Actuellement, l'industrie du SiC évolue du format 150 mm (6 pouces) au format 200 mm (8 pouces). Afin de répondre à la demande urgente de plaquettes homoépitaxiales SiC de grande taille et de haute qualité, les formats 150 mm et 200 mm sont en cours de développement.plaquettes homoépitaxiales 4H-SiCDes couches minces de SiC de 200 mm ont été préparées avec succès sur des substrats nationaux grâce à un équipement de croissance épitaxiale développé en interne. Un procédé homoépitaxial adapté aux couches de 150 mm et 200 mm a été mis au point, permettant d'atteindre une vitesse de croissance épitaxiale supérieure à 60 µm/h. Malgré cette vitesse élevée, la qualité des plaquettes épitaxiales est excellente. L'uniformité d'épaisseur est remarquable pour les couches de 150 mm et 200 mm.plaquettes épitaxiales de SiCLa précision du contrôle est de 1,5 %, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3 %, la densité de défauts critiques est inférieure à 0,3 particules/cm2 et la rugosité quadratique moyenne de la surface épitaxiale Ra est inférieure à 0,15 nm ; tous les indicateurs de processus de base sont au niveau le plus avancé de l'industrie.
Carbure de silicium (SiC)Le carbure de silicium (SiC) est un représentant des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il se caractérise par une rigidité diélectrique élevée, une excellente conductivité thermique, une vitesse de saturation électronique importante et une forte résistance aux radiations. Il a considérablement accru la capacité de traitement énergétique des dispositifs de puissance et répond aux exigences des équipements électroniques de puissance de nouvelle génération, notamment pour les dispositifs fonctionnant dans des conditions extrêmes de forte puissance, de petite taille, de haute température et de forte radiation. Il permet de réduire l'encombrement, la consommation d'énergie et les besoins en refroidissement. Il a révolutionné les véhicules à énergies nouvelles, le transport ferroviaire, les réseaux intelligents et d'autres domaines. De ce fait, les semi-conducteurs en carbure de silicium sont reconnus comme le matériau idéal pour la prochaine génération de dispositifs électroniques de puissance. Ces dernières années, grâce au soutien politique national au développement de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération, la recherche, le développement et la construction d'un système industriel pour les dispositifs SiC de 150 mm sont quasiment achevés en Chine, garantissant ainsi la sécurité de la chaîne de valeur. Par conséquent, l'industrie se concentre désormais sur la maîtrise des coûts et l'amélioration de l'efficacité. Comme le montre le tableau 1, comparé au SiC de 150 mm, le SiC de 200 mm présente un taux d'utilisation des bords supérieur, et la production de puces par tranche unique peut être multipliée par environ 1,8. Une fois la technologie mature, le coût de fabrication d'une puce unitaire pourra être réduit de 30 %. Cette avancée technologique du SiC de 200 mm constitue un moyen direct de réduire les coûts et d'accroître l'efficacité, et représente également un atout majeur pour permettre à l'industrie des semi-conducteurs chinoise de rivaliser avec le marché, voire de le devancer.
Contrairement au procédé de fabrication des dispositifs en silicium,Dispositifs de puissance à semi-conducteurs SiCTous les procédés de fabrication reposent sur la formation de couches épitaxiales. Ces plaquettes épitaxiales constituent des matériaux de base essentiels pour les dispositifs de puissance en SiC. La qualité de la couche épitaxiale détermine directement le rendement du dispositif, et son coût représente 20 % du coût de fabrication de la puce. Par conséquent, la croissance épitaxiale est une étape intermédiaire cruciale dans la production de dispositifs de puissance en SiC. La limite supérieure du niveau de traitement épitaxial est déterminée par l'équipement utilisé. Actuellement, le taux de localisation des équipements épitaxiaux SiC de 150 mm en Chine est relativement élevé, mais le déploiement global des équipements de 200 mm reste inférieur aux normes internationales. Afin de répondre aux besoins urgents et de lever les obstacles à la production de matériaux épitaxiaux de grande taille et de haute qualité, indispensables au développement de l'industrie chinoise des semi-conducteurs de troisième génération, cet article présente l'équipement épitaxial SiC de 200 mm développé avec succès en Chine et étudie le procédé épitaxial. En optimisant les paramètres de procédé tels que la température, le débit de gaz vecteur et le rapport C/Si, on obtient, pour des plaquettes épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm fabriquées dans un four d'épitaxie en carbure de silicium de 200 mm développé spécifiquement, une uniformité de concentration inférieure à 3 %, une non-uniformité d'épaisseur inférieure à 1,5 %, une rugosité Ra inférieure à 0,2 nm et une densité de défauts critiques inférieure à 0,3 grain/cm². Le niveau de performance de cet équipement répond aux exigences de la fabrication de dispositifs de puissance en SiC de haute qualité.
