Actuellement, l'industrie du SiC passe de 150 mm (6 pouces) à 200 mm (8 pouces). Afin de répondre à la demande urgente de plaquettes homoépitaxiales SiC de grande taille et de haute qualité dans l'industrie, 150 mm et 200 mmPlaquettes homoépitaxiales 4H-SiCont été préparés avec succès sur des substrats domestiques à l'aide de l'équipement de croissance épitaxiale SiC de 200 mm développé indépendamment. Un procédé homoépitaxial adapté aux diamètres de 150 mm et 200 mm a été développé, dans lequel le taux de croissance épitaxiale peut être supérieur à 60 um/h. Tout en répondant à l'épitaxie à grande vitesse, la qualité de la plaquette épitaxiale est excellente. L'uniformité de l'épaisseur de 150 mm et 200 mmPlaquettes épitaxiales SiCpeut être contrôlé dans les limites de 1,5 %, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3 %, la densité de défauts mortels est inférieure à 0,3 particules/cm2 et la valeur quadratique moyenne de la rugosité de la surface épitaxiale Ra est inférieure à 0,15 nm, et tous les indicateurs de processus de base sont à le niveau avancé de l’industrie.
Carbure de silicium (SiC)est l'un des représentants des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il présente les caractéristiques d'une intensité de champ de claquage élevée, d'une excellente conductivité thermique, d'une grande vitesse de dérive de saturation des électrons et d'une forte résistance aux rayonnements. Il a considérablement augmenté la capacité de traitement de l'énergie des appareils électriques et peut répondre aux exigences de service de la prochaine génération d'équipements électroniques de puissance pour les appareils à haute puissance, de petite taille, à haute température, à rayonnement élevé et d'autres conditions extrêmes. Il peut réduire l'espace, réduire la consommation d'énergie et réduire les besoins en refroidissement. Il a apporté des changements révolutionnaires dans les véhicules à énergie nouvelle, le transport ferroviaire, les réseaux intelligents et d’autres domaines. Par conséquent, les semi-conducteurs en carbure de silicium sont désormais reconnus comme le matériau idéal qui dirigera la prochaine génération de dispositifs électroniques de puissance haute 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 du système industriel des dispositifs SiC de 150 mm ont été pratiquement achevés en Chine, et la sécurité de la chaîne industrielle a été été fondamentalement garanti. Par conséquent, l’attention de l’industrie s’est progressivement déplacée vers le contrôle des coûts et l’amélioration de l’efficacité. Comme le montre le tableau 1, par rapport au SiC de 150 mm, le SiC de 200 mm a un taux d'utilisation des bords plus élevé et la production de puces à tranche unique peut être augmentée d'environ 1,8 fois. Une fois la technologie mature, le coût de fabrication d’une seule puce peut être réduit de 30 %. La percée technologique de 200 mm est un moyen direct de « réduire les coûts et d'augmenter l'efficacité », et c'est également la clé pour que l'industrie chinoise des semi-conducteurs « fonctionne en parallèle » ou même « mène ».
Différent du processus du périphérique Si,Dispositifs de puissance à semi-conducteurs SiCsont tous traités et préparés avec des couches épitaxiales comme pierre angulaire. Les plaquettes épitaxiales sont des matériaux de base essentiels pour les dispositifs de puissance 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 un maillon intermédiaire essentiel dans les dispositifs de puissance SiC. La limite supérieure du niveau du processus épitaxial est déterminée par l'équipement épitaxial. À l'heure actuelle, le degré de localisation des équipements épitaxiaux SiC de 150 mm en Chine est relativement élevé, mais la disposition globale de 200 mm est en même temps en retard par rapport au niveau international. Par conséquent, afin de résoudre les besoins urgents et les problèmes de goulot d'étranglement liés à la fabrication de matériaux épitaxiaux de grande taille et de haute qualité pour le développement de l'industrie nationale des semi-conducteurs de troisième génération, cet article présente l'équipement épitaxial SiC de 200 mm développé avec succès dans mon pays, et étudie le processus d'épitaxie. En optimisant les paramètres du procédé tels que la température du procédé, le débit du gaz porteur, le rapport C/Si, etc., l'uniformité de la concentration < 3 %, la non-uniformité de l'épaisseur < 1,5 %, la rugosité Ra < 0,2 nm et la densité des défauts mortels < 0,3 grains. /cm2 de tranches épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm avec un four épitaxial de carbure de silicium de 200 mm développé indépendamment sont obtenus. Le niveau de processus d'équipement peut répondre aux besoins de préparation de dispositifs d'alimentation SiC de haute qualité.
