Hiện tại, ngành công nghiệp SiC đang chuyển đổi từ 150 mm (6 inch) sang 200 mm (8 inch). Để đáp ứng nhu cầu cấp thiết về tấm wafer đồng trục SiC kích thước lớn, chất lượng cao trong ngành, 150mm và 200mmTấm wafer đồng trục 4H-SiCđã được chuẩn bị thành công trên các chất nền trong nước bằng cách sử dụng thiết bị tăng trưởng epiticular SiC 200mm được phát triển độc lập. Một quy trình đồng trục thích hợp cho 150mm và 200mm đã được phát triển, trong đó tốc độ tăng trưởng epiticular có thể lớn hơn 60um/h. Trong khi đáp ứng epitaxy tốc độ cao, chất lượng wafer epiticular là tuyệt vời. Độ dày đồng đều 150 mm và 200 mmTấm epiticular SiCcó thể được kiểm soát trong vòng 1,5%, độ đồng đều nồng độ nhỏ hơn 3%, mật độ khuyết tật nghiêm trọng nhỏ hơn 0,3 hạt / cm2 và độ nhám bề mặt epiticular có nghĩa là bình phương Ra nhỏ hơn 0,15nm và tất cả các chỉ số quá trình cốt lõi đều ở mức trình độ tiên tiến của ngành.
Cacbua silic (SiC)là một trong những đại diện của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Nó có các đặc tính như cường độ trường phân tích cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời, tốc độ trôi bão hòa electron lớn và khả năng chống bức xạ mạnh. Nó đã mở rộng đáng kể khả năng xử lý năng lượng của các thiết bị điện và có thể đáp ứng các yêu cầu dịch vụ của thế hệ thiết bị điện tử công suất tiếp theo cho các thiết bị có công suất cao, kích thước nhỏ, nhiệt độ cao, bức xạ cao và các điều kiện khắc nghiệt khác. Nó có thể giảm không gian, giảm tiêu thụ điện năng và giảm yêu cầu làm mát. Nó đã mang lại những thay đổi mang tính cách mạng đối với các phương tiện sử dụng năng lượng mới, vận tải đường sắt, lưới điện thông minh và các lĩnh vực khác. Do đó, chất bán dẫn cacbua silic đã được công nhận là vật liệu lý tưởng sẽ dẫn đầu thế hệ tiếp theo của các thiết bị điện tử công suất cao. Trong những năm gần đây, nhờ sự hỗ trợ chính sách quốc gia cho sự phát triển của ngành bán dẫn thế hệ thứ ba, việc nghiên cứu phát triển và xây dựng hệ thống công nghiệp thiết bị SiC 150 mm đã cơ bản hoàn thành ở Trung Quốc và vấn đề an ninh của chuỗi công nghiệp đã được cải thiện. về cơ bản đã được đảm bảo. Do đó, trọng tâm của ngành đã dần chuyển sang kiểm soát chi phí và nâng cao hiệu quả. Như được hiển thị trong Bảng 1, so với 150 mm, SiC 200 mm có tỷ lệ sử dụng cạnh cao hơn và sản lượng của chip wafer đơn có thể tăng khoảng 1,8 lần. Sau khi công nghệ hoàn thiện, chi phí sản xuất một con chip có thể giảm 30%. Đột phá công nghệ 200 mm là phương tiện trực tiếp để “giảm chi phí, tăng hiệu quả”, đồng thời cũng là chìa khóa để ngành bán dẫn nước ta “chạy song song” thậm chí “dẫn đầu”.
Khác với quy trình thiết bị Si,Thiết bị điện bán dẫn SiCđều được xử lý và chuẩn bị với các lớp epiticular làm nền tảng. Tấm wafer epiticular là vật liệu cơ bản cần thiết cho các thiết bị nguồn SiC. Chất lượng của lớp epiticular quyết định trực tiếp đến năng suất của thiết bị và giá thành của nó chiếm 20% chi phí sản xuất chip. Do đó, sự tăng trưởng epiticular là một liên kết trung gian thiết yếu trong các thiết bị nguồn SiC. Giới hạn trên của mức độ quá trình epiticular được xác định bằng thiết bị epiticular. Hiện tại, mức độ nội địa hóa của thiết bị epiticular SiC 150mm ở Trung Quốc tương đối cao, nhưng bố cục tổng thể của 200mm lại chậm hơn so với trình độ quốc tế. Vì vậy, để giải quyết các nhu cầu cấp thiết và vấn đề tắc nghẽn của việc sản xuất vật liệu epiticular kích thước lớn, chất lượng cao cho sự phát triển của ngành bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước, bài viết này giới thiệu thiết bị epiticular SiC 200 mm được phát triển thành công ở nước tôi, và nghiên cứu quá trình epiticular. Bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình như nhiệt độ quy trình, tốc độ dòng khí mang, tỷ lệ C/Si, v.v., độ đồng đều nồng độ <3%, độ dày không đồng đều <1,5%, độ nhám Ra <0,2 nm và mật độ khuyết tật nghiêm trọng <0,3 hạt /cm2 của các tấm epiticular SiC 150 mm và 200 mm với lò epitaxy cacbua silic 200 mm được phát triển độc lập. Mức độ quy trình thiết bị có thể đáp ứng nhu cầu chuẩn bị thiết bị điện SiC chất lượng cao.
