Recherche sur un four épitaxial SiC de 8 pouces et un procédé homoépitaxial

Actuellement, l'industrie du SiC passe de 150 mm (6 pouces) à 200 mm (8 pouces). Afin de répondre à la demande urgente de l'industrie en tranches homoépitaxiales SiC de grande taille et de haute qualité, des tranches homoépitaxiales SiC 4H-SiC de 150 mm et 200 mm ont été préparées avec succès sur des substrats domestiques à l'aide de l'équipement de croissance épitaxiale SiC 200 mm développé indépendamment. Un procédé homoépitaxial adapté aux 150 mm et 200 mm a été développé, dans lequel la vitesse de croissance épitaxiale peut être supérieure à 60 μm/h. Tout en répondant à l'épitaxie à grande vitesse, la qualité de la plaquette épitaxiale est excellente. L'uniformité de l'épaisseur des tranches épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm peut être contrôlée dans une plage de 1,5 %, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3 %, la densité des défauts mortels est inférieure à 0,3 particules/cm2 et la valeur quadratique moyenne de la rugosité de la surface épitaxiale Ra est moins de 0,15 nm, et tous les indicateurs de processus de base sont au niveau avancé de l'industrie.

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des représentants des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il présente les caractéristiques d'une intensité de champ de claquage élevée, d'une excellente conductivité thermique, d'une grande vitesse de dérive de saturation des électrons et d'une forte résistance aux rayonnements. Il a considérablement augmenté la capacité de traitement de l'énergie des appareils électriques et peut répondre aux exigences de service de la prochaine génération d'équipements électroniques de puissance pour les appareils à haute puissance, de petite taille, à haute température, à rayonnement élevé et d'autres conditions extrêmes. Il peut réduire l'espace, réduire la consommation d'énergie et réduire les besoins en refroidissement. Il a apporté des changements révolutionnaires dans les véhicules à énergie nouvelle, le transport ferroviaire, les réseaux intelligents et d’autres domaines. Par conséquent, les semi-conducteurs en carbure de silicium sont désormais reconnus comme le matériau idéal qui dirigera la prochaine génération de dispositifs électroniques de puissance haute puissance. Ces dernières années, grâce au soutien politique national au développement de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération, la recherche, le développement et la construction du système industriel des dispositifs SiC de 150 mm ont été pratiquement achevés en Chine, et la sécurité de la chaîne industrielle a été été fondamentalement garanti. Par conséquent, l’attention de l’industrie s’est progressivement déplacée vers le contrôle des coûts et l’amélioration de l’efficacité. Comme le montre le tableau 1, par rapport au SiC de 150 mm, le SiC de 200 mm a un taux d'utilisation des bords plus élevé et la production de puces à tranche unique peut être augmentée d'environ 1,8 fois. Une fois la technologie mature, le coût de fabrication d’une seule puce peut être réduit de 30 %. La percée technologique de 200 mm est un moyen direct de « réduire les coûts et d'augmenter l'efficacité », et c'est également la clé pour que l'industrie chinoise des semi-conducteurs « fonctionne en parallèle » ou même « mène ».

Différent du processus des dispositifs Si, les dispositifs de puissance à semi-conducteurs SiC sont tous traités et préparés avec des couches épitaxiales comme pierre angulaire. Les plaquettes épitaxiales sont des matériaux de base essentiels pour les dispositifs de puissance SiC. La qualité de la couche épitaxiale détermine directement le rendement du dispositif, et son coût représente 20 % du coût de fabrication de la puce. Par conséquent, la croissance épitaxiale est un maillon intermédiaire essentiel dans les dispositifs de puissance SiC. La limite supérieure du niveau du processus épitaxial est déterminée par l'équipement épitaxial. À l'heure actuelle, le degré de localisation des équipements épitaxiaux SiC nationaux de 150 mm est relativement élevé, mais la disposition globale de 200 mm est en même temps en retard par rapport au niveau international. Par conséquent, afin de résoudre les besoins urgents et les problèmes de goulot d'étranglement liés à la fabrication de matériaux épitaxiaux de grande taille et de haute qualité pour le développement de l'industrie nationale des semi-conducteurs de troisième génération, cet article présente l'équipement épitaxial SiC de 200 mm développé avec succès dans mon pays, et étudie le processus d'épitaxie. En optimisant les paramètres du procédé tels que la température du procédé, le débit du gaz porteur, le rapport C/Si, etc., l'uniformité de la concentration < 3 %, la non-uniformité de l'épaisseur < 1,5 %, la rugosité Ra < 0,2 nm et la densité des défauts mortels < 0,3 particules /cm2 de tranches épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm avec un four épitaxial en carbure de silicium de 200 mm auto-développé sont obtenus. Le niveau de processus d'équipement peut répondre aux besoins de préparation de dispositifs d'alimentation SiC de haute qualité.

