Forno epitaxial de SiC de 8 polegadas e pesquisa de processo homoepitaxial

Atualmente, a indústria do SiC está passando de 150 mm (6 polegadas) para 200 mm (8 polegadas). A fim de atender à demanda urgente por wafers homoepitaxiais de SiC de grande porte e alta qualidade na indústria, wafers homoepitaxiais de SiC 4H de 150 mm e 200 mm foram preparados com sucesso em substratos domésticos usando o equipamento de crescimento epitaxial de SiC de 200 mm desenvolvido independentemente. Foi desenvolvido um processo homoepitaxial adequado para 150 mm e 200 mm, no qual a taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 μm/h. Ao atender à epitaxia de alta velocidade, a qualidade do wafer epitaxial é excelente. A uniformidade da espessura das bolachas epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm pode ser controlada dentro de 1,5%, a uniformidade da concentração é inferior a 3%, a densidade do defeito fatal é inferior a 0,3 partículas/cm2 e a raiz quadrada média da rugosidade da superfície epitaxial Ra é menos de 0,15 nm, e todos os indicadores principais do processo estão no nível avançado da indústria.

O Carboneto de Silício (SiC) é um dos representantes dos materiais semicondutores de terceira geração. Possui características de alta intensidade de campo de ruptura, excelente condutividade térmica, grande velocidade de deriva de saturação de elétrons e forte resistência à radiação. Ele expandiu bastante a capacidade de processamento de energia dos dispositivos de potência e pode atender aos requisitos de serviço da próxima geração de equipamentos eletrônicos de potência para dispositivos com alta potência, tamanho pequeno, alta temperatura, alta radiação e outras condições extremas. Pode reduzir espaço, reduzir o consumo de energia e reduzir os requisitos de resfriamento. Trouxe mudanças revolucionárias para novos veículos energéticos, transporte ferroviário, redes inteligentes e outros campos. Portanto, os semicondutores de carboneto de silício foram reconhecidos como o material ideal que liderará a próxima geração de dispositivos eletrônicos de alta potência. Nos últimos anos, graças ao apoio da política nacional ao desenvolvimento da indústria de semicondutores de terceira geração, a pesquisa, o desenvolvimento e a construção do sistema da indústria de dispositivos SiC de 150 mm foram basicamente concluídos na China, e a segurança da cadeia industrial foi basicamente garantido. Portanto, o foco da indústria mudou gradualmente para o controle de custos e a melhoria da eficiência. Conforme mostrado na Tabela 1, em comparação com 150 mm, o SiC de 200 mm tem uma taxa de utilização de borda mais alta e a produção de chips wafer únicos pode ser aumentada em cerca de 1,8 vezes. Após o amadurecimento da tecnologia, o custo de fabricação de um único chip pode ser reduzido em 30%. O avanço tecnológico de 200 mm é um meio direto de “reduzir custos e aumentar a eficiência”, e é também a chave para a indústria de semicondutores do meu país “funcionar em paralelo” ou mesmo “liderar”.

Diferente do processo do dispositivo de Si, os dispositivos de potência semicondutores de SiC são todos processados ​​​​e preparados com camadas epitaxiais como base. Os wafers epitaxiais são materiais básicos essenciais para dispositivos de energia de SiC. A qualidade da camada epitaxial determina diretamente o rendimento do dispositivo, e seu custo representa 20% do custo de fabricação do chip. Portanto, o crescimento epitaxial é um elo intermediário essencial em dispositivos de potência de SiC. O limite superior do nível do processo epitaxial é determinado pelo equipamento epitaxial. Atualmente, o grau de localização do equipamento epitaxial SiC doméstico de 150 mm é relativamente alto, mas ao mesmo tempo o layout geral de 200 mm está aquém do nível internacional. Portanto, a fim de resolver as necessidades urgentes e os problemas de gargalo da fabricação de materiais epitaxiais de grande porte e alta qualidade para o desenvolvimento da indústria nacional de semicondutores de terceira geração, este artigo apresenta o equipamento epitaxial SiC de 200 mm desenvolvido com sucesso em meu país, e estuda o processo epitaxial. Ao otimizar os parâmetros do processo, como temperatura do processo, taxa de fluxo do gás de arraste, relação C/Si, etc., a uniformidade de concentração <3%, não uniformidade de espessura <1,5%, rugosidade Ra <0,2 nm e densidade de defeito fatal <0,3 partículas /cm2 de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm com forno epitaxial de carboneto de silício de 200 mm autodesenvolvido. O nível de processo do equipamento pode atender às necessidades de preparação de dispositivos de energia SiC de alta qualidade.

