substrat de SiC polit de doble cara 4H-SiC de tipus n conductor de 150 mm, 200 mm (6 polzades, 8 polzades) <1120> direcció 4 ° fora d'angle produït per Shanxi Shuoke Crystal. El triclorosilà (SiHCl3, TCS) i l'etilè (C2H4) s'utilitzen com a fonts de creixement principals en l'experiment del procés, entre els quals s'utilitzen TCS i C2H4 com a font de silici i font de carboni respectivament, el nitrogen d'alta puresa (N2) s'utilitza com a n- tipus de font de dopatge, i l'hidrogen (H2) s'utilitza com a gas de dilució i gas portador. El rang de temperatura del procés epitaxial és de 1 600 ~ 1 660 ℃, la pressió del procés és de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa i el cabal de gas portador H2 és de 100 ~ 140 L/min.

 

1.3 Assaig i caracterització d'hòsties epitaxials

Es va utilitzar un espectròmetre infrarojo de Fourier (fabricant d'equips Thermalfisher, model iS50) i un tester de concentració de sondes de mercuri (fabricant d'equips Semilab, model 530L) per caracteritzar la mitjana i la distribució del gruix de la capa epitaxial i la concentració de dopatge; el gruix i la concentració de dopatge de cada punt de la capa epitaxial es van determinar prenent punts al llarg de la línia de diàmetre que tallaven la línia normal de la vora de referència principal a 45 ° al centre de l'hòstia amb l'eliminació de la vora de 5 mm. Per a una hòstia de 150 mm, es van prendre 9 punts al llarg d'una línia de diàmetre (dos diàmetres eren perpendiculars entre si), i per a una hòstia de 200 mm, es van prendre 21 punts, com es mostra a la figura 2. Un microscopi de força atòmica (fabricant d'equips). Bruker, model Dimension Icon) es va utilitzar per seleccionar àrees de 30 μm × 30 μm a la zona central i l'àrea de la vora (eliminació de la vora de 5 mm) del hòstia epitaxial per provar la rugositat superficial de la capa epitaxial; els defectes de la capa epitaxial es van mesurar mitjançant un provador de defectes superficials (fabricant d'equips China Electronics L'imatge 3D es va caracteritzar per un sensor de radar (model Mars 4410 pro) de Kefenghua.

640 (1)


Hora de publicació: 04-set-2024
Xat en línia de WhatsApp!