Pada masa ini, industri SiC sedang berubah daripada 150 mm (6 inci) kepada 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan mendesak untuk wafer homoepitaxial SiC bersaiz besar dan berkualiti tinggi dalam industri, 150mm dan 200mmWafer homoepitaxial 4H-SiCtelah berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial 200mm SiC yang dibangunkan secara bebas. Proses homoepitaxial yang sesuai untuk 150mm dan 200mm telah dibangunkan, di mana kadar pertumbuhan epitaxial boleh melebihi 60um/j. Semasa memenuhi epitaksi berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaxial adalah sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mmwafer epitaxial SiCboleh dikawal dalam 1.5%, keseragaman kepekatan kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan maut adalah kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan akar kekasaran permukaan epitaxial min persegi Ra kurang daripada 0.15nm, dan semua penunjuk proses teras berada pada tahap maju industri.
Silikon Karbida (SiC)adalah salah satu wakil bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia mempunyai ciri-ciri kekuatan medan pecahan yang tinggi, kekonduksian terma yang sangat baik, halaju hanyut tepu elektron yang besar, dan rintangan sinaran yang kuat. Ia telah meluaskan kapasiti pemprosesan tenaga peranti kuasa dan boleh memenuhi keperluan perkhidmatan peralatan elektronik kuasa generasi akan datang untuk peranti dengan kuasa tinggi, saiz kecil, suhu tinggi, sinaran tinggi dan keadaan melampau yang lain. Ia boleh mengurangkan ruang, mengurangkan penggunaan kuasa dan mengurangkan keperluan penyejukan. Ia telah membawa perubahan revolusioner kepada kenderaan tenaga baharu, pengangkutan rel, grid pintar dan bidang lain. Oleh itu, semikonduktor silikon karbida telah diiktiraf sebagai bahan ideal yang akan menerajui peranti elektronik berkuasa tinggi generasi akan datang. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, terima kasih kepada sokongan dasar negara untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga, penyelidikan dan pembangunan serta pembinaan sistem industri peranti SiC 150 mm pada asasnya telah siap di China, dan keselamatan rantaian industri telah pada dasarnya telah dijamin. Oleh itu, tumpuan industri telah beralih secara beransur-ansur kepada kawalan kos dan peningkatan kecekapan. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, berbanding dengan 150 mm, 200 mm SiC mempunyai kadar penggunaan kelebihan yang lebih tinggi, dan output cip wafer tunggal boleh ditingkatkan sebanyak kira-kira 1.8 kali. Selepas teknologi matang, kos pembuatan satu cip boleh dikurangkan sebanyak 30%. Kejayaan teknologi 200 mm adalah cara langsung untuk "mengurangkan kos dan meningkatkan kecekapan", dan ia juga merupakan kunci bagi industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan selari" atau "memimpin".
Berbeza daripada proses peranti Si,Peranti kuasa semikonduktor SiCsemuanya diproses dan disediakan dengan lapisan epitaxial sebagai batu asas. Wafer epitaxial ialah bahan asas penting untuk peranti kuasa SiC. Kualiti lapisan epitaxial secara langsung menentukan hasil peranti, dan kosnya menyumbang 20% daripada kos pembuatan cip. Oleh itu, pertumbuhan epitaxial adalah pautan perantaraan penting dalam peranti kuasa SiC. Had atas tahap proses epitaxial ditentukan oleh peralatan epitaxial. Pada masa ini, tahap penyetempatan peralatan epitaxial 150mm SiC di China agak tinggi, tetapi susun atur keseluruhan 200mm ketinggalan di belakang peringkat antarabangsa pada masa yang sama. Oleh itu, untuk menyelesaikan keperluan mendesak dan masalah kesesakan pembuatan bahan epitaxial bersaiz besar dan berkualiti tinggi untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga domestik, kertas kerja ini memperkenalkan peralatan epitaxial 200 mm SiC yang berjaya dibangunkan di negara saya, dan mengkaji proses epitaxial. Dengan mengoptimumkan parameter proses seperti suhu proses, kadar aliran gas pembawa, nisbah C/Si, dsb., keseragaman kepekatan <3%, ketebalan tidak seragam <1.5%, kekasaran Ra <0.2 nm dan ketumpatan kecacatan maut <0.3 butir /cm2 daripada wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC dengan relau epitaxial silikon karbida 200 mm yang dibangunkan secara bebas diperolehi. Tahap proses peralatan boleh memenuhi keperluan penyediaan peranti kuasa SiC berkualiti tinggi.
