Investigación sobre el proceso homoepitaxial y el horno epitaxial de SiC de 8 pulgadas

Actualmente, la industria del SiC se está transformando de 150 mm (6 pulgadas) a 200 mm (8 pulgadas). Para satisfacer la demanda urgente de obleas homeepitaxiales de SiC de gran tamaño y alta calidad en la industria, se prepararon con éxito obleas homoepitaxiales de SiC 4H de 150 mm y 200 mm sobre sustratos domésticos utilizando el equipo de crecimiento epitaxial de SiC de 200 mm desarrollado de forma independiente. Se desarrolló un proceso homoepitaxial adecuado para 150 mm y 200 mm, en el que la tasa de crecimiento epitaxial puede ser superior a 60 μm/h. Si bien cumple con la epitaxia de alta velocidad, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. La uniformidad del espesor de las obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro del 1,5%, la uniformidad de la concentración es inferior al 3%, la densidad de defectos fatales es inferior a 0,3 partículas/cm2 y la raíz cuadrática media de la rugosidad de la superficie epitaxial Ra es menos de 0,15 nm y todos los indicadores de proceso básicos se encuentran en el nivel avanzado de la industria.

El carburo de silicio (SiC) es uno de los representantes de los materiales semiconductores de tercera generación. Tiene las características de alta intensidad de campo de ruptura, excelente conductividad térmica, gran velocidad de deriva de saturación de electrones y fuerte resistencia a la radiación. Ha ampliado enormemente la capacidad de procesamiento de energía de los dispositivos de potencia y puede cumplir con los requisitos de servicio de la próxima generación de equipos electrónicos de potencia para dispositivos con alta potencia, tamaño pequeño, alta temperatura, alta radiación y otras condiciones extremas. Puede reducir el espacio, reducir el consumo de energía y reducir los requisitos de refrigeración. Ha traído cambios revolucionarios a los vehículos de nueva energía, el transporte ferroviario, las redes inteligentes y otros campos. Por lo tanto, los semiconductores de carburo de silicio han sido reconocidos como el material ideal que liderará la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia. En los últimos años, gracias al apoyo de la política nacional para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación, la investigación, el desarrollo y la construcción del sistema industrial de dispositivos de SiC de 150 mm se han completado básicamente en China, y la seguridad de la cadena industrial ha mejorado. básicamente garantizado. Por lo tanto, el enfoque de la industria se ha desplazado gradualmente hacia el control de costos y la mejora de la eficiencia. Como se muestra en la Tabla 1, en comparación con 150 mm, el SiC de 200 mm tiene una mayor tasa de utilización de bordes y la producción de chips de oblea única se puede aumentar aproximadamente 1,8 veces. Una vez que la tecnología madure, el costo de fabricación de un solo chip se puede reducir en un 30%. El avance tecnológico de 200 mm es un medio directo de "reducir costos y aumentar la eficiencia", y también es la clave para que la industria de semiconductores de mi país "funcione en paralelo" o incluso "lidere".

A diferencia del proceso del dispositivo de Si, todos los dispositivos de potencia semiconductores de SiC se procesan y preparan con capas epitaxiales como piedra angular. Las obleas epitaxiales son materiales básicos esenciales para los dispositivos de potencia de SiC. La calidad de la capa epitaxial determina directamente el rendimiento del dispositivo y su coste representa el 20% del coste de fabricación del chip. Por lo tanto, el crecimiento epitaxial es un eslabón intermedio esencial en los dispositivos de potencia de SiC. El límite superior del nivel del proceso epitaxial está determinado por el equipo epitaxial. En la actualidad, el grado de localización del equipo epitaxial de SiC nacional de 150 mm es relativamente alto, pero al mismo tiempo el diseño general de 200 mm está por detrás del nivel internacional. Por lo tanto, con el fin de resolver las necesidades urgentes y los problemas de cuellos de botella de la fabricación de materiales epitaxiales de gran tamaño y alta calidad para el desarrollo de la industria nacional de semiconductores de tercera generación, este artículo presenta el equipo epitaxial de SiC de 200 mm desarrollado con éxito en mi país. y estudia el proceso epitaxial. Al optimizar los parámetros del proceso, como la temperatura del proceso, el caudal del gas portador, la relación C/Si, etc., la uniformidad de la concentración <3%, la falta de uniformidad del espesor <1,5%, la rugosidad Ra <0,2 nm y la densidad de defectos fatales <0,3 partículas. /cm2 de obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm con horno epitaxial de carburo de silicio de 200 mm de desarrollo propio. El nivel de proceso del equipo puede satisfacer las necesidades de preparación de dispositivos de potencia de SiC de alta calidad.

