Actualmente, a industria do SiC está a pasar de 150 mm (6 polgadas) a 200 mm (8 polgadas). Co fin de satisfacer a demanda urxente de obleas homoepitaxiais de SiC de gran tamaño e alta calidade na industria, 150 mm e 200 mmObleas homoepitaxiais 4H-SiCpreparáronse con éxito en substratos domésticos utilizando o equipo de crecemento epitaxial SiC de 200 mm desenvolvido de forma independente. Desenvolveuse un proceso homoepitaxial adecuado para 150 mm e 200 mm, no que a taxa de crecemento epitaxial pode ser superior a 60 um/h. Ao cumprir coa epitaxia de alta velocidade, a calidade da oblea epitaxial é excelente. A uniformidade de espesor de 150 mm e 200 mmObleas epitaxiais de SiCpódese controlar dentro do 1,5%, a uniformidade da concentración é inferior ao 3%, a densidade do defecto fatal é inferior a 0,3 partículas/cm2 e a raíz cuadrada media da rugosidade da superficie epitaxial Ra é inferior a 0,15 nm e todos os indicadores do proceso central están en 0,15 nm. o nivel avanzado da industria.
Carburo de silicio (SiC)é un dos representantes dos materiais semicondutores de terceira xeración. Ten as características de alta intensidade de campo de ruptura, excelente condutividade térmica, gran velocidade de deriva de saturación de electróns e forte resistencia á radiación. Ampliou moito a capacidade de procesamento de enerxía dos dispositivos de enerxía e pode cumprir os requisitos de servizo da próxima xeración de equipos electrónicos de potencia para dispositivos con alta potencia, tamaño pequeno, alta temperatura, alta radiación e outras condicións extremas. Pode reducir o espazo, reducir o consumo de enerxía e reducir os requisitos de refrixeración. Trovou cambios revolucionarios para os vehículos de nova enerxía, o transporte ferroviario, as redes intelixentes e outros campos. Polo tanto, os semicondutores de carburo de silicio foron recoñecidos como o material ideal que liderará a próxima xeración de dispositivos electrónicos de alta potencia. Nos últimos anos, grazas ao apoio da política nacional para o desenvolvemento da industria de semicondutores de terceira xeración, a investigación, desenvolvemento e construción do sistema industrial de dispositivos SiC de 150 mm completouse basicamente en China, e a seguridade da cadea industrial completouse. fundamentalmente garantido. Polo tanto, o foco da industria cambiou gradualmente ao control de custos e á mellora da eficiencia. Como se mostra na Táboa 1, en comparación con 150 mm, o SiC de 200 mm ten unha taxa de utilización dos bordos máis alta e a produción de chips de obleas simples pódese aumentar preto de 1,8 veces. Despois de que a tecnoloxía madureza, o custo de fabricación dun único chip pode reducirse nun 30%. O avance tecnolóxico de 200 mm é un medio directo para "reducir custos e aumentar a eficiencia", e tamén é a clave para que a industria de semicondutores do meu país "funcione en paralelo" ou mesmo "lide".
Diferente do proceso do dispositivo Si,Dispositivos de potencia semicondutores SiCson todos procesados e preparados con capas epitaxiais como pedra angular. As obleas epitaxiais son materiais básicos esenciais para os dispositivos de potencia SiC. A calidade da capa epitaxial determina directamente o rendemento do dispositivo e o seu custo representa o 20% do custo de fabricación do chip. Polo tanto, o crecemento epitaxial é unha ligazón intermedia esencial nos dispositivos de potencia SiC. O límite superior do nivel do proceso epitaxial está determinado polo equipo epitaxial. Na actualidade, o grao de localización dos equipos epitaxiais SiC de 150 mm en China é relativamente alto, pero o deseño xeral de 200 mm está por detrás do nivel internacional ao mesmo tempo. Polo tanto, para resolver as necesidades urxentes e os problemas de pescozo de botella da fabricación de material epitaxial de gran tamaño e de alta calidade para o desenvolvemento da industria nacional de semicondutores de terceira xeración, este artigo presenta o equipo epitaxial de SiC de 200 mm desenvolvido con éxito no meu país, e estuda o proceso epitaxial. Ao optimizar os parámetros do proceso, como a temperatura do proceso, o caudal do gas portador, a relación C/Si, etc., a uniformidade da concentración <3%, a non uniformidade do espesor <1,5%, a rugosidade Ra <0,2 nm e a densidade de defectos fatales <0,3 grans. /cm2 de obleas epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm con forno epitaxial de carburo de silicio de 200 mm desenvolvido independentemente. obtido. O nivel de proceso do equipo pode satisfacer as necesidades de preparación de dispositivos de potencia SiC de alta calidade.
