Saat ini, industri SiC sedang bertransformasi dari 150 mm (6 inci) menjadi 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan mendesak akan wafer homoepitaxial SiC berukuran besar dan berkualitas tinggi di industri, 150mm dan 200mmWafer homoepitaksial 4H-SiCberhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksi SiC 200mm yang dikembangkan secara independen. Proses homoepitaksial yang cocok untuk 150mm dan 200mm dikembangkan, di mana laju pertumbuhan epitaksi bisa lebih besar dari 60um/jam. Meskipun memenuhi epitaksi berkecepatan tinggi, kualitas wafer epitaksi sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mmwafer epitaksi SiCdapat dikontrol dalam 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kepadatan cacat fatal kurang dari 0,3 partikel/cm2, dan kekasaran permukaan epitaksi akar kuadrat rata-rata Ra kurang dari 0,15nm, dan semua indikator proses inti berada pada tingkat industri yang maju.
Silikon Karbida (SiC)adalah salah satu perwakilan dari bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia memiliki karakteristik kekuatan medan tembus yang tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, kecepatan penyimpangan saturasi elektron yang besar, dan ketahanan radiasi yang kuat. Ini telah sangat memperluas kapasitas pemrosesan energi perangkat listrik dan dapat memenuhi persyaratan layanan peralatan elektronik daya generasi berikutnya untuk perangkat dengan daya tinggi, ukuran kecil, suhu tinggi, radiasi tinggi, dan kondisi ekstrem lainnya. Hal ini dapat mengurangi ruang, mengurangi konsumsi daya, dan mengurangi kebutuhan pendinginan. Hal ini telah membawa perubahan revolusioner pada kendaraan energi baru, transportasi kereta api, jaringan pintar dan bidang lainnya. Oleh karena itu, semikonduktor silikon karbida telah diakui sebagai bahan ideal yang akan memimpin generasi berikutnya perangkat elektronik berdaya tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, berkat dukungan kebijakan nasional untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga, penelitian dan pengembangan serta konstruksi sistem industri perangkat SiC 150 mm pada dasarnya telah selesai di Tiongkok, dan keamanan rantai industri telah meningkat. pada dasarnya sudah terjamin. Oleh karena itu, fokus industri secara bertahap beralih ke pengendalian biaya dan peningkatan efisiensi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, dibandingkan dengan 150 mm, SiC 200 mm memiliki tingkat pemanfaatan tepi yang lebih tinggi, dan keluaran chip wafer tunggal dapat ditingkatkan sekitar 1,8 kali lipat. Setelah teknologinya matang, biaya produksi satu chip dapat dikurangi hingga 30%. Terobosan teknologi 200 mm merupakan cara langsung untuk "mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi", dan juga merupakan kunci bagi industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan paralel" atau bahkan "memimpin".
Berbeda dengan proses perangkat Si,Perangkat daya semikonduktor SiCsemuanya diproses dan disiapkan dengan lapisan epitaksi sebagai landasannya. Wafer epitaksi adalah bahan dasar penting untuk perangkat daya SiC. Kualitas lapisan epitaksi secara langsung menentukan hasil perangkat, dan biayanya menyumbang 20% dari biaya produksi chip. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaksi merupakan penghubung penting dalam perangkat daya SiC. Batas atas tingkat proses epitaksi ditentukan oleh peralatan epitaksi. Saat ini, tingkat lokalisasi peralatan epitaksi SiC 150 mm di Tiongkok relatif tinggi, tetapi tata letak keseluruhan 200 mm masih tertinggal dari tingkat internasional. Oleh karena itu, untuk mengatasi kebutuhan mendesak dan masalah kemacetan pembuatan bahan epitaksi berukuran besar dan berkualitas tinggi untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga dalam negeri, makalah ini memperkenalkan peralatan epitaksi SiC 200 mm yang berhasil dikembangkan di negara saya, dan mempelajari proses epitaksial. Dengan mengoptimalkan parameter proses seperti suhu proses, laju aliran gas pembawa, rasio C/Si, dll., keseragaman konsentrasi <3%, ketidakseragaman ketebalan <1,5%, kekasaran Ra <0,2 nm dan kepadatan cacat fatal <0,3 butir /cm2 wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm dengan tungku epitaksi silikon karbida 200 mm yang dikembangkan secara independen. Tingkat proses peralatan dapat memenuhi kebutuhan persiapan perangkat daya SiC berkualitas tinggi.