1 Expériences

1.1 Principe du procédé d'épitaxie SiC

Le processus de croissance homoépitaxiale du 4H-SiC comprend principalement 2 étapes clés, à savoir la gravure in situ à haute température du substrat 4H-SiC et le processus de dépôt chimique en phase vapeur homogène. L'objectif principal de la gravure in situ du substrat est d'éliminer les dommages souterrains du substrat après le polissage de la tranche, le liquide de polissage résiduel, les particules et la couche d'oxyde, et une structure à étapes atomiques régulières peut être formée sur la surface du substrat par gravure. La gravure in situ est généralement réalisée dans une atmosphère d'hydrogène. Selon les exigences réelles du processus, une petite quantité de gaz auxiliaire peut également être ajoutée, telle que du chlorure d'hydrogène, du propane, de l'éthylène ou du silane. La température de gravure à l'hydrogène in situ est généralement supérieure à 1 600 ℃ et la pression de la chambre de réaction est généralement contrôlée en dessous de 2 × 104 Pa pendant le processus de gravure.

Une fois la surface du substrat activée par gravure in situ, elle entre dans le processus de dépôt chimique en phase vapeur à haute température, c'est-à-dire la source de croissance (telle que l'éthylène/propane, le TCS/silane), la source de dopage (source de dopage de type n, azote). , source de dopage de type p TMAl) et du gaz auxiliaire tel que le chlorure d'hydrogène sont transportés vers la chambre de réaction via un flux important de gaz porteur (généralement de l'hydrogène). Après que le gaz ait réagi dans la chambre de réaction à haute température, une partie du précurseur réagit chimiquement et s'adsorbe sur la surface de la tranche, et une couche épitaxiale monocristalline homogène de 4H-SiC avec une concentration de dopage spécifique, une épaisseur spécifique et une qualité supérieure est formée sur la surface du substrat en utilisant le substrat monocristallin 4H-SiC comme modèle. Après des années d'exploration technique, la technologie homoépitaxiale 4H-SiC a fondamentalement mûri et est largement utilisée dans la production industrielle. La technologie homoépitaxiale 4H-SiC la plus utilisée dans le monde présente deux caractéristiques typiques : (1) Utiliser un substrat coupé oblique hors axe (par rapport au plan cristallin <0001>, vers la direction cristalline <11-20>) comme substrat modèle, une couche épitaxiale monocristalline 4H-SiC de haute pureté sans impuretés est déposée sur le substrat sous la forme d'un mode de croissance par étapes. La première croissance homoépitaxiale du 4H-SiC utilisait un substrat cristallin positif, c'est-à-dire le plan <0001> Si pour la croissance. La densité des marches atomiques à la surface du substrat cristallin positif est faible et les terrasses sont larges. La croissance de nucléation bidimensionnelle se produit facilement pendant le processus d'épitaxie pour former du SiC cristallin 3C (3C-SiC). Grâce à une coupe hors axe, des marches atomiques à haute densité et à largeur de terrasse étroite peuvent être introduites sur la surface du substrat 4H-SiC <0001>, et le précurseur adsorbé peut atteindre efficacement la position de marche atomique avec une énergie de surface relativement faible par diffusion de surface. . À l'étape, la position de liaison atome précurseur/groupe moléculaire est unique, donc dans le mode de croissance par étapes, la couche épitaxiale peut parfaitement hériter de la séquence d'empilement de double couche atomique Si-C du substrat pour former un monocristal avec le même cristal. phase comme substrat. (2) Une croissance épitaxiale à grande vitesse est obtenue en introduisant une source de silicium contenant du chlore. Dans les systèmes conventionnels de dépôt chimique en phase vapeur de SiC, le silane et le propane (ou l'éthylène) sont les principales sources de croissance. Dans le processus d'augmentation du taux de croissance en augmentant le débit de la source de croissance, à mesure que la pression partielle d'équilibre du composant silicium continue d'augmenter, il est facile de former des amas de silicium par nucléation homogène en phase gazeuse, ce qui réduit considérablement le taux d'utilisation du source de silicium. La formation d'amas de silicium limite fortement l'amélioration du taux de croissance épitaxiale. Dans le même temps, les amas de silicium peuvent perturber la croissance du flux échelonné et provoquer une nucléation défectueuse. Afin d'éviter une nucléation homogène en phase gazeuse et d'augmenter le taux de croissance épitaxiale, l'introduction de sources de silicium à base de chlore est actuellement la méthode principale pour augmenter le taux de croissance épitaxiale du 4H-SiC.