1 Expérience
1.1 Principe deSiC épitaxiéprocessus
Le procédé de croissance homoépitaxiale du 4H-SiC comprend principalement deux étapes clés : la gravure in situ à haute température du substrat 4H-SiC et le dépôt chimique en phase vapeur homogène (HCVD). La gravure in situ du substrat a pour principal objectif d'éliminer les défauts de subsurface consécutifs au polissage de la plaquette, tels que les résidus de liquide de polissage, les particules et la couche d'oxyde. Elle permet ainsi de former une structure atomique régulière à la surface du substrat. La gravure in situ est généralement réalisée sous atmosphère d'hydrogène. Selon les exigences du procédé, une petite quantité de gaz auxiliaire, comme le chlorure d'hydrogène, le propane, l'éthylène ou le silane, peut être ajoutée. La température de la gravure in situ sous hydrogène est généralement supérieure à 1 600 °C et la pression dans la chambre de réaction est généralement maintenue en dessous de 2 × 10⁴ Pa pendant le processus.
Après activation de la surface du substrat par gravure in situ, celui-ci est soumis à un processus de dépôt chimique en phase vapeur à haute température. La source de croissance (par exemple, éthylène/propane, TCS/silane), la source de dopage (azote pour le dopage de type n, TMAl pour le dopage de type p) et un gaz auxiliaire, tel que le chlorure d'hydrogène, sont acheminés vers la chambre de réaction par un important flux de gaz vecteur (généralement de l'hydrogène). Après réaction dans la chambre de réaction à haute température, une partie du précurseur réagit chimiquement et s'adsorbe sur la surface de la plaquette. Une couche épitaxiale monocristalline homogène de 4H-SiC, présentant une concentration de dopage et une épaisseur spécifiques, ainsi qu'une qualité supérieure, est formée sur le substrat, ce dernier servant de matrice. Après des années de recherche, la technologie homoépitaxiale du 4H-SiC est aujourd'hui mature et largement utilisée dans la production industrielle. La technologie homoépitaxiale du 4H-SiC la plus répandue au monde présente deux caractéristiques principales :
(1) En utilisant un substrat taillé obliquement hors axe (par rapport au plan cristallin <0001>, selon la direction cristalline <11-20>) comme matrice, une couche épitaxiale monocristalline de 4H-SiC de haute pureté et exempte d'impuretés est déposée sur le substrat par croissance par étapes. Les premières méthodes de croissance homoépitaxiale du 4H-SiC utilisaient un substrat cristallin positif, c'est-à-dire le plan Si <0001>. La densité de marches atomiques à la surface de ce substrat est faible et les terrasses sont larges. La croissance par nucléation bidimensionnelle se produit facilement lors du processus d'épitaxie, formant ainsi du SiC 3C (3C-SiC). La taille hors axe permet d'introduire des marches atomiques denses et étroites à la surface du substrat 4H-SiC <0001>, et le précurseur adsorbé peut atteindre efficacement ces marches atomiques, dont l'énergie de surface est relativement faible, par diffusion de surface. À cette étape, la position de liaison de l'atome précurseur/groupe moléculaire est unique, de sorte que dans le mode de croissance par flux d'étapes, la couche épitaxiale peut parfaitement hériter de la séquence d'empilement de double couche atomique Si-C du substrat pour former un monocristal avec la même phase cristalline que le substrat.
(2) La croissance épitaxiale à haute vitesse est obtenue par l'introduction d'une source de silicium chlorée. Dans les systèmes conventionnels de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de SiC, le silane et le propane (ou l'éthylène) sont les principales sources de croissance. Lors de l'augmentation de la vitesse de croissance par l'accroissement du débit de la source, la pression partielle d'équilibre du silicium augmente continuellement, favorisant ainsi la formation d'agrégats de silicium par nucléation homogène en phase gazeuse. Ceci réduit considérablement le taux d'utilisation de la source de silicium et limite fortement l'amélioration de la vitesse de croissance épitaxiale. De plus, ces agrégats peuvent perturber la croissance par écoulement de marches et induire la nucléation de défauts. Afin d'éviter la nucléation homogène en phase gazeuse et d'accroître la vitesse de croissance épitaxiale, l'introduction de sources de silicium chlorées constitue actuellement la méthode privilégiée pour augmenter la vitesse de croissance épitaxiale du 4H-SiC.
