8-дюймова SiC епітаксіальна піч і дослідження гомоепітаксійного процесу

В даний час промисловість SiC трансформується з 150 мм (6 дюймів) на 200 мм (8 дюймів). Щоб задовольнити нагальний попит на високоякісні гомоепітаксіальні пластини SiC великого розміру в промисловості, гомоепітаксіальні пластини 4H-SiC товщиною 150 мм і 200 мм були успішно виготовлені на вітчизняних підкладках за допомогою обладнання для епітаксійного вирощування 200 мм SiC. Було розроблено гомоепітаксіальний процес, придатний для 150 мм і 200 мм, у якому швидкість епітаксійного росту може перевищувати 60 мкм/год. При виконанні високошвидкісної епітаксії якість епітаксійної пластини чудова. Однорідність товщини 150 мм і 200 мм епітаксійних пластин SiC можна контролювати в межах 1,5%, однорідність концентрації становить менше 3%, щільність фатальних дефектів становить менше 0,3 частинок/см2, а епітаксіальна шорсткість поверхні Ra становить середньоквадратичне значення. менше 0,15 нм, і всі основні показники процесу знаходяться на передовому рівні галузі.

Карбід кремнію (SiC) є одним із представників напівпровідникових матеріалів третього покоління. Він має характеристики високої напруженості поля пробою, чудової теплопровідності, великої швидкості дрейфу насичення електронів і високої радіаційної стійкості. Він значно розширив потужність обробки енергії енергетичних пристроїв і може задовольнити вимоги до обслуговування наступного покоління силового електронного обладнання для пристроїв з великою потужністю, малими розмірами, високою температурою, високим випромінюванням та іншими екстремальними умовами. Це може зменшити простір, споживання електроенергії та потреби в охолодженні. Це принесло революційні зміни в нові енергетичні транспортні засоби, залізничний транспорт, розумні мережі та інші сфери. Таким чином, напівпровідники з карбіду кремнію визнані ідеальним матеріалом, який стане лідером наступного покоління потужних електронних пристроїв. В останні роки завдяки підтримці національної політики розвитку напівпровідникової промисловості третього покоління в Китаї в основному завершено дослідження, розробку та будівництво 150-міліметрової системи промисловості SiC, а безпека промислового ланцюга зросла. в основному гарантовано. Тому фокус галузі поступово змістився на контроль витрат і підвищення ефективності. Як показано в таблиці 1, у порівнянні зі 150 мм, 200 мм SiC має більш високий коефіцієнт використання краю, і вихід однопластинчастих чіпів можна збільшити приблизно в 1,8 рази. Після розвитку технології вартість виробництва одного чіпа може бути знижена на 30%. Технологічний прорив на 200 мм є прямим засобом «зменшення витрат і підвищення ефективності», а також є ключем до того, щоб напівпровідникова промисловість моєї країни «працювала паралельно» або навіть «лідирувала».

На відміну від SiC-процесу, напівпровідникові силові пристрої SiC обробляються та готуються з епітаксіальними шарами як наріжним каменем. Епітаксійні пластини є важливими основними матеріалами для силових пристроїв із SiC. Якість епітаксійного шару безпосередньо визначає продуктивність пристрою, а його вартість становить 20% від вартості виготовлення чіпа. Тому епітаксійне зростання є важливою проміжною ланкою в силових пристроях SiC. Верхня межа рівня епітаксійного процесу визначається епітаксійним обладнанням. В даний час ступінь локалізації внутрішнього епітаксійного обладнання SiC 150 мм є відносно високим, але загальна схема 200 мм відстає від міжнародного рівня в той же час. Тому, щоб вирішити нагальні потреби та проблеми вузьких місць у виробництві великогабаритних високоякісних епітаксійних матеріалів для розвитку вітчизняної напівпровідникової промисловості третього покоління, у цій статті представлено 200-мм SiC епітаксійне обладнання, успішно розроблене в моїй країні, і вивчає епітаксійний процес. Завдяки оптимізації параметрів процесу, таких як температура процесу, швидкість потоку газу-носія, співвідношення C/Si тощо, однорідність концентрації <3%, нерівномірність товщини <1,5%, шорсткість Ra <0,2 нм і щільність фатальних дефектів <0,3 частинок /см2 отримано епітаксіальні пластини SiC 150 мм і 200 мм з епітаксіальною піччю карбіду кремнію власної розробки 200 мм. Рівень процесу обладнання може задовольнити потреби високоякісної підготовки силових пристроїв SiC.

