För närvarande förändras SiC-industrin från 150 mm (6 tum) till 200 mm (8 tum). För att möta den akuta efterfrågan på stora, högkvalitativa SiC homeepitaxialwafers i industrin, 150 mm och 200 mm4H-SiC homoepitaxial wafersbereddes framgångsrikt på hushållssubstrat med hjälp av den oberoende utvecklade 200 mm SiC epitaxiella tillväxtutrustningen. En homoepitaxiell process lämplig för 150 mm och 200 mm utvecklades, där den epitaxiella tillväxthastigheten kan vara större än 60 um/h. Samtidigt som den möter höghastighetsepitaxi är den epitaxiella waferkvaliteten utmärkt. Tjocklekens enhetlighet på 150 mm och 200 mmSiC epitaxiella waferskan kontrolleras inom 1,5 %, koncentrationslikformigheten är mindre än 3 %, densiteten för dödlig defekt är mindre än 0,3 partiklar/cm2, och den epitaxiella ytråhetens rotmedelvärde Ra är mindre än 0,15 nm, och alla kärnprocessindikatorer är på branschens avancerade nivå.
Kiselkarbid (SiC)är en av representanterna för tredje generationens halvledarmaterial. Den har egenskaperna för hög nedbrytningsfältstyrka, utmärkt värmeledningsförmåga, stor elektronmättnadsdrifthastighet och starkt strålningsmotstånd. Det har kraftigt utökat energibearbetningskapaciteten för kraftenheter och kan uppfylla servicekraven för nästa generations kraftelektronikutrustning för enheter med hög effekt, liten storlek, hög temperatur, hög strålning och andra extrema förhållanden. Det kan minska utrymmet, minska strömförbrukningen och minska kylbehovet. Det har medfört revolutionerande förändringar för nya energifordon, järnvägstransporter, smarta nät och andra områden. Därför har halvledare av kiselkarbid blivit erkända som det idealiska materialet som kommer att leda nästa generation av elektroniska enheter med hög effekt. Under de senaste åren, tack vare det nationella politiska stödet för utvecklingen av tredje generationens halvledarindustri, har forskningen och utvecklingen och konstruktionen av 150 mm SiC-enhetsindustrisystemet i princip slutförts i Kina, och säkerheten för industrikedjan har varit i princip garanterad. Därför har branschens fokus gradvis flyttats till kostnadskontroll och effektivitetsförbättring. Som visas i Tabell 1, jämfört med 150 mm, har 200 mm SiC en högre kantutnyttjandegrad, och uteffekten av enstaka waferchips kan ökas med cirka 1,8 gånger. Efter att tekniken mognar kan tillverkningskostnaden för ett enda chip minskas med 30 %. Det tekniska genombrottet på 200 mm är ett direkt sätt att "minska kostnader och öka effektiviteten", och det är också nyckeln för mitt lands halvledarindustri att "köra parallellt" eller till och med "leda".
Till skillnad från Si-enhetsprocessen,SiC-halvledarkraftenheterär alla bearbetade och preparerade med epitaxiella lager som hörnsten. Epitaxiella wafers är viktiga grundmaterial för SiC-kraftenheter. Kvaliteten på det epitaxiella lagret bestämmer direkt enhetens utbyte, och dess kostnad står för 20% av chiptillverkningskostnaden. Därför är epitaxiell tillväxt en viktig mellanlänk i SiC-kraftenheter. Den övre gränsen för epitaxiell processnivå bestäms av epitaxiell utrustning. För närvarande är lokaliseringsgraden för 150 mm SiC epitaxiell utrustning i Kina relativt hög, men den övergripande layouten på 200 mm släpar efter den internationella nivån samtidigt. Därför, för att lösa de akuta behoven och flaskhalsproblemen vid tillverkning av epitaxialt material av stor storlek, högkvalitativt för utvecklingen av den inhemska tredje generationens halvledarindustri, introducerar denna uppsats den 200 mm SiC epitaxiella utrustningen som framgångsrikt utvecklats i mitt land, och studerar den epitaxiella processen. Genom att optimera processparametrarna såsom processtemperatur, bärgasflöde, C/Si-förhållande, etc., koncentrationslikformighet <3%, tjockleksojämnhet <1,5%, grovhet Ra <0,2 nm och fatal defektdensitet <0,3 korn /cm2 av 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers med oberoende utvecklade 200 mm kiselkarbid epitaxial ugn erhålls. Utrustningsprocessnivån kan möta behoven av högkvalitativ SiC-kraftenhetsförberedelse.