1 Eksperimen
1.1 Prinsipepitaksi SiCproses
Proses pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC terutama mencakup 2 langkah utama, yaitu, etsa in-situ suhu tinggi pada substrat 4H-SiC dan proses deposisi uap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerusakan bawah permukaan substrat setelah pemolesan wafer, sisa cairan pemoles, partikel dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom teratur dapat dibentuk pada permukaan substrat dengan etsa. Pengetsaan in-situ biasanya dilakukan dalam atmosfer hidrogen. Sesuai dengan persyaratan proses sebenarnya, sejumlah kecil gas tambahan juga dapat ditambahkan, seperti hidrogen klorida, propana, etilen, atau silan. Suhu etsa hidrogen in-situ umumnya di atas 1.600 ℃, dan tekanan ruang reaksi umumnya dikontrol di bawah 2×104 Pa selama proses etsa.
Setelah permukaan substrat diaktifkan dengan etsa in-situ, ia memasuki proses pengendapan uap kimia bersuhu tinggi, yaitu sumber pertumbuhan (seperti etilen/propana, TCS/silana), sumber doping (sumber doping tipe-n nitrogen , sumber doping tipe-p (TMAl), dan gas tambahan seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang reaksi melalui aliran besar gas pembawa (biasanya hidrogen). Setelah gas bereaksi dalam ruang reaksi suhu tinggi, bagian dari prekursor bereaksi secara kimia dan teradsorpsi pada permukaan wafer, dan lapisan epitaksi 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan konsentrasi doping spesifik, ketebalan spesifik, dan kualitas lebih tinggi terbentuk. pada permukaan substrat menggunakan substrat kristal tunggal 4H-SiC sebagai templat. Setelah bertahun-tahun melakukan eksplorasi teknis, teknologi homoepitaksial 4H-SiC pada dasarnya telah matang dan banyak digunakan dalam produksi industri. Teknologi homoepitaksial 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia memiliki dua karakteristik khas:
(1) Menggunakan substrat potongan miring (relatif terhadap bidang kristal <0001>, menuju arah kristal <11-20>) sebagai templat, lapisan epitaksi 4H-SiC kristal tunggal dengan kemurnian tinggi tanpa pengotor adalah diendapkan pada substrat dalam bentuk mode pertumbuhan aliran bertahap. Pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC awal menggunakan substrat kristal positif, yaitu bidang <0001> Si untuk pertumbuhan. Kepadatan langkah atom pada permukaan substrat kristal positif rendah dan terasnya lebar. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah terjadi selama proses epitaksi membentuk kristal 3C SiC (3C-SiC). Dengan pemotongan di luar sumbu, langkah atom dengan kepadatan tinggi dan lebar teras sempit dapat dimasukkan pada permukaan substrat 4H-SiC <0001>, dan prekursor yang teradsorpsi dapat secara efektif mencapai posisi langkah atom dengan energi permukaan yang relatif rendah melalui difusi permukaan . Pada tahap tersebut, posisi ikatan atom/gugus molekul prekursor adalah unik, sehingga dalam mode pertumbuhan aliran bertahap, lapisan epitaksial dapat dengan sempurna mewarisi urutan susunan lapisan atom ganda Si-C dari substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan kristal yang sama. fase sebagai substrat.