1 experimentos

1.1 Principio del proceso epitaxial de SiC

El proceso de crecimiento homoepitaxial de 4H-SiC incluye principalmente 2 pasos clave, a saber, grabado in situ a alta temperatura del sustrato de 4H-SiC y un proceso de deposición química homogénea de vapor. El objetivo principal del grabado in situ del sustrato es eliminar el daño subsuperficial del sustrato después del pulido de la oblea, el líquido de pulido residual, las partículas y la capa de óxido, y se puede formar una estructura de paso atómico regular en la superficie del sustrato mediante el grabado. El grabado in situ suele realizarse en una atmósfera de hidrógeno. Según los requisitos reales del proceso, también se puede añadir una pequeña cantidad de gas auxiliar, como cloruro de hidrógeno, propano, etileno o silano. La temperatura del grabado con hidrógeno in situ es generalmente superior a 1.600 ℃, y la presión de la cámara de reacción generalmente se controla por debajo de 2 x 104 Pa durante el proceso de grabado.

Después de que la superficie del sustrato se activa mediante grabado in situ, ingresa al proceso de deposición química de vapor a alta temperatura, es decir, la fuente de crecimiento (como etileno/propano, TCS/silano), fuente de dopaje (fuente de dopaje tipo n nitrógeno , fuente de dopaje tipo p TMAl) y un gas auxiliar como cloruro de hidrógeno se transportan a la cámara de reacción a través de un gran flujo de gas portador (normalmente hidrógeno). Después de que el gas reacciona en la cámara de reacción de alta temperatura, parte del precursor reacciona químicamente y se adsorbe en la superficie de la oblea, y se forma una capa epitaxial de 4H-SiC homogénea monocristalina con una concentración de dopaje específica, un espesor específico y una calidad superior. en la superficie del sustrato utilizando el sustrato monocristalino 4H-SiC como plantilla. Después de años de exploración técnica, la tecnología homoepitaxial 4H-SiC básicamente ha madurado y se utiliza ampliamente en la producción industrial. La tecnología homoepitaxial 4H-SiC más utilizada en el mundo tiene dos características típicas: (1) Utilizar un sustrato de corte oblicuo fuera del eje (en relación con el plano del cristal <0001>, hacia la dirección del cristal <11-20>) como plantilla, una capa epitaxial de 4H-SiC monocristalina de alta pureza sin impurezas se deposita sobre el sustrato en forma de modo de crecimiento de flujo escalonado. El crecimiento homeepitaxial temprano de 4H-SiC utilizó un sustrato cristalino positivo, es decir, el plano <0001> Si para el crecimiento. La densidad de pasos atómicos en la superficie del sustrato cristalino positivo es baja y las terrazas son amplias. El crecimiento de la nucleación bidimensional es fácil de producir durante el proceso de epitaxia para formar cristales de SiC 3C (3C-SiC). Mediante corte fuera del eje, se pueden introducir pasos atómicos de alta densidad y ancho de terraza estrecho en la superficie del sustrato 4H-SiC <0001>, y el precursor adsorbido puede alcanzar efectivamente la posición del paso atómico con energía superficial relativamente baja a través de la difusión superficial. . En el paso, la posición de enlace del átomo precursor/grupo molecular es única, por lo que en el modo de crecimiento de flujo escalonado, la capa epitaxial puede heredar perfectamente la secuencia de apilamiento de la doble capa atómica de Si-C del sustrato para formar un solo cristal con el mismo cristal. fase como sustrato. (2) El crecimiento epitaxial de alta velocidad se logra mediante la introducción de una fuente de silicio que contiene cloro. En los sistemas convencionales de deposición química de vapor de SiC, el silano y el propano (o etileno) son las principales fuentes de crecimiento. En el proceso de aumentar la tasa de crecimiento mediante el aumento del caudal de la fuente de crecimiento, a medida que la presión parcial de equilibrio del componente de silicio continúa aumentando, es fácil formar grupos de silicio mediante nucleación homogénea en fase gaseosa, lo que reduce significativamente la tasa de utilización del fuente de silicio. La formación de grupos de silicio limita en gran medida la mejora de la tasa de crecimiento epitaxial. Al mismo tiempo, los grupos de silicio pueden alterar el crecimiento del flujo escalonado y provocar una nucleación defectuosa. Para evitar la nucleación homogénea en fase gaseosa y aumentar la tasa de crecimiento epitaxial, la introducción de fuentes de silicio a base de cloro es actualmente el método principal para aumentar la tasa de crecimiento epitaxial de 4H-SiC.