1.2 Équipement d'épitaxie SiC de 200 mm (8 pouces) et conditions de traitement

Les expériences décrites dans cet article ont toutes été menées sur un équipement épitaxial SiC à paroi chaude horizontale monolithique compatible de 150/200 mm (6/8 pouces) développé indépendamment par le 48e Institut de China Electronics Technology Group Corporation. Le four épitaxial prend en charge le chargement et le déchargement entièrement automatiques des plaquettes. La figure 1 est un diagramme schématique de la structure interne de la chambre de réaction de l'équipement épitaxial. Comme le montre la figure 1, la paroi extérieure de la chambre de réaction est une cloche en quartz avec une couche intermédiaire refroidie à l'eau, et l'intérieur de la cloche est une chambre de réaction à haute température, composée de feutre de carbone d'isolation thermique, de haute pureté. cavité spéciale en graphite, base rotative flottante au gaz graphite, etc. L'ensemble de la cloche de quartz est recouvert d'une bobine d'induction cylindrique et la chambre de réaction à l'intérieur de la cloche est chauffée électromagnétiquement par une alimentation à induction moyenne fréquence. Comme le montre la figure 1 (b), le gaz porteur, le gaz de réaction et le gaz dopant s'écoulent tous à travers la surface de la plaquette dans un flux laminaire horizontal depuis l'amont de la chambre de réaction vers l'aval de la chambre de réaction et sont évacués de la queue. extrémité gaz. Pour garantir la cohérence au sein de la plaquette, la plaquette portée par la base flottante à air tourne toujours pendant le processus.

Le substrat utilisé dans l'expérience est un substrat SiC poli double face conducteur de type N 4H-SiC <1120> commercial de 150 mm, 200 mm (6 pouces, 8 pouces) dans une direction hors angle de 4 °, produit par Shanxi Shuoke Crystal. Le trichlorosilane (SiHCl3, TCS) et l'éthylène (C2H4) sont utilisés comme principales sources de croissance dans l'expérience de procédé, parmi lesquels le TCS et le C2H4 sont utilisés respectivement comme source de silicium et de carbone, l'azote de haute pureté (N2) est utilisé comme n- type de source de dopage, et l'hydrogène (H2) est utilisé comme gaz de dilution et gaz porteur. La plage de température du processus épitaxial est de 1 600 à 1 660 ℃, la pression du processus est de 8 × 103 à 12 × 103 Pa et le débit de gaz porteur H2 est de 100 à 140 L/min.

1.3 Tests et caractérisation des plaquettes épitaxiales

Un spectromètre infrarouge de Fourier (fabricant d'équipement Thermalfisher, modèle iS50) et un testeur de concentration de sonde à mercure (fabricant d'équipement Semilab, modèle 530L) ont été utilisés pour caractériser la moyenne et la distribution de l'épaisseur de la couche épitaxiale et de la concentration de dopage ; l'épaisseur et la concentration de dopage de chaque point de la couche épitaxiale ont été déterminées en prenant des points le long de la ligne de diamètre coupant la ligne normale du bord de référence principal à 45° au centre de la tranche avec un retrait de bord de 5 mm. Pour une plaquette de 150 mm, 9 points ont été pris le long d'une ligne de diamètre unique (deux diamètres étaient perpendiculaires l'un à l'autre) et pour une plaquette de 200 mm, 21 points ont été pris, comme le montre la figure 2. Un microscope à force atomique (fabricant d'équipement Bruker, modèle Dimension Icon) a été utilisé pour sélectionner des zones de 30 μm × 30 μm dans la zone centrale et la zone de bord (enlèvement des bords de 5 mm) de la plaquette épitaxiale afin de tester la rugosité de surface de la couche épitaxiale ; les défauts de la couche épitaxiale ont été mesurés à l'aide d'un testeur de défauts de surface (équipementier China Electronics Kefenghua, modèle Mars 4410 pro) pour caractérisation.