1 expérience
1.1 Principe deEpitaxie SiCprocessus
Le processus de croissance homoépitaxiale du 4H-SiC comprend principalement 2 étapes clés, à savoir la gravure in situ à haute température du substrat 4H-SiC et le processus de dépôt chimique en phase vapeur homogène. L'objectif principal de la gravure in situ du substrat est d'éliminer les dommages souterrains du substrat après le polissage de la tranche, le liquide de polissage résiduel, les particules et la couche d'oxyde, et une structure à étapes atomiques régulières peut être formée sur la surface du substrat par gravure. La gravure in situ est généralement réalisée dans une atmosphère d'hydrogène. Selon les exigences réelles du processus, une petite quantité de gaz auxiliaire peut également être ajoutée, telle que du chlorure d'hydrogène, du propane, de l'éthylène ou du silane. La température de gravure à l'hydrogène in situ est généralement supérieure à 1 600 ℃ et la pression de la chambre de réaction est généralement contrôlée en dessous de 2 × 104 Pa pendant le processus de gravure.
Une fois la surface du substrat activée par gravure in situ, elle entre dans le processus de dépôt chimique en phase vapeur à haute température, c'est-à-dire la source de croissance (telle que l'éthylène/propane, le TCS/silane), la source de dopage (source de dopage de type n, azote). , source de dopage de type p TMAl) et du gaz auxiliaire tel que le chlorure d'hydrogène sont transportés vers la chambre de réaction via un flux important de gaz porteur (généralement de l'hydrogène). Après que le gaz ait réagi dans la chambre de réaction à haute température, une partie du précurseur réagit chimiquement et s'adsorbe sur la surface de la tranche, et une couche épitaxiale monocristalline homogène de 4H-SiC avec une concentration de dopage spécifique, une épaisseur spécifique et une qualité supérieure est formée sur la surface du substrat en utilisant le substrat monocristallin 4H-SiC comme modèle. Après des années d'exploration technique, la technologie homoépitaxiale 4H-SiC a fondamentalement mûri et est largement utilisée dans la production industrielle. La technologie homoépitaxiale 4H-SiC la plus utilisée dans le monde présente deux caractéristiques typiques :
(1) En utilisant un substrat coupé oblique hors axe (par rapport au plan cristallin <0001>, vers la direction cristalline <11-20>) comme modèle, une couche épitaxiale monocristalline 4H-SiC de haute pureté sans impuretés est déposé sur le substrat sous la forme d'un mode de croissance par étapes. La première croissance homoépitaxiale du 4H-SiC utilisait un substrat cristallin positif, c'est-à-dire le plan <0001> Si pour la croissance. La densité des marches atomiques à la surface du substrat cristallin positif est faible et les terrasses sont larges. La croissance de nucléation bidimensionnelle se produit facilement pendant le processus d'épitaxie pour former du SiC cristallin 3C (3C-SiC). Grâce à une coupe hors axe, des marches atomiques à haute densité et à largeur de terrasse étroite peuvent être introduites sur la surface du substrat 4H-SiC <0001>, et le précurseur adsorbé peut atteindre efficacement la position de marche atomique avec une énergie de surface relativement faible par diffusion de surface. . À l'étape, la position de liaison atome précurseur/groupe moléculaire est unique, donc dans le mode de croissance par 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 le même cristal. phase comme substrat.