1.2 Equipo epitaxial de SiC de 200 mm (8 pulgadas) y condiciones de proceso

Todos los experimentos descritos en este artículo se realizaron en un equipo epitaxial de SiC de pared caliente horizontal monolítico compatible con 150/200 mm (6/8 de pulgada) desarrollado independientemente por el 48.º Instituto de China Electronics Technology Group Corporation. El horno epitaxial admite la carga y descarga de obleas de forma totalmente automática. La figura 1 es un diagrama esquemático de la estructura interna de la cámara de reacción del equipo epitaxial. Como se muestra en la Figura 1, la pared exterior de la cámara de reacción es una campana de cuarzo con una capa intermedia enfriada por agua, y el interior de la campana es una cámara de reacción de alta temperatura, que está compuesta de fieltro de carbono aislante térmico de alta pureza. cavidad especial de grafito, base giratoria flotante de gas de grafito, etc. Toda la campana de cuarzo está cubierta con una bobina de inducción cilíndrica y la cámara de reacción dentro de la campana se calienta electromagnéticamente mediante una fuente de alimentación de inducción de frecuencia media. Como se muestra en la Figura 1 (b), el gas portador, el gas de reacción y el gas dopante fluyen a través de la superficie de la oblea en un flujo laminar horizontal desde aguas arriba de la cámara de reacción hasta aguas abajo de la cámara de reacción y se descargan desde la cola. extremo del gas. Para garantizar la consistencia dentro de la oblea, la oblea transportada por la base flotante de aire siempre gira durante el proceso.

El sustrato utilizado en el experimento es un sustrato de SiC pulido de doble cara de 4H-SiC conductor fuera de ángulo de 4° en dirección <1120> comercial de 150 mm, 200 mm (6 pulgadas, 8 pulgadas) producido por Shanxi Shuoke Crystal. El triclorosilano (SiHCl3, TCS) y el etileno (C2H4) se utilizan como principales fuentes de crecimiento en el experimento del proceso, entre los cuales se utilizan TCS y C2H4 como fuente de silicio y fuente de carbono respectivamente, y se utiliza nitrógeno (N2) de alta pureza como n- tipo fuente de dopaje y se utiliza hidrógeno (H2) como gas de dilución y gas portador. El rango de temperatura del proceso epitaxial es de 1 600 ~ 1 660 ℃, la presión del proceso es de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa y el caudal del gas portador H2 es de 100 ~ 140 L/min.