2 Résultats expérimentaux et discussion

2.1 Épaisseur et uniformité de la couche épitaxiale

L'épaisseur de la couche épitaxiale, la concentration de dopage et l'uniformité sont l'un des principaux indicateurs permettant de juger de la qualité des plaquettes épitaxiales. L'épaisseur, la concentration de dopage et l'uniformité avec précision contrôlables au sein de la tranche sont la clé pour garantir les performances et la cohérence des dispositifs de puissance SiC, et l'épaisseur de la couche épitaxiale et l'uniformité de la concentration de dopage sont également des bases importantes pour mesurer la capacité de traitement des équipements épitaxiaux.

La figure 3 montre l'uniformité de l'épaisseur et la courbe de distribution de tranches épitaxiales SiC de 150 mm et 200 mm. On peut voir sur la figure que la courbe de distribution de l'épaisseur de la couche épitaxiale est symétrique par rapport au point central de la tranche. La durée du processus épitaxial est de 600 s, l'épaisseur moyenne de la couche épitaxiale de la tranche épitaxiale de 150 mm est de 10,89 µm et l'uniformité de l'épaisseur est de 1,05 %. Par calcul, le taux de croissance épitaxiale est de 65,3 µm/h, ce qui correspond à un niveau de processus épitaxial rapide typique. Pendant le même temps de traitement épitaxial, l'épaisseur de la couche épitaxiale de la tranche épitaxiale de 200 mm est de 10,10 μm, l'uniformité de l'épaisseur est inférieure à 1,36 % et le taux de croissance global est de 60,60 μm/h, ce qui est légèrement inférieur à la croissance épitaxiale de 150 mm. taux. En effet, il y a une perte évidente en cours de route lorsque la source de silicium et la source de carbone s'écoulent de l'amont de la chambre de réaction à travers la surface de la tranche jusqu'en aval de la chambre de réaction, et que la surface de la tranche de 200 mm est plus grande que celle de 150 mm. Le gaz circule à travers la surface de la plaquette de 200 mm sur une distance plus longue, et la quantité de gaz source consommée en cours de route est plus importante. À condition que la tranche continue de tourner, l’épaisseur globale de la couche épitaxiale est plus fine, ce qui fait que le taux de croissance est plus lent. Dans l'ensemble, l'uniformité de l'épaisseur des tranches épitaxiales de 150 mm et 200 mm est excellente et la capacité de traitement de l'équipement peut répondre aux exigences des dispositifs de haute qualité.

2.2 Concentration et uniformité du dopage de la couche épitaxiale

La figure 4 montre l'uniformité de la concentration de dopage et la distribution des courbes de tranches épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm. Comme le montre la figure, la courbe de distribution de concentration sur la tranche épitaxiale présente une symétrie évidente par rapport au centre de la tranche. L'uniformité de la concentration de dopage des couches épitaxiales de 150 mm et 200 mm est respectivement de 2,80 % et 2,66 %, ce qui peut être contrôlé à moins de 3 %, ce qui constitue un excellent niveau parmi les équipements similaires internationaux. La courbe de concentration de dopage de la couche épitaxiale est distribuée en forme de « W » le long de la direction du diamètre, qui est principalement déterminée par le champ d'écoulement du four épitaxial à paroi chaude horizontale, car la direction du flux d'air du four de croissance épitaxiale à flux d'air horizontal est de l'extrémité d'entrée d'air (en amont) et s'écoule depuis l'extrémité aval selon un écoulement laminaire à travers la surface de la tranche ; étant donné que le taux « d'épuisement en cours de route » de la source de carbone (C2H4) est supérieur à celui de la source de silicium (TCS), lorsque la tranche tourne, le rapport C/Si réel sur la surface de la tranche diminue progressivement du bord à Au centre (la source de carbone au centre est moindre), selon la « théorie de la position concurrentielle » de C et N, la concentration de dopage au centre de la plaquette diminue progressivement vers le bord. Afin d'obtenir une excellente uniformité de concentration, le bord N2 est ajouté en compensation pendant le processus d'épitaxie pour ralentir la diminution de la concentration de dopage du centre vers le bord, de sorte que la courbe de concentration de dopage finale présente une forme en « W ».

