I øjeblikket transformerer SiC-industrien fra 150 mm (6 tommer) til 200 mm (8 tommer). For at imødekomme den presserende efterspørgsel efter store, højkvalitets SiC-homoepitaksiale wafere i industrien, 150 mm og 200 mm4H-SiC homøpitaksiale wafereblev med succes forberedt på husholdningssubstrater ved hjælp af det uafhængigt udviklede 200 mm SiC epitaksiale vækstudstyr. En homøpitaksial proces, der er egnet til 150 mm og 200 mm, blev udviklet, hvor den epitaksiale væksthastighed kan være større end 60 um/h. Mens den opfylder højhastigheds-epitaksien, er den epitaksiale waferkvalitet fremragende. Tykkelsen ensartethed på 150 mm og 200 mmSiC epitaksiale waferekan kontrolleres inden for 1,5 %, koncentrationens ensartethed er mindre end 3 %, den dødelige defekttæthed er mindre end 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overfladeruhed kvadratisk middelværdi Ra er mindre end 0,15 nm, og alle kerneprocesindikatorer er på branchens avancerede niveau.
Siliciumcarbid (SiC)er en af repræsentanterne for tredje generation af halvledermaterialer. Det har karakteristika af høj nedbrydningsfeltstyrke, fremragende termisk ledningsevne, stor elektronmætningsdrifthastighed og stærk strålingsmodstand. Det har i høj grad udvidet energibehandlingskapaciteten for strømenheder og kan opfylde servicekravene for den næste generation af strømelektronisk udstyr til enheder med høj effekt, lille størrelse, høj temperatur, høj stråling og andre ekstreme forhold. Det kan reducere plads, reducere strømforbrug og reducere kølebehov. Det har bragt revolutionerende ændringer til nye energikøretøjer, jernbanetransport, smarte net og andre områder. Derfor er halvledere af siliciumcarbid blevet anerkendt som det ideelle materiale, der vil lede den næste generation af elektroniske enheder med høj effekt. I de seneste år, takket være den nationale politiske støtte til udviklingen af tredjegenerations halvlederindustrien, er forskningen og udviklingen og konstruktionen af 150 mm SiC-enhedsindustrisystemet stort set blevet afsluttet i Kina, og sikkerheden i industrikæden har grundlæggende været garanteret. Derfor er branchens fokus gradvist flyttet til omkostningskontrol og effektivisering. Som vist i tabel 1, sammenlignet med 150 mm, har 200 mm SiC en højere kantudnyttelsesgrad, og outputtet af enkelte wafer-chips kan øges med omkring 1,8 gange. Når teknologien modnes, kan fremstillingsomkostningerne for en enkelt chip reduceres med 30 %. Det teknologiske gennembrud på 200 mm er et direkte middel til at "reducere omkostninger og øge effektiviteten", og det er også nøglen til, at mit lands halvlederindustri kan "løbe parallelt" eller endda "føre".
Forskellig fra Si-enhedsprocessen,SiC halvledereffektenhederer alle forarbejdet og forberedt med epitaksiale lag som hjørnesten. Epitaksiale wafere er essentielle basismaterialer til SiC-kraftenheder. Kvaliteten af det epitaksiale lag bestemmer direkte udbyttet af enheden, og dets omkostninger tegner sig for 20% af chipfremstillingsomkostningerne. Derfor er epitaksial vækst et væsentligt mellemled i SiC-kraftenheder. Den øvre grænse for epitaksialt procesniveau bestemmes af epitaksielt udstyr. På nuværende tidspunkt er lokaliseringsgraden af 150 mm SiC epitaksialt udstyr i Kina relativt høj, men det overordnede layout på 200 mm halter bagud på det internationale niveau på samme tid. Derfor, for at løse de presserende behov og flaskehalsproblemer ved fremstilling af epitaksialt materiale i stor størrelse af høj kvalitet til udviklingen af den indenlandske tredjegenerations halvlederindustri, introducerer dette papir 200 mm SiC epitaksialt udstyr, der med succes er udviklet i mit land, og studerer den epitaksiale proces. Ved at optimere procesparametrene såsom procestemperatur, bæregasstrømningshastighed, C/Si-forhold osv., koncentrationens ensartethed <3%, tykkelsesuensartethed <1,5%, ruhed Ra <0,2 nm og fatal defektdensitet <0,3 korn /cm2 af 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere med uafhængigt udviklet 200 mm siliciumcarbid epitaksial ovn opnås. Udstyrets procesniveau kan imødekomme behovene for højkvalitets SiC-strømforsyningsforberedelse.
