В настоящее время индустрия карбида кремния переходит от 150 мм (6 дюймов) к 200 мм (8 дюймов). Чтобы удовлетворить срочный спрос на крупногабаритные и высококачественные гомоэпитаксиальные пластины SiC в промышленности, 150 мм и 200 ммГомеэпитаксиальные пластины 4H-SiCбыли успешно изготовлены на отечественных подложках с использованием независимо разработанного оборудования для эпитаксиального выращивания SiC диаметром 200 мм. Был разработан гомоэпитаксиальный процесс, подходящий для толщины 150 мм и 200 мм, при котором скорость эпитаксиального роста может превышать 60 мкм/ч. Несмотря на высокоскоростную эпитаксию, качество эпитаксиальной пластины превосходное. Однородность толщины 150 мм и 200 мм.Эпитаксиальные пластины SiCможно контролировать в пределах 1,5%, однородность концентрации составляет менее 3%, плотность фатальных дефектов составляет менее 0,3 частиц/см2, среднеквадратичный Ra шероховатости эпитаксиальной поверхности составляет менее 0,15 нм, а все основные показатели процесса находятся на уровне передовой уровень отрасли.
Карбид кремния (SiC)является одним из представителей полупроводниковых материалов третьего поколения. Он обладает характеристиками высокой напряженности поля пробоя, отличной теплопроводности, большой скорости дрейфа насыщения электронов и сильной радиационной стойкости. Он значительно расширил возможности обработки энергии силовых устройств и может удовлетворить требования к обслуживанию силового электронного оборудования следующего поколения для устройств с высокой мощностью, небольшими размерами, высокой температурой, высоким уровнем излучения и другими экстремальными условиями. Это может уменьшить пространство, снизить энергопотребление и снизить требования к охлаждению. Он принес революционные изменения в транспортные средства на новых источниках энергии, железнодорожный транспорт, интеллектуальные сети и другие области. Таким образом, полупроводники карбида кремния стали признаны идеальным материалом, который станет лидером следующего поколения мощных электронных устройств. В последние годы, благодаря национальной политике поддержки развития полупроводниковой промышленности третьего поколения, в Китае были в основном завершены исследования, разработки и строительство системы производства устройств SiC диаметром 150 мм, а безопасность производственной цепочки была повышена. в основном было гарантировано. Поэтому фокус отрасли постепенно сместился на контроль затрат и повышение эффективности. Как показано в таблице 1, по сравнению с 150-мм карбид кремния толщиной 200 мм имеет более высокий коэффициент использования кромки, а выпуск одиночных пластин-чипов может быть увеличен примерно в 1,8 раза. После того, как технология станет зрелой, стоимость производства одного чипа может быть снижена на 30%. Технологический прорыв в 200 мм является прямым средством «снижения затрат и повышения эффективности», а также ключом к тому, чтобы полупроводниковая промышленность моей страны «шла параллельно» или даже «лидерствовала».
В отличие от процесса устройства Si,Полупроводниковые силовые устройства SiCвсе они обработаны и подготовлены с применением эпитаксиальных слоев в качестве краеугольного камня. Эпитаксиальные пластины являются важным базовым материалом для силовых устройств SiC. Качество эпитаксиального слоя напрямую определяет доходность устройства, а его стоимость составляет 20% стоимости изготовления чипа. Таким образом, эпитаксиальный рост является важным промежуточным звеном в силовых устройствах на основе SiC. Верхний предел уровня эпитаксиального процесса определяется эпитаксиальным оборудованием. В настоящее время степень локализации 150-мм эпитаксиального оборудования SiC в Китае относительно высока, но общая компоновка 200-мм эпитаксиального оборудования в то же время отстает от международного уровня. Поэтому, чтобы решить насущные потребности и узкие места крупногабаритного производства высококачественных эпитаксиальных материалов для развития отечественной полупроводниковой промышленности третьего поколения, в этой статье представлено 200-мм эпитаксиальное оборудование SiC, успешно разработанное в моей стране. и изучает эпитаксиальный процесс. За счет оптимизации параметров процесса, таких как температура процесса, скорость потока газа-носителя, соотношение C/Si и т. д., однородность концентрации <3%, неоднородность толщины <1,5%, шероховатость Ra <0,2 нм и плотность фатальных дефектов <0,3 зерен Получены эпитаксиальные пластины SiC толщиной 150 мм и 200 мм на см2 с помощью независимо разработанной эпитаксиальной печи карбида кремния диаметром 200 мм. Уровень технологического процесса оборудования может удовлетворить потребности в высококачественной подготовке силовых устройств SiC.