1.2 Conditions de l'équipement et du procédé d'épitaxie SiC de 200 mm (8 pouces)
Les expériences décrites dans cet article ont toutes été réalisées sur un équipement d'épitaxie SiC monolithique horizontal à paroi chaude, compatible avec les dimensions 150/200 mm (6/8 pouces), développé indépendamment par le 48e Institut du Groupe China Electronics Technology Corporation. Le four d'épitaxie permet le chargement et le déchargement entièrement automatisés des plaquettes. La figure 1 présente un schéma de la structure interne de la chambre de réaction de l'équipement. Comme illustré, la paroi extérieure de la chambre de réaction est une cloche en quartz avec une couche intermédiaire refroidie à l'eau. L'intérieur de la cloche constitue une chambre de réaction haute température, composée notamment d'un feutre de carbone isolant thermique, d'une cavité en graphite spécial de haute pureté et d'une base rotative flottante en graphite. L'ensemble de la cloche en quartz est recouvert d'une bobine d'induction cylindrique, et la chambre de réaction est chauffée par induction à moyenne fréquence. Comme illustré sur la figure 1 (b), le gaz vecteur, le gaz de réaction et le gaz dopant circulent horizontalement à la surface de la plaquette, de l'amont vers l'aval de la chambre de réaction, et sont évacués par l'orifice de sortie des gaz. Afin de garantir l'homogénéité de la plaquette, celle-ci, portée par un support à coussin d'air, est constamment en rotation durant le processus.
Le substrat utilisé dans l'expérience est un substrat commercial en SiC 4H-SiC double face poli, de type n, orienté selon la direction <1120>, de dimensions 150 mm × 200 mm (6 pouces × 8 pouces) et présentant un angle de désorientation de 4°. Ce substrat est produit par Shanxi Shuoke Crystal. Le trichlorosilane (SiHCl₃, TCS) et l'éthylène (C₂H₄) sont utilisés comme principaux réactifs de croissance. Le TCS sert de source de silicium et le C₂H₄ de source de carbone. L'azote (N₂) de haute pureté est utilisé comme dopant de type n, et l'hydrogène (H₂) comme gaz de dilution et gaz vecteur. La température de dépôt épitaxial se situe entre 1 600 et 1 660 °C, la pression entre 8 × 10³ et 12 × 10³ Pa, et le débit d'hydrogène (H₂) est de 100 à 140 L/min.
1.3 Tests et caractérisation des plaquettes épitaxiales
Un spectromètre infrarouge à Fourier (fabricant de l'équipement : Thermalfisher, modèle iS50) et un testeur de concentration à sonde à mercure (fabricant de l'équipement : Semilab, modèle 530L) ont été utilisés pour caractériser la moyenne et la distribution de l'épaisseur de la couche épitaxiale et de la concentration de dopage ; l'épaisseur et la concentration de dopage de chaque point de la couche épitaxiale ont été déterminées en prenant des points le long de la ligne de diamètre intersectant la ligne normale du bord de référence principal à 45° au centre de la plaquette avec un retrait de bord de 5 mm. Pour une plaquette de 150 mm, 9 points ont été prélevés le long d'une ligne de diamètre unique (deux diamètres perpendiculaires entre eux), et pour une plaquette de 200 mm, 21 points ont été prélevés, comme illustré sur la figure 2. Un microscope à force atomique (fabricant : Bruker, modèle : Dimension Icon) a été utilisé pour sélectionner des zones de 30 μm × 30 μm au centre et en périphérie (avec un enlèvement de 5 mm sur le bord) de la plaquette épitaxiale afin de tester la rugosité de surface de la couche épitaxiale ; les défauts de la couche épitaxiale ont été mesurés à l'aide d'un testeur de défauts de surface (fabricant : China Electronics). L'imageur 3D a été caractérisé par un capteur radar (modèle : Mars 4410 pro) de Kefenghua.
Date de publication : 4 septembre 2024