1 Experimentos

1.1 Princípio do processo epitaxial de SiC

O processo de crescimento homoepitaxial de 4H-SiC inclui principalmente 2 etapas principais, a saber, gravação in-situ em alta temperatura do substrato 4H-SiC e processo de deposição química homogênea de vapor. O principal objetivo da gravação in-situ do substrato é remover o dano subsuperficial do substrato após o polimento do wafer, líquido de polimento residual, partículas e camada de óxido, e uma estrutura de etapa atômica regular pode ser formada na superfície do substrato por gravação. A gravação in-situ é geralmente realizada em atmosfera de hidrogênio. De acordo com os requisitos reais do processo, também pode ser adicionada uma pequena quantidade de gás auxiliar, como cloreto de hidrogênio, propano, etileno ou silano. A temperatura da gravação com hidrogênio in-situ é geralmente acima de 1.600 ℃, e a pressão da câmara de reação é geralmente controlada abaixo de 2 × 104 Pa durante o processo de gravação.

Depois que a superfície do substrato é ativada por ataque in-situ, ela entra no processo de deposição química de vapor em alta temperatura, ou seja, a fonte de crescimento (como etileno/propano, TCS/silano), fonte de dopagem (fonte de dopagem tipo n nitrogênio , fonte de dopagem tipo p TMAl) e gás auxiliar, como cloreto de hidrogênio, são transportados para a câmara de reação através de um grande fluxo de gás de arraste (geralmente hidrogênio). Depois que o gás reage na câmara de reação de alta temperatura, parte do precursor reage quimicamente e é adsorvido na superfície do wafer, e uma camada epitaxial 4H-SiC homogênea de cristal único com uma concentração de dopagem específica, espessura específica e qualidade superior é formada na superfície do substrato usando o substrato 4H-SiC de cristal único como modelo. Após anos de exploração técnica, a tecnologia homoepitaxial 4H-SiC basicamente amadureceu e é amplamente utilizada na produção industrial. A tecnologia homoepitaxial 4H-SiC mais amplamente utilizada no mundo tem duas características típicas: (1) Usar um substrato de corte oblíquo fora do eixo (em relação ao plano de cristal <0001>, em direção à direção do cristal <11-20>) como um modelo, uma camada epitaxial 4H-SiC de cristal único de alta pureza sem impurezas é depositada no substrato na forma de modo de crescimento de fluxo gradual. O crescimento homoepitaxial inicial de 4H-SiC utilizou um substrato cristalino positivo, isto é, o plano <0001> Si para crescimento. A densidade dos degraus atômicos na superfície do substrato cristalino positivo é baixa e os terraços são largos. O crescimento de nucleação bidimensional é fácil de ocorrer durante o processo de epitaxia para formar SiC cristal 3C (3C-SiC). Por corte fora do eixo, degraus atômicos de alta densidade e largura de terraço estreito podem ser introduzidos na superfície do substrato 4H-SiC <0001>, e o precursor adsorvido pode efetivamente alcançar a posição do degrau atômico com energia superficial relativamente baixa através da difusão superficial . Na etapa, a posição de ligação do átomo precursor / grupo molecular é única, portanto, no modo de crescimento de fluxo escalonado, a camada epitaxial pode herdar perfeitamente a sequência de empilhamento da camada atômica dupla Si-C do substrato para formar um único cristal com o mesmo cristal fase como substrato. (2) O crescimento epitaxial de alta velocidade é alcançado pela introdução de uma fonte de silício contendo cloro. Nos sistemas convencionais de deposição química de vapor de SiC, o silano e o propano (ou etileno) são as principais fontes de crescimento. No processo de aumento da taxa de crescimento aumentando a taxa de fluxo da fonte de crescimento, à medida que a pressão parcial de equilíbrio do componente de silício continua a aumentar, é fácil formar aglomerados de silício por nucleação homogênea em fase gasosa, o que reduz significativamente a taxa de utilização do fonte de silício. A formação de aglomerados de silício limita grandemente a melhoria da taxa de crescimento epitaxial. Ao mesmo tempo, os aglomerados de silício podem perturbar o crescimento do fluxo escalonado e causar nucleação de defeitos. A fim de evitar a nucleação homogênea em fase gasosa e aumentar a taxa de crescimento epitaxial, a introdução de fontes de silício à base de cloro é atualmente o método principal para aumentar a taxa de crescimento epitaxial do 4H-SiC.