1 thí nghiệm
1.1 Nguyên tắc củaepiticular SiCquá trình
Quá trình tăng trưởng đồng trục 4H-SiC chủ yếu bao gồm 2 bước chính là ăn mòn tại chỗ ở nhiệt độ cao trên chất nền 4H-SiC và quá trình lắng đọng hơi hóa học đồng nhất. Mục đích chính của việc khắc tại chỗ chất nền là loại bỏ các hư hỏng dưới bề mặt của chất nền sau khi đánh bóng wafer, chất lỏng đánh bóng còn sót lại, các hạt và lớp oxit, và cấu trúc bước nguyên tử thông thường có thể được hình thành trên bề mặt chất nền bằng cách khắc. Quá trình khắc tại chỗ thường được thực hiện trong môi trường khí hydro. Theo yêu cầu thực tế của quy trình, một lượng nhỏ khí phụ trợ cũng có thể được thêm vào, chẳng hạn như hydro clorua, propan, ethylene hoặc silane. Nhiệt độ của quá trình ăn mòn hydro tại chỗ thường trên 1 600oC và áp suất của buồng phản ứng thường được kiểm soát dưới 2 × 104 Pa trong quá trình ăn mòn.
Sau khi bề mặt chất nền được kích hoạt bằng cách khắc tại chỗ, nó sẽ bước vào quá trình lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao, nghĩa là nguồn tăng trưởng (như ethylene / propane, TCS / silane), nguồn pha tạp (nitơ nguồn pha tạp loại n , nguồn pha tạp loại p TMAl) và khí phụ trợ như hydro clorua được vận chuyển đến buồng phản ứng thông qua một dòng khí mang lớn (thường là hydro). Sau khi khí phản ứng trong buồng phản ứng nhiệt độ cao, một phần tiền chất sẽ phản ứng hóa học và hấp phụ trên bề mặt wafer, và lớp epiticular 4H-SiC đồng nhất đơn tinh thể với nồng độ pha tạp cụ thể, độ dày cụ thể và chất lượng cao hơn được hình thành trên bề mặt đế sử dụng đế 4H-SiC đơn tinh thể làm mẫu. Sau nhiều năm khám phá kỹ thuật, công nghệ đồng trục 4H-SiC về cơ bản đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Công nghệ đồng trục 4H-SiC được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới có hai đặc điểm điển hình:
(1) Sử dụng chất nền cắt xiên ngoài trục (so với mặt phẳng tinh thể <0001>, hướng về hướng tinh thể <11-20>) làm mẫu, lớp epiticular 4H-SiC đơn tinh thể có độ tinh khiết cao không có tạp chất là lắng đọng trên đế ở dạng chế độ tăng trưởng dòng chảy từng bước. Sự tăng trưởng đồng trục 4H-SiC ban đầu sử dụng chất nền tinh thể dương, nghĩa là mặt phẳng Si <0001> để tăng trưởng. Mật độ các bước nguyên tử trên bề mặt của chất nền tinh thể dương thấp và các bậc thang rộng. Sự phát triển tạo mầm hai chiều rất dễ xảy ra trong quá trình epit Wax để hình thành tinh thể SiC 3C (3C-SiC). Bằng cách cắt ngoài trục, các bước nguyên tử có mật độ cao, chiều rộng sân thượng hẹp có thể được đưa vào bề mặt của chất nền 4H-SiC <0001> và tiền chất bị hấp phụ có thể đạt đến vị trí bước nguyên tử một cách hiệu quả với năng lượng bề mặt tương đối thấp thông qua khuếch tán bề mặt . Ở bước này, vị trí liên kết nguyên tử / nhóm phân tử tiền thân là duy nhất, do đó, ở chế độ tăng trưởng dòng chảy từng bước, lớp epiticular có thể kế thừa hoàn hảo trình tự xếp chồng lớp nguyên tử kép Si-C của chất nền để tạo thành một tinh thể đơn với cùng một tinh thể pha làm chất nền.