1.3 Prueba y caracterización de obleas epitaxiales.

Se utilizaron un espectrómetro infrarrojo de Fourier (fabricante de equipos Thermalfisher, modelo iS50) y un medidor de concentración de sonda de mercurio (fabricante de equipos Semilab, modelo 530L) para caracterizar la media y la distribución del espesor de la capa epitaxial y la concentración de dopaje; El espesor y la concentración de dopaje de cada punto en la capa epitaxial se determinaron tomando puntos a lo largo de la línea de diámetro que cruza la línea normal del borde de referencia principal a 45° en el centro de la oblea con una eliminación del borde de 5 mm. Para una oblea de 150 mm, se tomaron 9 puntos a lo largo de una línea de un solo diámetro (dos diámetros eran perpendiculares entre sí), y para una oblea de 200 mm, se tomaron 21 puntos, como se muestra en la Figura 2. Un microscopio de fuerza atómica (fabricante del equipo Bruker, modelo Dimension Icon) se utilizó para seleccionar áreas de 30 μm x 30 μm en el área central y el área del borde (eliminación del borde de 5 mm) de la oblea epitaxial para probar la rugosidad de la superficie de la capa epitaxial; Los defectos de la capa epitaxial se midieron utilizando un probador de defectos de superficie (fabricante de equipos China Electronics Kefenghua, modelo Mars 4410 pro) para su caracterización.

2 Resultados experimentales y discusión.

2.1 Espesor y uniformidad de la capa epitaxial.

El espesor de la capa epitaxial, la concentración de dopaje y la uniformidad son uno de los indicadores principales para juzgar la calidad de las obleas epitaxiales. El espesor, la concentración de dopaje y la uniformidad dentro de la oblea controlables con precisión son la clave para garantizar el rendimiento y la consistencia de los dispositivos de potencia de SiC, y el espesor de la capa epitaxial y la uniformidad de la concentración de dopaje también son bases importantes para medir la capacidad del proceso de los equipos epitaxiales.

La Figura 3 muestra la curva de distribución y uniformidad del espesor de obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. Puede verse en la figura que la curva de distribución del espesor de la capa epitaxial es simétrica con respecto al punto central de la oblea. El tiempo del proceso epitaxial es de 600 s, el espesor promedio de la capa epitaxial de la oblea epitaxial de 150 mm es de 10,89 μm y la uniformidad del espesor es del 1,05%. Según los cálculos, la tasa de crecimiento epitaxial es de 65,3 μm/h, que es un nivel típico de proceso epitaxial rápido. En el mismo tiempo de proceso epitaxial, el espesor de la capa epitaxial de la oblea epitaxial de 200 mm es de 10,10 μm, la uniformidad del espesor está dentro del 1,36% y la tasa de crecimiento general es de 60,60 μm/h, que es ligeramente inferior al crecimiento epitaxial de 150 mm. tasa. Esto se debe a que hay una pérdida obvia en el camino cuando la fuente de silicio y la fuente de carbono fluyen desde aguas arriba de la cámara de reacción a través de la superficie de la oblea hasta aguas abajo de la cámara de reacción, y el área de la oblea de 200 mm es mayor que los 150 mm. El gas fluye a través de la superficie de la oblea de 200 mm a lo largo de una distancia más larga y el gas fuente consumido a lo largo del camino es mayor. Bajo la condición de que la oblea siga girando, el espesor total de la capa epitaxial es más delgado, por lo que la tasa de crecimiento es más lenta. En general, la uniformidad del espesor de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es excelente y la capacidad de proceso del equipo puede cumplir con los requisitos de dispositivos de alta calidad.

2.2 Concentración y uniformidad del dopaje de la capa epitaxial.

La Figura 4 muestra la uniformidad de la concentración de dopaje y la distribución de la curva de obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. Como puede verse en la figura, la curva de distribución de concentración en la oblea epitaxial tiene una simetría obvia con respecto al centro de la oblea. La uniformidad de la concentración de dopaje de las capas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es de 2,80% y 2,66% respectivamente, que se puede controlar dentro del 3%, lo cual es un nivel excelente entre equipos similares internacionales. La curva de concentración de dopaje de la capa epitaxial se distribuye en forma de "W" a lo largo de la dirección del diámetro, que está determinada principalmente por el campo de flujo del horno epitaxial de pared caliente horizontal, porque la dirección del flujo de aire del horno de crecimiento epitaxial de flujo de aire horizontal es de el extremo de entrada de aire (aguas arriba) y sale desde el extremo aguas abajo en un flujo laminar a través de la superficie de la oblea; Debido a que la tasa de "agotamiento en el camino" de la fuente de carbono (C2H4) es mayor que la de la fuente de silicio (TCS), cuando la oblea gira, el C/Si real en la superficie de la oblea disminuye gradualmente desde el borde hasta el centro (la fuente de carbono en el centro es menor), según la "teoría de la posición competitiva" de C y N, la concentración de dopaje en el centro de la oblea disminuye gradualmente hacia el borde. Para obtener una excelente uniformidad de concentración, se añade el borde N2 como compensación durante el proceso epitaxial para frenar la disminución de la concentración de dopaje desde el centro hasta el borde, de modo que la curva final de concentración de dopaje presente una forma de "W".