1 eksperiment
1.1 Princip forSiC epitaksialbehandle
Den 4H-SiC-homoepitaxiale vækstproces omfatter hovedsageligt 2 nøgletrin, nemlig højtemperatur-in-situ-ætsning af 4H-SiC-substrat og homogen kemisk dampaflejringsproces. Hovedformålet med substrat in-situ ætsning er at fjerne undergrundsskaden af substratet efter waferpolering, resterende poleringsvæske, partikler og oxidlag, og en regelmæssig atomart trinstruktur kan dannes på substratoverfladen ved ætsning. In-situ ætsning udføres sædvanligvis i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske proceskrav kan der også tilsættes en lille mængde hjælpegas, såsom hydrogenchlorid, propan, ethylen eller silan. Temperaturen ved in-situ hydrogenætsning er generelt over 1 600 ℃, og trykket i reaktionskammeret kontrolleres generelt under 2×104 Pa under ætseprocessen.
Efter at substratoverfladen er aktiveret ved in-situ ætsning, går den ind i højtemperatur kemisk dampaflejringsprocessen, det vil sige vækstkilden (såsom ethylen/propan, TCS/silan), dopingkilde (n-type dopingkilde nitrogen) , p-type dopingkilde TMAl), og hjælpegas, såsom hydrogenchlorid, transporteres til reaktionskammeret gennem en stor strøm af bæregas (sædvanligvis hydrogen). Efter at gassen har reageret i højtemperaturreaktionskammeret, reagerer en del af precursoren kemisk og adsorberer på waferoverfladen, og der dannes et enkelt-krystal homogent 4H-SiC epitaksiallag med en specifik dopingkoncentration, specifik tykkelse og højere kvalitet. på substratoverfladen under anvendelse af enkeltkrystal 4H-SiC-substratet som skabelon. Efter flere års teknisk udforskning er 4H-SiC-homoepitaxial-teknologien dybest set modnet og er meget brugt i industriel produktion. Den mest udbredte 4H-SiC-homoepitaxiale teknologi i verden har to typiske egenskaber:
(1) Ved at bruge et skråt skåret substrat (i forhold til <0001> krystalplanet, mod <11-20> krystalretningen) som en skabelon, er et højrent enkeltkrystal 4H-SiC epitaksielt lag uden urenheder aflejret på substratet i form af step-flow væksttilstand. Tidlig 4H-SiC-homoepitaksial vækst brugte et positivt krystalsubstrat, det vil sige <0001> Si-planet til vækst. Tætheden af atomare trin på overfladen af det positive krystalsubstrat er lav, og terrasserne er brede. Todimensionel nukleationsvækst er let at forekomme under epitaksiprocessen for at danne 3C krystal SiC (3C-SiC). Ved at skære uden for aksen kan atomtrin med høj tæthed, smal terrassebredde indføres på overfladen af 4H-SiC <0001>-substratet, og den adsorberede precursor kan effektivt nå atomtrinpositionen med relativt lav overfladeenergi gennem overfladediffusion . På trinnet er precursor-atom/molekylgruppebindingspositionen unik, så i step-flow-væksttilstanden kan det epitaksiale lag perfekt arve substratets Si-C-dobbeltatomare lag-stablingssekvens for at danne en enkelt krystal med den samme krystal fase som substrat.
