În prezent, industria SiC se transformă de la 150 mm (6 inchi) la 200 mm (8 inchi). Pentru a satisface cererea urgentă de napolitane homoepitaxiale SiC de dimensiuni mari și de înaltă calitate în industrie, 150 mm și 200 mmPlachete homoepitaxiale 4H-SiCau fost preparate cu succes pe substraturi domestice folosind echipamentul de creștere epitaxială SiC de 200 mm dezvoltat independent. A fost dezvoltat un proces homoepitaxial potrivit pentru 150mm și 200mm, în care rata de creștere epitaxială poate fi mai mare de 60um/h. În timp ce îndeplinește epitaxia de mare viteză, calitatea plachetei epitaxiale este excelentă. Uniformitatea grosimii de 150 mm și 200 mmPlaci epitaxiale de SiCpoate fi controlată cu 1,5%, uniformitatea concentrației este mai mică de 3%, densitatea defectului fatal este mai mică de 0,3 particule/cm2, iar pătratul mediu al rugozității suprafeței epitaxiale Ra este mai mic de 0,15 nm și toți indicatorii de proces de bază sunt la nivelul avansat al industriei.
Carbură de siliciu (SiC)este unul dintre reprezentanții materialelor semiconductoare de a treia generație. Are caracteristici de intensitate mare a câmpului de defalcare, conductivitate termică excelentă, viteză mare de saturație a electronilor și rezistență puternică la radiații. A extins foarte mult capacitatea de procesare a energiei a dispozitivelor de putere și poate îndeplini cerințele de service ale următoarei generații de echipamente electronice de putere pentru dispozitive cu putere mare, dimensiuni mici, temperatură ridicată, radiații ridicate și alte condiții extreme. Poate reduce spațiul, reduce consumul de energie și reduce cerințele de răcire. A adus schimbări revoluționare în vehiculele cu energie nouă, transportul feroviar, rețelele inteligente și alte domenii. Prin urmare, semiconductorii cu carbură de siliciu au devenit recunoscuți ca materialul ideal care va conduce următoarea generație de dispozitive electronice de mare putere. În ultimii ani, datorită sprijinului politicii naționale pentru dezvoltarea industriei de semiconductori de a treia generație, cercetarea, dezvoltarea și construcția sistemului industrial de dispozitive SiC de 150 mm au fost practic finalizate în China, iar securitatea lanțului industrial a fost finalizată. a fost practic garantat. Prin urmare, accentul industriei s-a mutat treptat către controlul costurilor și îmbunătățirea eficienței. După cum se arată în Tabelul 1, în comparație cu 150 mm, 200 mm SiC are o rată de utilizare a marginilor mai mare, iar producția de cipuri simple wafer poate fi crescută de aproximativ 1,8 ori. După ce tehnologia se maturizează, costul de producție al unui singur cip poate fi redus cu 30%. Revoluția tehnologică de 200 mm este un mijloc direct de „reducere a costurilor și creștere a eficienței”, și este, de asemenea, cheia pentru ca industria semiconductoarelor din țara mea să „meargă în paralel” sau chiar să „conducă”.
Diferit de procesul dispozitivului Si,Dispozitive de putere cu semiconductor SiCtoate sunt prelucrate și pregătite cu straturi epitaxiale ca piatră de temelie. Placile epitaxiale sunt materiale de bază esențiale pentru dispozitivele de putere SiC. Calitatea stratului epitaxial determină în mod direct randamentul dispozitivului, iar costul acestuia reprezintă 20% din costul de fabricație a cipului. Prin urmare, creșterea epitaxială este o legătură intermediară esențială în dispozitivele de putere SiC. Limita superioară a nivelului procesului epitaxial este determinată de echipamentul epitaxial. În prezent, gradul de localizare a echipamentului epitaxial SiC de 150 mm în China este relativ ridicat, dar aspectul general de 200 mm rămâne în urmă la nivel internațional, în același timp. Prin urmare, pentru a rezolva nevoile urgente și problemele de blocaj ale producției de materiale epitaxiale de dimensiuni mari și de înaltă calitate pentru dezvoltarea industriei interne de semiconductori de a treia generație, această lucrare prezintă echipamentul epitaxial SiC de 200 mm dezvoltat cu succes în țara mea, și studiază procesul epitaxial. Prin optimizarea parametrilor procesului, cum ar fi temperatura procesului, debitul gazului purtător, raportul C/Si etc., uniformitatea concentrației <3%, neuniformitatea grosimii <1,5%, rugozitatea Ra <0,2 nm și densitatea defectului fatal <0,3 boabe /cm2 de plachete epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm cu cuptor epitaxial de carbură de siliciu de 200 mm dezvoltat independent sunt obtinut. Nivelul de proces al echipamentului poate satisface nevoile de pregătire a dispozitivelor de putere SiC de înaltă calitate.