1 эксперимент
1.1 ПринципКарбид кремния эпитаксиальныйпроцесс
Процесс гомоэпитаксиального выращивания 4H-SiC в основном включает в себя два ключевых этапа, а именно: высокотемпературное травление подложки 4H-SiC на месте и процесс гомогенного химического осаждения из паровой фазы. Основной целью травления подложки на месте является удаление подповерхностных повреждений подложки после полировки пластины, остатков полирующей жидкости, частиц и оксидного слоя, а регулярная атомная ступенчатая структура может быть сформирована на поверхности подложки путем травления. Травление in-situ обычно проводят в атмосфере водорода. В соответствии с фактическими требованиями процесса также можно добавить небольшое количество вспомогательного газа, такого как хлористый водород, пропан, этилен или силан. Температура водородного травления на месте обычно превышает 1600 ℃, а давление в реакционной камере обычно контролируется ниже 2×104 Па во время процесса травления.
После того, как поверхность подложки активирована травлением на месте, она вступает в процесс высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы, то есть в качестве источника роста (например, этилен/пропан, ТКС/силан), источника легирования (источник легирования азота n-типа). , источник легирования ТМАл p-типа) и вспомогательный газ, такой как хлористый водород, транспортируются в реакционную камеру через большой поток газа-носителя (обычно водорода). После реакции газа в высокотемпературной реакционной камере часть прекурсора вступает в химическую реакцию и адсорбируется на поверхности пластины, и образуется монокристаллический однородный эпитаксиальный слой 4H-SiC с определенной концентрацией легирования, определенной толщиной и более высоким качеством. на поверхности подложки, используя в качестве шаблона монокристаллическую подложку 4H-SiC. После многих лет технических исследований гомоэпитаксиальная технология 4H-SiC в основном достигла зрелости и широко используется в промышленном производстве. Наиболее широко используемая в мире гомоэпитаксиальная технология 4H-SiC имеет две типичные характеристики:
(1) Используя внеосевую (относительно плоскости кристалла <0001>, в направлении кристалла <11-20>) косо разрезанную подложку в качестве шаблона, получают монокристаллический эпитаксиальный слой 4H-SiC высокой чистоты без примесей. наносится на подложку в виде ступенчато-поточного режима роста. Для раннего гомоэпитаксиального роста 4H-SiC использовалась положительная кристаллическая подложка, то есть плоскость <0001> Si для роста. Плотность атомных ступеней на поверхности положительной кристаллической подложки мала, террасы широкие. Двумерный рост зародышеобразования легко происходит в процессе эпитаксии с образованием кристалла 3C SiC (3C-SiC). Путем внеосевой резки на поверхность подложки 4H-SiC <0001> можно внедрить атомные ступени с высокой плотностью и узкой шириной террасы, а адсорбированный предшественник может эффективно достигать положения атомной ступени с относительно низкой поверхностной энергией за счет поверхностной диффузии. . На этом этапе положение связи атома-предшественника с молекулярной группой уникально, поэтому в режиме ступенчатого роста эпитаксиальный слой может идеально наследовать последовательность укладки двойного атомного слоя Si-C подложки, чтобы сформировать монокристалл с тем же кристаллом. фаза в качестве подложки.
2. Высокоскоростной эпитаксиальный рост достигается введением хлорсодержащего источника кремния. В традиционных системах химического осаждения SiC из паровой фазы основными источниками роста являются силан и пропан (или этилен). В процессе увеличения скорости роста за счет увеличения скорости потока источника роста, поскольку равновесное парциальное давление кремниевого компонента продолжает увеличиваться, легко образовывать кластеры кремния за счет гомогенного зародышеобразования в газовой фазе, что значительно снижает степень использования источник кремния. Образование кластеров кремния существенно ограничивает улучшение скорости эпитаксиального роста. В то же время кластеры кремния могут нарушать ступенчатый рост течения и вызывать зарождение дефектов. Чтобы избежать гомогенного зародышеобразования в газовой фазе и увеличить скорость эпитаксиального роста, внедрение источников кремния на основе хлора в настоящее время является основным методом увеличения скорости эпитаксиального роста 4H-SiC.