1 Eksperimen
1.1 PrinsipSiC epitaxialproses
Proses pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC terutamanya merangkumi 2 langkah utama, iaitu, etsa in-situ suhu tinggi substrat 4H-SiC dan proses pemendapan wap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerosakan bawah permukaan substrat selepas penggilap wafer, cecair penggilap sisa, zarah dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom biasa boleh dibentuk pada permukaan substrat dengan mengetsa. Etsa in-situ biasanya dilakukan dalam suasana hidrogen. Mengikut keperluan proses sebenar, sejumlah kecil gas tambahan juga boleh ditambah, seperti hidrogen klorida, propana, etilena atau silane. Suhu etsa hidrogen in-situ biasanya melebihi 1 600 ℃, dan tekanan kebuk tindak balas biasanya dikawal di bawah 2×104 Pa semasa proses etsa.
Selepas permukaan substrat diaktifkan dengan etsa in-situ, ia memasuki proses pemendapan wap kimia suhu tinggi, iaitu sumber pertumbuhan (seperti etilena/propana, TCS/silane), sumber doping (sumber nitrogen jenis-n doping. , sumber doping p-jenis TMAl), dan gas tambahan seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang tindak balas melalui aliran besar gas pembawa (biasanya hidrogen). Selepas gas bertindak balas dalam ruang tindak balas suhu tinggi, sebahagian daripada prekursor bertindak balas secara kimia dan menjerap pada permukaan wafer, dan lapisan epitaxial 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan kepekatan doping tertentu, ketebalan khusus, dan kualiti yang lebih tinggi terbentuk. pada permukaan substrat menggunakan substrat 4H-SiC kristal tunggal sebagai templat. Selepas bertahun-tahun penerokaan teknikal, teknologi homoepitaxial 4H-SiC pada dasarnya telah matang dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran perindustrian. Teknologi homoepitaxial 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia mempunyai dua ciri tipikal:
(1) Menggunakan paksi luar (berbanding dengan satah kristal <0001>, ke arah <11-20> arah kristal) substrat potongan serong sebagai templat, lapisan epitaxial 4H-SiC kristal tunggal berketulenan tinggi tanpa kekotoran adalah didepositkan pada substrat dalam bentuk mod pertumbuhan aliran langkah. Pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC awal menggunakan substrat kristal positif, iaitu, satah <0001> Si untuk pertumbuhan. Ketumpatan langkah atom pada permukaan substrat hablur positif adalah rendah dan terasnya lebar. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah berlaku semasa proses epitaksi untuk membentuk kristal 3C SiC (3C-SiC). Dengan pemotongan luar paksi, langkah atom lebar teres bertumpatan tinggi dan sempit boleh diperkenalkan pada permukaan substrat 4H-SiC <0001>, dan prekursor terjerap boleh mencapai kedudukan langkah atom dengan tenaga permukaan yang agak rendah melalui penyebaran permukaan. . Pada langkah, kedudukan ikatan atom/kumpulan molekul prekursor adalah unik, jadi dalam mod pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaxial dengan sempurna boleh mewarisi urutan susunan lapisan atom dua Si-C substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan kristal yang sama. fasa sebagai substrat.