1 Experiment
1.1 PrincipiulSiC epitaxialproces
Procesul de creștere homoepitaxială 4H-SiC include în principal 2 pași cheie, și anume, gravarea in situ la temperatură înaltă a substratului 4H-SiC și procesul de depunere chimică omogenă în vapori. Scopul principal al gravării in-situ a substratului este de a elimina deteriorarea de sub suprafață a substratului după lustruirea plachetelor, lichidul de lustruire rezidual, particulele și stratul de oxid, iar pe suprafața substratului se poate forma o structură atomică obișnuită prin gravare. Gravarea in situ este de obicei efectuată într-o atmosferă de hidrogen. În conformitate cu cerințele actuale ale procesului, se poate adăuga și o cantitate mică de gaz auxiliar, cum ar fi acid clorhidric, propan, etilenă sau silan. Temperatura de gravare in situ cu hidrogen este în general peste 1 600 ℃, iar presiunea camerei de reacție este în general controlată sub 2 x 104 Pa în timpul procesului de gravare.
După ce suprafața substratului este activată prin gravare in situ, aceasta intră în procesul de depunere chimică în vapori la temperatură înaltă, adică sursa de creștere (cum ar fi etilenă/propan, TCS/silan), sursa de dopaj (sursa de dopaj de tip n azot). , sursa de dopaj de tip p TMAl) și gazul auxiliar, cum ar fi clorura de hidrogen, sunt transportate în camera de reacție printr-un flux mare de gaz purtător (de obicei hidrogen). După ce gazul reacționează în camera de reacție la temperatură înaltă, o parte a precursorului reacționează chimic și se adsorbe pe suprafața plachetei și se formează un strat epitaxial omogen 4H-SiC monocristal, cu o concentrație specifică de dopaj, grosime specifică și calitate superioară. pe suprafața substratului folosind substratul monocristal 4H-SiC ca șablon. După ani de explorări tehnice, tehnologia homoepitaxială 4H-SiC sa maturizat practic și este utilizată pe scară largă în producția industrială. Cea mai utilizată tehnologie homoepitaxială 4H-SiC din lume are două caracteristici tipice:
(1) Folosind ca șablon un substrat tăiat oblic (față de planul cristalin <0001>, spre direcția cristalului <11-20>), un strat epitaxial 4H-SiC monocristal de înaltă puritate fără impurități este depuse pe substrat sub forma unui mod de creștere în trepte. Creșterea homoepitaxială timpurie 4H-SiC a folosit un substrat de cristal pozitiv, adică planul <0001> Si pentru creștere. Densitatea treptelor atomice pe suprafața substratului de cristal pozitiv este scăzută, iar terasele sunt largi. Creșterea bidimensională a nucleației este ușor să apară în timpul procesului de epitaxie pentru a forma SiC cristalin 3C (3C-SiC). Prin tăierea în afara axei, pe suprafața substratului 4H-SiC <0001> pot fi introduși trepte atomice de înaltă densitate, cu lățime de terasă îngustă, iar precursorul adsorbit poate ajunge efectiv la poziția de treaptă atomică cu energie de suprafață relativ scăzută prin difuzie la suprafață . La pas, poziția de legare a atomului precursor/grupului molecular este unică, astfel încât în modul de creștere a fluxului în trepte, stratul epitaxial poate moșteni perfect secvența de stivuire a stratului atomic dublu Si-C a substratului pentru a forma un singur cristal cu același cristal. faza ca substrat.
(2) Creșterea epitaxială de mare viteză se realizează prin introducerea unei surse de siliciu care conține clor. În sistemele convenționale de depunere chimică în vapori SiC, silanul și propanul (sau etilena) sunt principalele surse de creștere. În procesul de creștere a ratei de creștere prin creșterea debitului sursei de creștere, pe măsură ce presiunea parțială de echilibru a componentei de siliciu continuă să crească, este ușor să se formeze clustere de siliciu prin nucleare omogenă în fază gazoasă, ceea ce reduce semnificativ rata de utilizare a sursa de siliciu. Formarea clusterelor de siliciu limitează foarte mult îmbunătățirea ratei de creștere epitaxiale. În același timp, clusterele de siliciu pot perturba creșterea fluxului în trepte și pot provoca nuclearea defectelor. Pentru a evita nuclearea omogenă în fază gazoasă și pentru a crește rata de creștere epitaxială, introducerea surselor de siliciu pe bază de clor este în prezent metoda principală de creștere a ratei de creștere epitaxiale a 4H-SiC.