1 Experimento
1.1 Principio deSiC epitaxialproceso
O proceso de crecemento homoepitaxial 4H-SiC inclúe principalmente 2 pasos clave, a saber, o gravado in situ a alta temperatura do substrato 4H-SiC e o proceso de deposición de vapor químico homoxéneo. O principal obxectivo do gravado in situ do substrato é eliminar o dano subterráneo do substrato despois do pulido de obleas, o líquido de pulido residual, as partículas e a capa de óxido, e pódese formar unha estrutura de paso atómico regular na superficie do substrato mediante o gravado. O gravado in situ realízase normalmente nunha atmosfera de hidróxeno. Segundo os requisitos reais do proceso, tamén se pode engadir unha pequena cantidade de gas auxiliar, como cloruro de hidróxeno, propano, etileno ou silano. A temperatura do gravado de hidróxeno in situ é xeralmente superior a 1 600 ℃, e a presión da cámara de reacción é xeralmente controlada por debaixo de 2 × 104 Pa durante o proceso de gravado.
Despois de que a superficie do substrato sexa activada mediante gravado in situ, entra no proceso de deposición química de vapor a alta temperatura, é dicir, a fonte de crecemento (como etileno/propano, TCS/silano), fonte de dopaxe (nitróxeno da fonte de dopaxe tipo n). , fonte de dopaxe tipo p TMAl), e gas auxiliar como o cloruro de hidróxeno son transportados á cámara de reacción a través dun gran fluxo de gas portador (xeralmente hidróxeno). Despois de que o gas reacciona na cámara de reacción a alta temperatura, parte do precursor reacciona quimicamente e adsorbe na superficie da oblea, e fórmase unha capa epitaxial homoxénea monocristal 4H-SiC cunha concentración de dopaxe específica, grosor específico e calidade superior. na superficie do substrato usando o substrato monocristal 4H-SiC como modelo. Despois de anos de exploración técnica, a tecnoloxía homoepitaxial 4H-SiC madurou basicamente e úsase amplamente na produción industrial. A tecnoloxía homoepitaxial 4H-SiC máis utilizada no mundo ten dúas características típicas:
(1) Usando un substrato de corte oblicuo fóra do eixe (respecto ao plano cristalino <0001>, cara á dirección do cristal <11-20>) como modelo, é unha capa epitaxial monocristal 4H-SiC de alta pureza sen impurezas. depositado sobre o substrato en forma de modo de crecemento de fluxo escalonado. O primeiro crecemento homoepitaxial de 4H-SiC utilizou un substrato cristalino positivo, é dicir, o plano Si <0001> para o crecemento. A densidade de pasos atómicos na superficie do substrato de cristal positivo é baixa e as terrazas son amplas. O crecemento de nucleación bidimensional é fácil de producir durante o proceso de epitaxia para formar cristal 3C SiC (3C-SiC). Mediante un corte fóra do eixe, pódense introducir pasos atómicos de gran densidade e ancho de terraza estreita na superficie do substrato 4H-SiC <0001> e o precursor adsorbido pode alcanzar efectivamente a posición do paso atómico cunha enerxía de superficie relativamente baixa a través da difusión superficial. . No paso, a posición de enlace átomo precursor/grupo molecular é única, polo que no modo de crecemento de fluxo escalonado, a capa epitaxial pode herdar perfectamente a secuencia de apilado da dobre capa atómica Si-C do substrato para formar un só cristal co mesmo cristal. fase como substrato.