1.2 Equipamento epitaxial de SiC de 200 mm (8 polegadas) e condições de processo

Os experimentos descritos neste artigo foram todos conduzidos em um equipamento epitaxial de SiC de parede quente horizontal monolítico compatível com 150/200 mm (6/8 polegadas) desenvolvido independentemente pelo 48º Instituto da China Electronics Technology Group Corporation. O forno epitaxial suporta carregamento e descarregamento de wafer totalmente automático. A Figura 1 é um diagrama esquemático da estrutura interna da câmara de reação do equipamento epitaxial. Conforme mostrado na Figura 1, a parede externa da câmara de reação é um sino de quartzo com uma camada intermediária resfriada a água, e o interior do sino é uma câmara de reação de alta temperatura, que é composta de feltro de carbono com isolamento térmico, alta pureza cavidade especial de grafite, base giratória flutuante de gás de grafite, etc. Todo o sino de quartzo é coberto por uma bobina de indução cilíndrica, e a câmara de reação dentro do sino é aquecida eletromagneticamente por uma fonte de alimentação de indução de média frequência. Como mostrado na Figura 1 (b), o gás de arraste, o gás de reação e o gás dopante fluem através da superfície do wafer em um fluxo laminar horizontal a partir da montante da câmara de reação para a jusante da câmara de reação e são descarregados da cauda final do gás. Para garantir a consistência dentro do wafer, o wafer transportado pela base flutuante de ar é sempre girado durante o processo.

O substrato usado no experimento é um substrato comercial de SiC polido de dupla face de 150 mm, 200 mm (6 polegadas, 8 polegadas) <1120> direção 4° fora do ângulo condutor tipo n 4H-SiC produzido pela Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilano (SiHCl3, TCS) e etileno (C2H4) são usados ​​como as principais fontes de crescimento no experimento de processo, entre os quais TCS e C2H4 são usados ​​como fonte de silício e fonte de carbono, respectivamente, nitrogênio de alta pureza (N2) é usado como n- tipo fonte de dopagem, e o hidrogênio (H2) é usado como gás de diluição e gás de arraste. A faixa de temperatura do processo epitaxial é de 1.600 ~ 1.660 ℃, a pressão do processo é de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa e a taxa de fluxo do gás transportador H2 é de 100 ~ 140 L / min.