1.2 Echipament epitaxial SiC de 200 mm (8 inchi) și condiții de proces
Experimentele descrise în această lucrare au fost toate efectuate pe un echipament epitaxial SiC cu perete fierbinte orizontal monolit compatibil de 150/200 mm (6/8 inchi), dezvoltat independent de Institutul 48 din China Electronics Technology Group Corporation. Cuptorul epitaxial acceptă încărcarea și descărcarea complet automată a plachetelor. Figura 1 este o diagramă schematică a structurii interne a camerei de reacție a echipamentului epitaxial. După cum se arată în figura 1, peretele exterior al camerei de reacție este un clopot de cuarț cu un strat intermediar răcit cu apă, iar interiorul clopotului este o cameră de reacție la temperatură înaltă, care este compusă din pâslă de carbon izolatoare termică, de înaltă puritate. cavitate specială din grafit, bază rotativă plutitoare cu gaz de grafit etc. Întregul clopot de cuarț este acoperit cu o bobină de inducție cilindrică, iar reacția camera din interiorul clopotului este încălzită electromagnetic cu o sursă de alimentare cu inducție de frecvență medie. După cum se arată în Figura 1 (b), gazul purtător, gazul de reacție și gazul dopant curg toate prin suprafața plachetei într-un flux laminar orizontal din amonte de camera de reacție în aval de camera de reacție și sunt descărcate din coadă. capăt de gaz. Pentru a asigura consistența în plachetă, napolitana transportată de baza plutitoare cu aer este întotdeauna rotită în timpul procesului.
Substratul utilizat în experiment este un substrat SiC lustruit cu două fețe, 4H-SiC, conductiv de tip n, cu direcție <1120> de 150 mm, 200 mm (6 inchi, 8 inchi) produs de Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilanul (SiHCl3, TCS) și etilena (C2H4) sunt utilizate ca surse principale de creștere în experimentul de proces, printre care TCS și C2H4 sunt utilizate ca sursă de siliciu și, respectiv, sursă de carbon, azotul de înaltă puritate (N2) este utilizat ca n- tip sursă de dopaj, iar hidrogenul (H2) este utilizat ca gaz de diluție și gaz purtător. Intervalul de temperatură al procesului epitaxial este de 1 600 ~ 1 660 ℃, presiunea procesului este de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, iar debitul de gaz purtător H2 este de 100 ~ 140 L/min.
1.3 Testarea și caracterizarea plachetelor epitaxiale
Spectrometrul cu infraroșu Fourier (producător de echipamente Thermalfisher, model iS50) și tester de concentrație a sondei de mercur (producător de echipamente Semilab, model 530L) au fost utilizate pentru a caracteriza media și distribuția grosimii stratului epitaxial și concentrația de dopaj; grosimea și concentrația de dopaj a fiecărui punct din stratul epitaxial au fost determinate prin luarea punctelor de-a lungul liniei de diametru care intersectează linia normală a marginii principale de referință la 45° la centrul plachetei cu îndepărtarea marginii de 5 mm. Pentru o napolitană de 150 mm, 9 puncte au fost luate de-a lungul unei singure linii de diametru (două diametre au fost perpendiculare unul pe celălalt), iar pentru o napolitană de 200 mm, au fost luate 21 de puncte, așa cum se arată în Figura 2. Un microscop cu forță atomică (producător de echipament). Bruker, model Dimension Icon) a fost folosit pentru a selecta zone de 30 μm × 30 μm în zona centrală și zona de margine (eliminarea marginii de 5 mm) a plachetă epitaxială pentru a testa rugozitatea suprafeței stratului epitaxial; defectele stratului epitaxial au fost măsurate cu ajutorul unui tester de defecte de suprafață (producător de echipamente China Electronics) Imagerul 3D a fost caracterizat de un senzor radar (modelul Mars 4410 pro) de la Kefenghua.
Ora postării: 04-sept. 2024