(2) Une croissance épitaxiale à grande vitesse est obtenue en introduisant une source de silicium contenant du chlore. Dans les systèmes conventionnels de dépôt chimique en phase vapeur de SiC, le silane et le propane (ou l'éthylène) sont les principales sources de croissance. Dans le processus d'augmentation du taux de croissance en augmentant le débit de la source de croissance, à mesure que la pression partielle d'équilibre du composant silicium continue d'augmenter, il est facile de former des amas de silicium par nucléation homogène en phase gazeuse, ce qui réduit considérablement le taux d'utilisation du source de silicium. La formation d'amas de silicium limite fortement l'amélioration du taux de croissance épitaxiale. Dans le même temps, les amas de silicium peuvent perturber la croissance du flux échelonné et provoquer une nucléation défectueuse. Afin d'éviter une nucléation homogène en phase gazeuse et d'augmenter le taux de croissance épitaxiale, l'introduction de sources de silicium à base de chlore est actuellement la méthode principale pour augmenter le taux de croissance épitaxiale du 4H-SiC.
1.2 Équipement épitaxial SiC de 200 mm (8 pouces) et conditions de traitement
Les expériences décrites dans cet article ont toutes été menées sur un équipement épitaxial SiC à paroi chaude horizontale monolithique compatible de 150/200 mm (6/8 pouces) développé indépendamment par le 48e Institut de China Electronics Technology Group Corporation. Le four épitaxial prend en charge le chargement et le déchargement entièrement automatiques des plaquettes. La figure 1 est un diagramme schématique de la structure interne de la chambre de réaction de l'équipement épitaxial. Comme le montre la figure 1, la paroi extérieure de la chambre de réaction est une cloche en quartz avec une couche intermédiaire refroidie à l'eau, et l'intérieur de la cloche est une chambre de réaction à haute température, composée de feutre de carbone d'isolation thermique, de haute pureté. cavité spéciale en graphite, base rotative flottante au gaz graphite, etc. L'ensemble de la cloche de quartz est recouvert d'une bobine d'induction cylindrique et la chambre de réaction à l'intérieur de la cloche est chauffée électromagnétiquement par une alimentation à induction moyenne fréquence. Comme le montre la figure 1 (b), le gaz porteur, le gaz de réaction et le gaz dopant s'écoulent tous à travers la surface de la plaquette dans un flux laminaire horizontal depuis l'amont de la chambre de réaction vers l'aval de la chambre de réaction et sont évacués de la queue. extrémité gaz. Pour garantir la cohérence au sein de la plaquette, la plaquette portée par la base flottante à air tourne toujours pendant le processus.
Le substrat utilisé dans l'expérience est un substrat SiC poli double face conducteur de type N 4H-SiC <1120> commercial de 150 mm, 200 mm (6 pouces, 8 pouces) <1120>, produit par Shanxi Shuoke Crystal. Le trichlorosilane (SiHCl3, TCS) et l'éthylène (C2H4) sont utilisés comme principales sources de croissance dans l'expérience de procédé, parmi lesquels le TCS et le C2H4 sont utilisés respectivement comme source de silicium et de carbone, l'azote de haute pureté (N2) est utilisé comme n- type de source de dopage, et l'hydrogène (H2) est utilisé comme gaz de dilution et gaz porteur. La plage de température du processus épitaxial est de 1 600 ~ 1 660 ℃, la pression du processus est de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa et le débit de gaz porteur H2 est de 100 ~ 140 L/min.
1.3 Tests et caractérisation des plaquettes épitaxiales
Un spectromètre infrarouge de Fourier (fabricant d'équipement Thermalfisher, modèle iS50) et un testeur de concentration de sonde à mercure (fabricant d'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 coupant la ligne normale du bord de référence principal à 45° au centre de la tranche avec un retrait de bord de 5 mm. Pour une plaquette de 150 mm, 9 points ont été pris le long d'une ligne de diamètre unique (deux diamètres étaient perpendiculaires l'un à l'autre) et pour une plaquette de 200 mm, 21 points ont été pris, comme le montre la figure 2. Un microscope à force atomique (fabricant d'équipement Bruker, modèle Dimension Icon) a été utilisé pour sélectionner des zones de 30 μm × 30 μm dans la zone centrale et la zone de bord (retrait des bords de 5 mm) de la plaquette épitaxiale à 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 (équipementier China Electronics). L'imageur 3D a été caractérisé par un capteur radar (modèle Mars 4410 pro) de chez Kefenghua.
Heure de publication : 04 septembre 2024