(2) Đạt được sự tăng trưởng epiticular tốc độ cao bằng cách đưa vào nguồn silicon có chứa clo. Trong các hệ thống lắng đọng hơi hóa học SiC thông thường, silan và propan (hoặc ethylene) là nguồn tăng trưởng chính. Trong quá trình tăng tốc độ tăng trưởng bằng cách tăng tốc độ dòng nguồn tăng trưởng, khi áp suất riêng phần cân bằng của thành phần silicon tiếp tục tăng, có thể dễ dàng hình thành các cụm silicon bằng cách tạo mầm pha khí đồng nhất, làm giảm đáng kể tốc độ sử dụng của nguồn silic. Sự hình thành các cụm silicon hạn chế rất nhiều việc cải thiện tốc độ tăng trưởng epiticular. Đồng thời, các cụm silicon có thể làm xáo trộn sự phát triển của dòng chảy theo bước và gây ra sự tạo mầm khuyết tật. Để tránh quá trình tạo mầm pha khí đồng nhất và tăng tốc độ tăng trưởng epiticular, việc đưa vào các nguồn silicon gốc clo hiện là phương pháp chủ đạo để tăng tốc độ tăng trưởng epiticular của 4H-SiC.
1.2 Thiết bị epitaxy SiC 200 mm (8 inch) và các điều kiện xử lý
Tất cả các thí nghiệm được mô tả trong bài báo này đều được thực hiện trên thiết bị epiticular SiC tường nóng nguyên khối tương thích 150/200 mm (6/8 inch) do Viện 48 thuộc Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc phát triển độc lập. Lò epiticular hỗ trợ tải và dỡ wafer hoàn toàn tự động. Hình 1 là sơ đồ nguyên lý cấu trúc bên trong buồng phản ứng của thiết bị epitaxy. Như trong Hình 1, thành ngoài của buồng phản ứng là chuông thạch anh với lớp xen kẽ làm mát bằng nước, bên trong chuông là buồng phản ứng nhiệt độ cao, được cấu tạo từ nỉ carbon cách nhiệt, độ tinh khiết cao. khoang than chì đặc biệt, đế quay nổi bằng khí than chì, v.v. Toàn bộ chuông thạch anh được bao phủ bởi một cuộn dây cảm ứng hình trụ, và buồng phản ứng bên trong chuông được làm nóng bằng điện từ bằng nguồn điện cảm ứng tần số trung bình. Như được hiển thị trong Hình 1 (b), khí mang, khí phản ứng và khí pha tạp đều chảy qua bề mặt wafer theo dòng chảy tầng nằm ngang từ thượng nguồn buồng phản ứng đến hạ lưu buồng phản ứng và được thải ra từ đuôi cuối khí. Để đảm bảo tính nhất quán bên trong tấm bán dẫn, tấm bán dẫn được vận chuyển bằng đế nổi không khí luôn được quay trong suốt quá trình.
Chất nền được sử dụng trong thí nghiệm là chất nền SiC được đánh bóng hai mặt loại n 4H-SiC thương mại 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) <1120> hướng 4° do Shanxi Shuoke Crystal sản xuất. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) và ethylene (C2H4) được sử dụng làm nguồn tăng trưởng chính trong quá trình thí nghiệm, trong đó TCS và C2H4 lần lượt được sử dụng làm nguồn silicon và nguồn carbon, nitơ có độ tinh khiết cao (N2) được sử dụng làm n- nguồn pha tạp loại và hydro (H2) được sử dụng làm khí pha loãng và khí mang. Phạm vi nhiệt độ của quy trình epiticular là 1 600 ~ 1 660oC, áp suất quy trình là 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa và tốc độ dòng khí mang H2 là 100 ~ 140 L / phút.
1.3 Thử nghiệm và mô tả đặc tính của wafer epiticular
Máy quang phổ hồng ngoại Fourier (nhà sản xuất thiết bị Thermalfisher, model iS50) và máy đo nồng độ đầu dò thủy ngân (nhà sản xuất thiết bị Semilab, model 530L) được sử dụng để mô tả giá trị trung bình và phân bố độ dày lớp epiticular và nồng độ pha tạp; Độ dày và nồng độ pha tạp của từng điểm trong lớp epiticular được xác định bằng cách lấy các điểm dọc theo đường kính giao với đường bình thường của cạnh tham chiếu chính ở góc 45° tại tâm của tấm wafer với cạnh cách nhau 5 mm. Đối với tấm wafer 150 mm, 9 điểm được lấy dọc theo một đường kính (hai đường kính vuông góc với nhau) và đối với tấm wafer 200 mm, 21 điểm được lấy, như trong Hình 2. Kính hiển vi lực nguyên tử (nhà sản xuất thiết bị) Bruker, Model Dimension Icon) đã được sử dụng để chọn các vùng 30 μm×30 μm ở khu vực trung tâm và khu vực cạnh (loại bỏ cạnh 5 mm) của tấm wafer epiticular để kiểm tra độ nhám bề mặt của lớp epitaxy; các khuyết tật của lớp epiticular được đo bằng máy kiểm tra khuyết tật bề mặt (nhà sản xuất thiết bị China Electronics Máy chụp ảnh 3D được đặc trưng bởi cảm biến radar (model Mars 4410 pro) từ Kefenghua.
Thời gian đăng: Sep-04-2024