1 Experiment
1.1 Principen förSiC epitaxiellbehandla
4H-SiC homoepitaxial tillväxtprocess inkluderar huvudsakligen 2 nyckelsteg, nämligen högtemperatur in-situ etsning av 4H-SiC substrat och homogen kemisk ångavsättningsprocess. Huvudsyftet med substrat in-situ etsning är att ta bort substratets skada under ytan efter waferpolering, kvarvarande polervätska, partiklar och oxidskikt, och en regelbunden atomär stegstruktur kan bildas på substratytan genom etsning. Etsning på plats utförs vanligtvis i en väteatmosfär. Enligt de faktiska processkraven kan även en liten mängd hjälpgas tillsättas, såsom väteklorid, propan, eten eller silan. Temperaturen för in-situ väteetsning är i allmänhet över 1 600 ℃, och trycket i reaktionskammaren kontrolleras i allmänhet under 2×104 Pa under etsningsprocessen.
Efter att substratytan har aktiverats genom in-situ etsning, går den in i den kemiska ångavsättningsprocessen vid hög temperatur, det vill säga tillväxtkällan (såsom eten/propan, TCS/silan), dopningskälla (n-typ dopningskälla kväve). p-typ dopningskälla TMAl), och hjälpgas såsom väteklorid transporteras till reaktionskammaren genom ett stort flöde av bärargas (vanligtvis väte). Efter att gasen reagerat i högtemperaturreaktionskammaren reagerar en del av prekursorn kemiskt och adsorberas på waferns yta, och ett enkristalligt homogent 4H-SiC epitaxiellt skikt med en specifik dopningskoncentration, specifik tjocklek och högre kvalitet bildas. på substratytan med användning av enkristall 4H-SiC-substratet som mall. Efter år av teknisk utforskning har 4H-SiC-homepitaxialteknologin i princip mognat och används i stor utsträckning i industriell produktion. Den mest använda 4H-SiC homeepitaxialteknologin i världen har två typiska egenskaper:
(1) Med användning av ett snedskuret substrat (i förhållande till <0001> kristallplanet, mot <11-20> kristallriktningen) som mall, är ett högrent enkristall 4H-SiC epitaxiellt skikt utan föroreningar avsatt på substratet i form av steg-flödes-tillväxtläge. Tidig 4H-SiC homoepitaxiell tillväxt använde ett positivt kristallsubstrat, det vill säga <0001> Si-planet för tillväxt. Tätheten av atomära steg på ytan av det positiva kristallsubstratet är låg och terrasserna är breda. Tvådimensionell kärnbildningstillväxt är lätt att inträffa under epitaxiprocessen för att bilda 3C-kristall SiC (3C-SiC). Genom skärning utanför axeln kan atomsteg med hög densitet, smal terrassbredd införas på ytan av 4H-SiC <0001>-substratet, och den adsorberade prekursorn kan effektivt nå atomstegspositionen med relativt låg ytenergi genom ytdiffusion . Vid steget är bindningspositionen för prekursoratom/molekylgrupp unik, så i stegflödestillväxtläget kan det epitaxiala lagret perfekt ärva substratets Si-C-dubbla atomlagers staplingssekvens för att bilda en enkelkristall med samma kristall fas som substrat.