(2) O crecemento epitaxial de alta velocidade conséguese introducindo unha fonte de silicio que contén cloro. Nos sistemas de deposición química de vapor SiC convencionais, o silano e o propano (ou etileno) son as principais fontes de crecemento. No proceso de aumentar a taxa de crecemento aumentando a taxa de fluxo da fonte de crecemento, a medida que a presión parcial de equilibrio do compoñente de silicio segue aumentando, é fácil formar grupos de silicio mediante a nucleación homoxénea en fase gaseosa, o que reduce significativamente a taxa de utilización do compoñente de silicio. fonte de silicio. A formación de cúmulos de silicio limita moito a mellora da taxa de crecemento epitaxial. Ao mesmo tempo, os cúmulos de silicio poden perturbar o crecemento do fluxo escalonado e provocar a nucleación de defectos. Para evitar a nucleación homoxénea en fase gaseosa e aumentar a taxa de crecemento epitaxial, a introdución de fontes de silicio baseadas en cloro é actualmente o método principal para aumentar a taxa de crecemento epitaxial de 4H-SiC.
1,2 Equipos epitaxiais de SiC de 200 mm (8 polgadas) e condicións do proceso
Os experimentos descritos neste artigo foron todos realizados nun equipo epitaxial de SiC de parede quente horizontal monolítica compatible de 150/200 mm (6/8 polgadas) desenvolvido de forma independente polo 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. O forno epitaxial admite a carga e descarga de obleas totalmente automáticas. A figura 1 é un diagrama esquemático da estrutura interna da cámara de reacción do equipo epitaxial. Como se mostra na figura 1, a parede exterior da cámara de reacción é unha campá de cuarzo cunha capa intermedia refrixerada por auga, e o interior da campá é unha cámara de reacción de alta temperatura, que está composta de feltro de carbono de illamento térmico, de alta pureza. cavidade especial de grafito, base xiratoria flotante con gas de grafito, etc. Toda a campá de cuarzo está cuberta cunha bobina de indución cilíndrica e a reacción cámara dentro da campá é quentada electromagnéticamente por unha fonte de alimentación de indución de frecuencia media. Como se mostra na Figura 1 (b), o gas portador, o gas de reacción e o gas dopante flúen a través da superficie da oblea nun fluxo laminar horizontal desde a auga arriba da cámara de reacción ata a augas abaixo da cámara de reacción e son descargados desde a cola. extremo de gas. Para garantir a consistencia dentro da oblea, a oblea transportada pola base flotante de aire sempre se xira durante o proceso.
O substrato utilizado no experimento é un substrato de SiC pulido de dobre cara 4H-SiC condutor de 150 mm, 200 mm (6 polgadas, 8 polgadas) <1120> dirección 4 ° fóra de ángulo producido por Shanxi Shuoke Crystal. O triclorosilano (SiHCl3, TCS) e o etileno (C2H4) utilízanse como fontes de crecemento principais no experimento do proceso, entre os que se utilizan TCS e C2H4 como fonte de silicio e fonte de carbono respectivamente, o nitróxeno de alta pureza (N2) úsase como n- tipo fonte de dopaxe, e o hidróxeno (H2) utilízase como gas de dilución e gas portador. O rango de temperatura do proceso epitaxial é de 1 600 ~ 1 660 ℃, a presión do proceso é de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa e o caudal do gas portador H2 é de 100 ~ 140 L/min.
1.3 Ensaio e caracterización de obleas epitaxiais
Utilizáronse un espectrómetro infravermello de Fourier (fabricante de equipos Thermalfisher, modelo iS50) e un probador de concentración de sondas de mercurio (fabricante de equipos Semilab, modelo 530L) para caracterizar a media e a distribución do grosor da capa epitaxial e a concentración de dopaxe; o espesor e a concentración de dopaxe de cada punto da capa epitaxial determináronse tomando puntos ao longo da liña de diámetro que cruzan a liña normal do bordo de referencia principal a 45 ° no centro da oblea cunha eliminación de bordo de 5 mm. Para unha oblea de 150 mm, tomáronse 9 puntos ao longo dunha única liña de diámetro (dous diámetros eran perpendiculares entre si), e para unha oblea de 200 mm, tomáronse 21 puntos, como se mostra na Figura 2. Un microscopio de forza atómica (fabricante do equipo). Bruker, modelo Dimension Icon) utilizouse para seleccionar áreas de 30 μm × 30 μm na área central e a área de bordo (eliminación de bordo de 5 mm) do oblea epitaxial para probar a rugosidade superficial da capa epitaxial; os defectos da capa epitaxial foron medidos mediante un probador de defectos de superficie (fabricante de equipos China Electronics A imaxe 3D caracterizouse por un sensor de radar (modelo Mars 4410 pro) de Kefenghua.
Hora de publicación: 04-09-2024