1.2 Эпитаксиальное оборудование SiC толщиной 200 мм (8 дюймов) и условия процесса
Все эксперименты, описанные в этой статье, проводились на совместимом монолитном горизонтальном эпитаксиальном оборудовании SiC с горячими стенками диаметром 150/200 мм (6/8 дюйма), независимо разработанном 48-м институтом Китайской корпорации Electronics Technology Group Corporation. Эпитаксиальная печь поддерживает полностью автоматическую загрузку и выгрузку пластин. На рис. 1 представлена принципиальная схема внутреннего устройства реакционной камеры эпитаксиального оборудования. Как показано на рисунке 1, внешняя стенка реакционной камеры представляет собой кварцевый колокол с водоохлаждаемым промежуточным слоем, а внутренняя часть колокола представляет собой высокотемпературную реакционную камеру, состоящую из теплоизоляционного углеродного войлока высокой чистоты. специальная графитовая полость, графитовое газоплавающее вращающееся основание и т. д. Весь кварцевый колпак покрыт цилиндрической индукционной катушкой, а реакционная камера внутри колпака нагревается электромагнитным путем с помощью индукционного источника питания средней частоты. Как показано на рисунке 1 (b), газ-носитель, реакционный газ и легирующий газ протекают через поверхность пластины в горизонтальном ламинарном потоке от входа реакционной камеры к выходу реакционной камеры и выводятся из хвостовой части. конец газа. Чтобы обеспечить однородность внутри пластины, пластина, переносимая воздушным плавающим основанием, всегда вращается во время процесса.
Подложка, используемая в эксперименте, представляет собой коммерческую двухстороннюю полированную подложку SiC из 4H-SiC n-типа из проводящего двустороннего полированного SiC <1120> в направлении под углом 4° и углом наклона 4°, произведенную Shanxi Shuoke Crystal. В качестве основных источников роста в технологическом эксперименте используются трихлорсилан (SiHCl3, TCS) и этилен (C2H4), среди которых TCS и C2H4 используются в качестве источника кремния и источника углерода соответственно, азот высокой чистоты (N2) используется в качестве н- типа источника легирования, а водород (H2) используется в качестве газа-разбавителя и газа-носителя. Диапазон температур эпитаксиального процесса составляет 1600 ~ 1660 ℃, давление процесса 8×103 ~12×103 Па, скорость потока газа-носителя H2 составляет 100～140 л/мин.
1.3 Испытание и характеристика эпитаксиальных пластин
Инфракрасный Фурье-спектрометр (производитель оборудования Thermalfisher, модель iS50) и ртутный зондовый концентрационный тестер (производитель оборудования Semilab, модель 530L) использовались для характеристики среднего значения и распределения толщины эпитаксиального слоя и концентрации легирующей примеси; Толщина и концентрация легирования каждой точки эпитаксиального слоя определялись путем взятия точек вдоль линии диаметра, пересекающей нормаль основного опорного края под углом 45° в центре пластины с удалением края 5 мм. Для пластины диаметром 150 мм снималось 9 точек по линии одного диаметра (два диаметра были перпендикулярны друг другу), а для пластины диаметром 200 мм — 21 точка, как показано на рисунке 2. Атомно-силовой микроскоп (производитель оборудования) Bruker, модель Dimension Icon) использовали для выбора областей размером 30×30 мкм в центральной области и краевой области (удаление края 5 мм) эпитаксиальной пластины для проверки шероховатости поверхности эпитаксиального слоя; дефекты эпитаксиального слоя измерялись с помощью тестера поверхностных дефектов (производитель оборудования China Electronics). 3D-визуализатор охарактеризовался радарным датчиком (модель Mars 4410 pro) от Kefenghua.
Время публикации: 04 сентября 2024 г.