1.3 Teste e caracterização de wafer epitaxial

Espectrômetro infravermelho de Fourier (fabricante do equipamento Thermalfisher, modelo iS50) e testador de concentração de sonda de mercúrio (fabricante do equipamento Semilab, modelo 530L) foram utilizados para caracterizar a média e distribuição da espessura da camada epitaxial e concentração de dopagem; a espessura e a concentração de dopagem de cada ponto na camada epitaxial foram determinadas tomando pontos ao longo da linha de diâmetro que cruza a linha normal da borda de referência principal a 45° no centro do wafer com remoção de borda de 5 mm. Para um wafer de 150 mm, foram tomados 9 pontos ao longo de uma linha de diâmetro único (dois diâmetros eram perpendiculares entre si), e para um wafer de 200 mm, foram tomados 21 pontos, conforme mostrado na Figura 2. Um microscópio de força atômica (fabricante do equipamento Bruker, modelo Dimension Icon) foi usado para selecionar áreas de 30 μm × 30 μm na área central e na área da borda (5 mm de remoção da borda) do wafer epitaxial para testar a rugosidade da superfície da camada epitaxial; os defeitos da camada epitaxial foram medidos usando um testador de defeitos de superfície (fabricante de equipamentos China Electronics Kefenghua, modelo Mars 4410 pro) para caracterização.

2 Resultados experimentais e discussão

2.1 Espessura e uniformidade da camada epitaxial

A espessura da camada epitaxial, a concentração de dopagem e a uniformidade são um dos principais indicadores para julgar a qualidade dos wafers epitaxiais. Espessura controlável com precisão, concentração de dopagem e uniformidade dentro do wafer são a chave para garantir o desempenho e a consistência dos dispositivos de energia SiC, e a espessura da camada epitaxial e a uniformidade da concentração de dopagem também são bases importantes para medir a capacidade do processo do equipamento epitaxial.

A Figura 3 mostra a uniformidade da espessura e a curva de distribuição de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Pode-se observar na figura que a curva de distribuição da espessura da camada epitaxial é simétrica em relação ao ponto central do wafer. O tempo de processo epitaxial é de 600 s, a espessura média da camada epitaxial do wafer epitaxial de 150 mm é de 10,89 μm e a uniformidade de espessura é de 1,05%. Por cálculo, a taxa de crescimento epitaxial é de 65,3 μm/h, que é um nível típico de processo epitaxial rápido. Sob o mesmo tempo de processo epitaxial, a espessura da camada epitaxial do wafer epitaxial de 200 mm é de 10,10 μm, a uniformidade da espessura está dentro de 1,36% e a taxa de crescimento geral é de 60,60 μm/h, que é ligeiramente inferior ao crescimento epitaxial de 150 mm. avaliar. Isso ocorre porque há uma perda óbvia ao longo do caminho quando a fonte de silício e a fonte de carbono fluem a montante da câmara de reação através da superfície do wafer para a jusante da câmara de reação, e a área do wafer de 200 mm é maior que 150 mm. O gás flui através da superfície do wafer de 200 mm por uma distância maior, e o gás fonte consumido ao longo do caminho é maior. Sob a condição de que o wafer continue girando, a espessura total da camada epitaxial é mais fina, então a taxa de crescimento é mais lenta. No geral, a uniformidade da espessura dos wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm é excelente e a capacidade de processo do equipamento pode atender aos requisitos de dispositivos de alta qualidade.

2.2 Concentração e uniformidade de dopagem da camada epitaxial

A Figura 4 mostra a uniformidade da concentração de dopagem e a distribuição da curva de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Como pode ser visto na figura, a curva de distribuição de concentração no wafer epitaxial tem simetria óbvia em relação ao centro do wafer. A uniformidade da concentração de dopagem das camadas epitaxiais de 150 mm e 200 mm é de 2,80% e 2,66% respectivamente, podendo ser controlada em 3%, o que é um nível excelente entre equipamentos similares internacionais. A curva de concentração de dopagem da camada epitaxial é distribuída em forma de "W" ao longo da direção do diâmetro, que é determinada principalmente pelo campo de fluxo do forno epitaxial de parede quente horizontal, porque a direção do fluxo de ar do forno de crescimento epitaxial de fluxo de ar horizontal é de a extremidade de entrada de ar (a montante) e flui para fora da extremidade a jusante em um fluxo laminar através da superfície do wafer; porque a taxa de "esgotamento ao longo do caminho" da fonte de carbono (C2H4) é maior do que a da fonte de silício (TCS), quando o wafer gira, o C/Si real na superfície do wafer diminui gradualmente da borda para no centro (a fonte de carbono no centro é menor), de acordo com a "teoria da posição competitiva" de C e N, a concentração de dopagem no centro do wafer diminui gradualmente em direção à borda. Para obter excelente uniformidade de concentração, a borda N2 é adicionada como compensação durante o processo epitaxial para retardar a diminuição da concentração de dopagem do centro para a borda, de modo que a curva de concentração de dopagem final apresente formato de “W”.