(2) Pertumbuhan epitaksi berkecepatan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandung klor. Dalam sistem deposisi uap kimia SiC konvensional, silan dan propana (atau etilen) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses meningkatkan laju pertumbuhan dengan meningkatkan laju aliran sumber pertumbuhan, karena tekanan parsial kesetimbangan komponen silikon terus meningkat, gugus silikon mudah terbentuk melalui nukleasi fase gas homogen, yang secara signifikan mengurangi tingkat pemanfaatan komponen silikon. sumber silikon. Pembentukan cluster silikon sangat membatasi peningkatan laju pertumbuhan epitaksial. Pada saat yang sama, cluster silikon dapat mengganggu pertumbuhan aliran bertahap dan menyebabkan cacat nukleasi. Untuk menghindari nukleasi fase gas homogen dan meningkatkan laju pertumbuhan epitaksi, pengenalan sumber silikon berbasis klorin saat ini menjadi metode utama untuk meningkatkan laju pertumbuhan epitaksi 4H-SiC.
Peralatan epitaksi SiC 1,2 200 mm (8 inci) dan kondisi proses
Eksperimen yang dijelaskan dalam makalah ini semuanya dilakukan pada peralatan epitaksi SiC dinding panas horizontal monolitik kompatibel 150/200 mm (6/8 inci) yang dikembangkan secara independen oleh Institut ke-48 China Electronics Technology Group Corporation. Tungku epitaksi mendukung pemuatan dan pembongkaran wafer yang sepenuhnya otomatis. Gambar 1 adalah diagram skema struktur internal ruang reaksi peralatan epitaksi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dinding luar ruang reaksi adalah bel kuarsa dengan lapisan berpendingin air, dan bagian dalam bel adalah ruang reaksi suhu tinggi, yang terdiri dari bahan karbon isolasi termal, kemurnian tinggi rongga grafit khusus, alas berputar mengambang gas grafit, dll. Seluruh bel kuarsa ditutupi dengan kumparan induksi silinder, dan ruang reaksi di dalam bel dipanaskan secara elektromagnetik oleh catu daya induksi frekuensi menengah. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 (b), gas pembawa, gas reaksi, dan gas doping semuanya mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar horizontal dari hulu ruang reaksi ke hilir ruang reaksi dan dibuang dari bagian ekor. ujung gas. Untuk memastikan konsistensi di dalam wafer, wafer yang dibawa oleh pangkalan terapung udara selalu diputar selama proses berlangsung.
Substrat yang digunakan dalam percobaan ini adalah substrat SiC poles dua sisi 4H-SiC konduktif tipe-n 4H-SiC dua sisi konduktif arah 4°off-angle yang diproduksi oleh Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) dan etilen (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam percobaan proses, di antaranya TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen (N2) dengan kemurnian tinggi digunakan sebagai n- jenis sumber doping, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pengencer dan gas pembawa. Kisaran suhu proses epitaksi adalah 1 600 ~1 660 ℃, tekanan proses adalah 8×103 ~12×103 Pa, dan laju aliran gas pembawa H2 adalah 100～140 L/mnt.
1.3 Pengujian dan karakterisasi wafer epitaksi
Spektrometer inframerah Fourier (produsen peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji konsentrasi probe merkuri (produsen peralatan Semilab, model 530L) digunakan untuk mengkarakterisasi rata-rata dan distribusi ketebalan lapisan epitaksi dan konsentrasi doping; ketebalan dan konsentrasi doping setiap titik pada lapisan epitaksial ditentukan dengan mengambil titik-titik sepanjang garis diameter yang memotong garis normal tepi referensi utama pada 45° di tengah wafer dengan penghilangan tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, diambil 9 titik sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter tegak lurus satu sama lain), dan untuk wafer 200 mm, diambil 21 titik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Mikroskop gaya atom (produsen peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakan untuk memilih area 30 μm×30 μm di area tengah dan area tepi (penghilangan tepi 5 mm) wafer epitaksi untuk menguji kekasaran permukaan wafer lapisan epitaksi; cacat pada lapisan epitaksi diukur menggunakan penguji cacat permukaan (produsen peralatan China Electronics Pencitra 3D dikarakterisasi dengan sensor radar (model Mars 4410 pro) dari Kefenghua.
Waktu posting: 04-Sep-2024