(2) Epitaksial vækst i høj hastighed opnås ved at indføre en chlorholdig siliciumkilde. I konventionelle SiC kemiske dampaflejringssystemer er silan og propan (eller ethylen) de vigtigste vækstkilder. I processen med at øge væksthastigheden ved at øge vækstkildens strømningshastighed, efterhånden som siliciumkomponentens ligevægtspartialtryk fortsætter med at stige, er det let at danne siliciumklynger ved homogen gasfasekernedannelse, hvilket væsentligt reducerer udnyttelsesgraden af silicium kilde. Dannelsen af siliciumklynger begrænser i høj grad forbedringen af den epitaksiale væksthastighed. Samtidig kan siliciumklynger forstyrre stepflowvæksten og forårsage defekt kernedannelse. For at undgå homogen gasfase-kernedannelse og øge den epitaksielle væksthastighed, er introduktionen af chlorbaserede siliciumkilder i øjeblikket den almindelige metode til at øge den epitaksiale væksthastighed af 4H-SiC.
1,2 200 mm (8-tommer) SiC epitaksialt udstyr og procesforhold
Eksperimenterne beskrevet i dette papir blev alle udført på et 150/200 mm (6/8-tommer) kompatibelt monolitisk vandret SiC-epitaksialt SiC-epitaksialt udstyr, der er uafhængigt udviklet af 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Den epitaksiale ovn understøtter fuldautomatisk waferladning og -tømning. Figur 1 er et skematisk diagram af den indre struktur af reaktionskammeret i det epitaksiale udstyr. Som vist i figur 1 er reaktionskammerets ydre væg en kvartsklokke med et vandkølet mellemlag, og indersiden af klokken er et højtemperaturreaktionskammer, som er sammensat af varmeisolerende kulfilt, høj renhed speciel grafithulrum, grafitgas-flydende roterende base osv. Hele kvartsklokken er dækket af en cylindrisk induktionsspole, og reaktionen kammeret inde i klokken opvarmes elektromagnetisk af en mellemfrekvent induktionsstrømforsyning. Som vist i figur 1 (b) strømmer bæregassen, reaktionsgassen og dopinggassen alle gennem waferoverfladen i en horisontal laminær strøm fra opstrøms for reaktionskammeret til nedstrøms for reaktionskammeret og udledes fra halen. gas ende. For at sikre konsistensen inde i waferen, roteres waferen, der bæres af den flydende luftbase, altid under processen.
Det anvendte substrat i eksperimentet er et kommercielt 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4° off-vinkel ledende n-type 4H-SiC dobbeltsidet poleret SiC-substrat produceret af Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) og ethylen (C2H4) anvendes som de vigtigste vækstkilder i procesforsøget, blandt hvilke TCS og C2H4 anvendes som henholdsvis siliciumkilde og kulstofkilde, højrent nitrogen (N2) anvendes som n- type dopingkilde, og brint (H2) bruges som fortyndingsgas og bæregas. Temperaturområdet for den epitaksiale proces er 1 600 ~ 1 660 ℃, procestrykket er 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, og H2-bæregasstrømningshastigheden er 100 ~ 140 L/min.
1.3 Epitaksial wafer test og karakterisering
Fourier infrarødt spektrometer (udstyrsproducent Thermalfisher, model iS50) og kviksølvsondekoncentrationstester (udstyrsproducent Semilab, model 530L) blev brugt til at karakterisere middelværdien og fordelingen af epitaksial lagtykkelse og dopingkoncentration; tykkelsen og dopingkoncentrationen af hvert punkt i det epitaksiale lag blev bestemt ved at tage punkter langs diameterlinjen, der skærer den normale linje af hovedreferencekanten ved 45° i midten af waferen med 5 mm kantfjernelse. For en 150 mm wafer blev 9 punkter taget langs en enkelt diameterlinje (to diametre var vinkelrette på hinanden), og for en 200 mm wafer blev der taget 21 punkter, som vist i figur 2. Et atomkraftmikroskop (udstyrsfabrikant) Bruker, model Dimension Icon) blev brugt til at vælge 30 μm × 30 μm områder i centerområdet og kantområdet (5 mm kant fjernelse) af den epitaksiale wafer for at teste overfladeruheden af det epitaksiale lag; defekterne i det epitaksiale lag blev målt ved hjælp af en overfladedefekttester (udstyrsproducent China Electronics 3D-kameraet blev karakteriseret ved en radarsensor (model Mars 4410 pro) fra Kefenghua.
Indlægstid: Sep-04-2024