(2) Höghastighets epitaxiell tillväxt uppnås genom att införa en klorhaltig kiselkälla. I konventionella SiC-kemiska ångavsättningssystem är silan och propan (eller eten) de huvudsakliga tillväxtkällorna. I processen att öka tillväxthastigheten genom att öka tillväxtkällans flödeshastighet, när jämviktspartialtrycket för kiselkomponenten fortsätter att öka, är det lätt att bilda kiselkluster genom homogen gasfaskärnbildning, vilket avsevärt minskar utnyttjandegraden av kiselkälla. Bildandet av kiselkluster begränsar kraftigt förbättringen av den epitaxiella tillväxthastigheten. Samtidigt kan kiselkluster störa stegflödestillväxten och orsaka defekt kärnbildning. För att undvika homogen gasfaskärnbildning och öka den epitaxiella tillväxthastigheten, är införandet av klorbaserade kiselkällor för närvarande den vanliga metoden för att öka den epitaxiella tillväxthastigheten för 4H-SiC.
1,2 200 mm (8-tum) SiC epitaxiell utrustning och processförhållanden
Experimenten som beskrivs i denna uppsats utfördes alla på en 150/200 mm (6/8-tum) kompatibel monolitisk horisontell varmvägg SiC epitaxial utrustning oberoende utvecklad av 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Den epitaxiella ugnen stöder helautomatisk waferladdning och lossning. Figur 1 är ett schematiskt diagram av den inre strukturen av reaktionskammaren i den epitaxiella utrustningen. Som visas i figur 1 är reaktionskammarens yttervägg en kvartsklocka med ett vattenkylt mellanskikt, och insidan av klockan är en högtemperaturreaktionskammare, som är sammansatt av värmeisolerande kolfilt, hög renhet speciell grafithålighet, grafitgas-flytande roterande bas, etc. Hela kvartsklockan är täckt med en cylindrisk induktionsspole, och reaktionskammaren inuti klockan värms upp elektromagnetiskt av en medelfrekvent induktionsströmkälla. Såsom visas i figur 1 (b) strömmar bärgasen, reaktionsgasen och dopningsgasen alla genom skivans yta i ett horisontellt laminärt flöde från uppströms reaktionskammaren till nedströms reaktionskammaren och släpps ut från svansen. gasslut. För att säkerställa konsistensen inuti skivan, roteras skivan som bärs av den luftflytande basen alltid under processen.
Substratet som användes i experimentet är ett kommersiellt 150 mm, 200 mm (6 tum, 8 tum) <1120> riktning 4° off-vinkel ledande n-typ 4H-SiC dubbelsidigt polerat SiC-substrat producerat av Shanxi Shuoke Crystal. Triklorsilan (SiHCl3, TCS) och eten (C2H4) används som de huvudsakliga tillväxtkällorna i processexperimentet, bland vilka TCS och C2H4 används som kiselkälla respektive kolkälla, högrent kväve (N2) används som n- typ dopningskälla, och väte (H2) används som utspädningsgas och bärgas. Temperaturområdet för den epitaxiella processen är 1 600 ~ 1 660 ℃, processtrycket är 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, och H2-bärargasens flödeshastighet är 100 ~ 140 L/min.
1.3 Testning och karakterisering av epitaxial wafer
Fourier infraröd spektrometer (utrustningstillverkare Thermalfisher, modell iS50) och kvicksilverprobskoncentrationstestare (utrustningstillverkare Semilab, modell 530L) användes för att karakterisera medelvärdet och fördelningen av epitaxiell skikttjocklek och dopningskoncentration; tjockleken och dopningskoncentrationen för varje punkt i det epitaxiella lagret bestämdes genom att ta punkter längs diameterlinjen som skär den normala linjen för huvudreferenskanten vid 45° i mitten av skivan med 5 mm kantborttagning. För en 150 mm wafer togs 9 punkter längs en linje med en enda diameter (två diametrar var vinkelräta mot varandra), och för en 200 mm wafer togs 21 punkter, som visas i figur 2. Ett atomkraftmikroskop (utrustningstillverkaren Bruker, modell Dimension Icon) användes för att välja 30 μm × 30 μm områden i mittområdet och kantområdet (5 mm kantborttagning) av den epitaxiella skivan för att testa ytråheten hos det epitaxiella lagret; defekterna i det epitaxiala lagret mättes med en ytdefekttestare (utrustningstillverkaren China Electronics 3D-bildaren karakteriserades av en radarsensor (modell Mars 4410 pro) från Kefenghua.
Posttid: 2024-04-04