2.3 Defeitos da camada epitaxial

Além da espessura e da concentração de dopagem, o nível de controle de defeitos da camada epitaxial também é um parâmetro central para medir a qualidade dos wafers epitaxiais e um importante indicador da capacidade do processo do equipamento epitaxial. Embora SBD e MOSFET tenham requisitos diferentes para defeitos, defeitos de morfologia de superfície mais óbvios, como defeitos de gota, defeitos triangulares, defeitos de cenoura e defeitos de cometa são definidos como defeitos assassinos para dispositivos SBD e MOSFET. A probabilidade de falha de chips contendo esses defeitos é alta, portanto, controlar o número de defeitos assassinos é extremamente importante para melhorar o rendimento dos chips e reduzir custos. A Figura 5 mostra a distribuição de defeitos assassinos de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Sob a condição de que não haja desequilíbrio óbvio na relação C/Si, os defeitos cenoura e cometa podem ser basicamente eliminados, enquanto os defeitos de gota e os defeitos triangulares estão relacionados ao controle de limpeza durante a operação do equipamento epitaxial, o nível de impureza de grafite peças na câmara de reação e a qualidade do substrato. Na Tabela 2, podemos ver que a densidade de defeitos fatais de wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm pode ser controlada dentro de 0,3 partículas/cm2, o que é um nível excelente para o mesmo tipo de equipamento. O nível de controle de densidade de defeito fatal do wafer epitaxial de 150 mm é melhor do que o do wafer epitaxial de 200 mm. Isso ocorre porque o processo de preparação do substrato de 150 mm é mais maduro do que o de 200 mm, a qualidade do substrato é melhor e o nível de controle de impurezas da câmara de reação de grafite de 150 mm é melhor.

2.4 Rugosidade da superfície do wafer epitaxial

A Figura 6 mostra as imagens AFM da superfície de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Como pode ser visto na figura, a rugosidade quadrada média da raiz superficial Ra de wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm é de 0,129 nm e 0,113 nm, respectivamente, e a superfície da camada epitaxial é lisa, sem fenômeno óbvio de agregação de macroetapas, que indica que o crescimento da camada epitaxial sempre mantém o modo de crescimento do fluxo escalonado durante todo o processo epitaxial, e nenhuma agregação escalonada ocorre. Pode-se observar que a camada epitaxial com superfície lisa pode ser obtida em substratos de baixo ângulo de 150 mm e 200 mm usando o processo de crescimento epitaxial otimizado.

3. Conclusões

Wafers homoepitaxiais 4H-SiC de 150 mm e 200 mm foram preparados com sucesso em substratos domésticos usando o equipamento de crescimento epitaxial SiC de 200 mm desenvolvido pela própria empresa, e um processo homoepitaxial adequado para 150 mm e 200 mm foi desenvolvido. A taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 μm/h. Embora atenda aos requisitos de epitaxia de alta velocidade, a qualidade do wafer epitaxial é excelente. A uniformidade da espessura das bolachas epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm pode ser controlada dentro de 1,5%, a uniformidade da concentração é inferior a 3%, a densidade do defeito fatal é inferior a 0,3 partículas/cm2 e a raiz quadrada média da rugosidade da superfície epitaxial Ra é menos de 0,15nm. Os principais indicadores do processo dos wafers epitaxiais estão no nível avançado da indústria.

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