2.3 Défauts de la couche épitaxiale

Outre l'épaisseur et la concentration de dopage, le niveau de contrôle des défauts de la couche épitaxiale est également un paramètre essentiel pour mesurer la qualité des tranches épitaxiales et un indicateur important de la capacité de traitement des équipements épitaxiaux. Bien que les SBD et les MOSFET aient des exigences différentes en matière de défauts, des défauts de morphologie de surface plus évidents, tels que les défauts de goutte, les défauts de triangle, les défauts de carotte et les défauts de comète, sont définis comme des défauts mortels pour les dispositifs SBD et MOSFET. La probabilité de défaillance des puces contenant ces défauts est élevée, il est donc extrêmement important de contrôler le nombre de défauts tueurs pour améliorer le rendement des puces et réduire les coûts. La figure 5 montre la répartition des défauts tueurs de tranches épitaxiales SiC de 150 mm et 200 mm. À condition qu'il n'y ait pas de déséquilibre évident dans le rapport C/Si, les défauts de carotte et les défauts de comète peuvent être fondamentalement éliminés, tandis que les défauts de goutte et les défauts de triangle sont liés au contrôle de la propreté pendant le fonctionnement de l'équipement épitaxial, le niveau d'impureté du graphite pièces dans la chambre de réaction et la qualité du substrat. D'après le tableau 2, nous pouvons voir que la densité de défauts fatals des tranches épitaxiales de 150 mm et 200 mm peut être contrôlée dans la limite de 0,3 particules/cm2, ce qui est un excellent niveau pour le même type d'équipement. Le niveau de contrôle de la densité des défauts fatals d'une tranche épitaxiale de 150 mm est meilleur que celui d'une tranche épitaxiale de 200 mm. En effet, le processus de préparation du substrat de 150 mm est plus mature que celui de 200 mm, la qualité du substrat est meilleure et le niveau de contrôle des impuretés de la chambre de réaction en graphite de 150 mm est meilleur.

2.4 Rugosité de la surface des plaquettes épitaxiales

La figure 6 montre les images AFM de la surface de tranches épitaxiales SiC de 150 mm et 200 mm. Comme le montre la figure, la rugosité quadratique moyenne de la surface Ra des tranches épitaxiales de 150 mm et 200 mm est respectivement de 0,129 nm et 0,113 nm, et la surface de la couche épitaxiale est lisse, sans phénomène d'agrégation macro-étape évident, ce qui indique que la croissance de la couche épitaxiale maintient toujours le mode de croissance par étapes pendant tout le processus épitaxial et qu'aucune agrégation par étapes ne se produit. On peut voir que la couche épitaxiale à surface lisse peut être obtenue sur des substrats à faible angle de 150 mm et 200 mm en utilisant le processus de croissance épitaxiale optimisée.

3. Conclusions

Des tranches homoépitaxiales de 4H-SiC de 150 mm et 200 mm ont été préparées avec succès sur des substrats domestiques à l'aide de l'équipement de croissance épitaxiale SiC de 200 mm développé par nous-mêmes, et un procédé homoépitaxial adapté aux 150 mm et 200 mm a été développé. La vitesse de croissance épitaxiale peut être supérieure à 60 µm/h. Tout en répondant aux exigences de l'épitaxie à grande vitesse, la qualité de la plaquette épitaxiale est excellente. L'uniformité de l'épaisseur des tranches épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm peut être contrôlée dans une plage de 1,5 %, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3 %, la densité des défauts mortels est inférieure à 0,3 particules/cm2 et la valeur quadratique moyenne de la rugosité de la surface épitaxiale Ra est moins de 0,15 nm. Les principaux indicateurs de processus des plaquettes épitaxiales se situent au niveau avancé de l'industrie.

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