2.3 Defectos de la capa epitaxial

Además del espesor y la concentración de dopaje, el nivel de control de defectos de la capa epitaxial también es un parámetro central para medir la calidad de las obleas epitaxiales y un indicador importante de la capacidad de proceso del equipo epitaxial. Aunque SBD y MOSFET tienen requisitos diferentes para los defectos, los defectos de morfología de superficie más obvios, como defectos de gota, defectos de triángulo, defectos de zanahoria y defectos de cometa, se definen como defectos mortales para los dispositivos SBD y MOSFET. La probabilidad de falla de los chips que contienen estos defectos es alta, por lo que controlar la cantidad de defectos asesinos es extremadamente importante para mejorar el rendimiento del chip y reducir los costos. La Figura 5 muestra la distribución de defectos asesinos de obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. Bajo la condición de que no haya un desequilibrio obvio en la relación C/Si, los defectos de zanahoria y los defectos de cometa se pueden eliminar básicamente, mientras que los defectos de gota y los defectos de triángulo están relacionados con el control de limpieza durante la operación del equipo epitaxial, el nivel de impureza del grafito. piezas en la cámara de reacción y la calidad del sustrato. En la Tabla 2, podemos ver que la densidad de defectos fatales de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro de 0,3 partículas/cm2, que es un nivel excelente para el mismo tipo de equipo. El nivel de control de densidad de defectos fatales de la oblea epitaxial de 150 mm es mejor que el de la oblea epitaxial de 200 mm. Esto se debe a que el proceso de preparación del sustrato de 150 mm es más maduro que el de 200 mm, la calidad del sustrato es mejor y el nivel de control de impurezas de la cámara de reacción de grafito de 150 mm es mejor.

2.4 Rugosidad de la superficie de la oblea epitaxial

La Figura 6 muestra las imágenes AFM de la superficie de obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. Como se puede ver en la figura, la rugosidad cuadrática media de la superficie Ra de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es de 0,129 nm y 0,113 nm respectivamente, y la superficie de la capa epitaxial es lisa, sin un fenómeno obvio de agregación de macropasos, que indica que el crecimiento de la capa epitaxial siempre mantiene el modo de crecimiento de flujo escalonado durante todo el proceso epitaxial, y no se produce agregación escalonada. Se puede ver que la capa epitaxial con una superficie lisa se puede obtener en sustratos de ángulo bajo de 150 mm y 200 mm utilizando el proceso de crecimiento epitaxial optimizado.

3. Conclusiones

Se prepararon con éxito obleas homoepitaxiales de 4H-SiC de 150 mm y 200 mm sobre sustratos domésticos utilizando el equipo de crecimiento epitaxial de SiC de 200 mm de desarrollo propio, y se desarrolló un proceso homoepitaxial adecuado para 150 mm y 200 mm. La tasa de crecimiento epitaxial puede ser superior a 60 μm/h. Si bien cumple con el requisito de epitaxia de alta velocidad, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. La uniformidad del espesor de las obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro del 1,5%, la uniformidad de la concentración es inferior al 3%, la densidad de defectos fatales es inferior a 0,3 partículas/cm2 y la raíz cuadrática media de la rugosidad de la superficie epitaxial Ra es menos de 0,15 nm. Los indicadores de proceso básicos de las obleas epitaxiales se encuentran en el nivel avanzado de la industria.

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