(2) Pertumbuhan epitaxial berkelajuan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandungi klorin. Dalam sistem pemendapan wap kimia SiC konvensional, silane dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses meningkatkan kadar pertumbuhan dengan meningkatkan kadar aliran sumber pertumbuhan, apabila tekanan separa keseimbangan komponen silikon terus meningkat, adalah mudah untuk membentuk gugusan silikon dengan nukleasi fasa gas homogen, yang mengurangkan kadar penggunaan dengan ketara. sumber silikon. Pembentukan gugusan silikon sangat mengehadkan peningkatan kadar pertumbuhan epitaxial. Pada masa yang sama, kelompok silikon boleh mengganggu pertumbuhan aliran langkah dan menyebabkan nukleasi kecacatan. Untuk mengelakkan nukleasi fasa gas homogen dan meningkatkan kadar pertumbuhan epitaxial, pengenalan sumber silikon berasaskan klorin kini merupakan kaedah arus perdana untuk meningkatkan kadar pertumbuhan epitaxial 4H-SiC.
1.2 200 mm (8-inci) peralatan epitaxial SiC dan keadaan proses
Eksperimen yang diterangkan dalam kertas ini semuanya dijalankan pada peralatan epitaxial SiC dinding panas mendatar monolitik serasi 150/200 mm (6/8 inci) yang dibangunkan secara bebas oleh Perbadanan Kumpulan Teknologi Elektronik Institut China ke-48. Relau epitaxial menyokong pemuatan dan pemunggahan wafer automatik sepenuhnya. Rajah 1 ialah gambarajah skema struktur dalaman ruang tindak balas peralatan epitaxial. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dinding luar ruang tindak balas adalah loceng kuarza dengan interlayer yang disejukkan dengan air, dan bahagian dalam loceng adalah ruang tindak balas suhu tinggi, yang terdiri daripada karbon penebat haba, ketulenan tinggi. rongga grafit khas, asas berputar terapung gas grafit, dll. Keseluruhan loceng kuarza ditutup dengan gegelung aruhan silinder, dan tindak balas ruang di dalam loceng dipanaskan secara elektromagnet oleh bekalan kuasa aruhan frekuensi sederhana. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), gas pembawa, gas tindak balas, dan gas doping semuanya mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar mendatar dari hulu kebuk tindak balas ke hilir kebuk tindak balas dan dilepaskan dari ekor. hujung gas. Untuk memastikan konsistensi dalam wafer, wafer yang dibawa oleh pangkalan terapung udara sentiasa diputar semasa proses.
Substrat yang digunakan dalam eksperimen ini ialah substrat SiC bergilap dua muka dua sisi konduktif 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> arah 4°luar sudut konduktif n-jenis 4H-SiC yang dihasilkan oleh Kristal Shanxi Shuoke. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) dan etilena (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam eksperimen proses, antaranya TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen ketulenan tinggi (N2) digunakan sebagai n- sumber doping jenis, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pencairan dan gas pembawa. Julat suhu proses epitaxial ialah 1 600 ~ 1 660 ℃, tekanan proses ialah 8×103 ~12×103 Pa, dan kadar aliran gas pembawa H2 ialah 100～140 L/min.
1.3 Ujian dan pencirian wafer epitaxial
Spektrometer inframerah Fourier (pengeluar peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji kepekatan probe merkuri (pengilang peralatan Semilab, model 530L) digunakan untuk mencirikan min dan taburan ketebalan lapisan epitaxial dan kepekatan doping; ketebalan dan kepekatan doping setiap titik dalam lapisan epitaxial ditentukan dengan mengambil titik sepanjang garis diameter yang bersilang dengan garis biasa tepi rujukan utama pada 45° di tengah wafer dengan penyingkiran tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, 9 titik diambil sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter berserenjang antara satu sama lain), dan untuk wafer 200 mm, 21 titik diambil, seperti ditunjukkan dalam Rajah 2. Mikroskop daya atom (pengilang peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakan untuk memilih kawasan 30 μm × 30 μm di kawasan tengah dan kawasan tepi (tepi 5 mm penyingkiran) wafer epitaxial untuk menguji kekasaran permukaan lapisan epitaxial; kecacatan lapisan epitaxial diukur menggunakan penguji kecacatan permukaan (pengeluar peralatan China Electronics Pengimej 3D dicirikan oleh sensor radar (model Mars 4410 pro) daripada Kefenghua.
Masa siaran: Sep-04-2024