1 Досліди

1.1 Принцип епітаксійного процесу SiC

Процес гомоепітаксіального вирощування 4H-SiC в основному включає 2 ключові етапи, а саме високотемпературне травлення на місці підкладки 4H-SiC і гомогенний процес хімічного осадження з парової фази. Основною метою травлення підкладки на місці є видалення підповерхневих пошкоджень підкладки після полірування пластини, залишків полірувальної рідини, частинок і оксидного шару, а регулярна атомна ступінчаста структура може бути сформована на поверхні підкладки шляхом травлення. Травлення на місці зазвичай виконується в атмосфері водню. Відповідно до фактичних вимог процесу також можна додати невелику кількість допоміжного газу, такого як хлористий водень, пропан, етилен або силан. Температура водневого травлення на місці зазвичай перевищує 1600 ℃, а тиск у реакційній камері зазвичай контролюється нижче 2×104 Па під час процесу травлення.

Після того, як поверхня підкладки активується травленням на місці, вона входить у процес високотемпературного хімічного осадження з парової фази, тобто джерело росту (наприклад, етилен/пропан, ТКС/силан), джерело легування (джерело легування n-типу азот , джерело легування p-типу TMAl), а допоміжний газ, такий як хлористий водень, транспортується до реакційної камери через великий потік газу-носія (зазвичай водню). Після того, як газ реагує у високотемпературній реакційній камері, частина прекурсора вступає в хімічну реакцію та адсорбується на поверхні пластини, і утворюється монокристалічний гомогенний епітаксійний шар 4H-SiC із певною концентрацією легування, специфічною товщиною та вищою якістю. на поверхні підкладки з використанням монокристалічної підкладки 4H-SiC як шаблону. Після багатьох років технічних досліджень гомоепітаксіальна технологія 4H-SiC в основному вдосконалилася і широко використовується в промисловому виробництві. Найпоширеніша гомоепітаксіальна технологія 4H-SiC у світі має дві типові характеристики: (1) Використання позаосьової (відносно площини кристала <0001> у напрямку кристала <11-20>) підкладки з косим зрізом як шаблону, високочистий монокристалічний епітаксіальний шар 4H-SiC без домішок наноситься на підкладку у вигляді ступінчастого режиму росту. Ранній гомоепітаксіальний ріст 4H-SiC використовував позитивну кристалічну підкладку, тобто площину <0001> Si для росту. Щільність атомних сходинок на поверхні позитивної кристалічної підкладки низька, а тераси широкі. Двовимірне зростання зародків легко відбувається під час процесу епітаксії з утворенням 3C кристала SiC (3C-SiC). За допомогою позаосьового різання на поверхні підкладки 4H-SiC <0001> можна ввести високощільні атомні сходинки з вузькою шириною тераси, і адсорбований попередник може ефективно досягати положення атомної сходинки з відносно низькою поверхневою енергією через поверхневу дифузію . На цьому етапі положення зв’язку атом-попередник/молекулярна група є унікальним, тому в режимі ступінчастого потоку епітаксійний шар може ідеально успадкувати послідовність укладання подвійного атомного шару Si-C підкладки, щоб утворити монокристал з тим самим кристалом фаза як субстрат. (2) Високошвидкісний епітаксійний ріст досягається введенням джерела кремнію, що містить хлор. У звичайних системах хімічного осадження SiC силан і пропан (або етилен) є основними джерелами зростання. У процесі збільшення швидкості росту за рахунок збільшення швидкості потоку джерела росту, оскільки рівноважний парціальний тиск кремнієвого компонента продовжує зростати, легко утворювати кремнієві кластери шляхом гомогенного зародження газової фази, що значно знижує коефіцієнт використання джерело кремнію. Утворення кремнієвих кластерів значно обмежує покращення швидкості епітаксійного росту. У той же час кремнієві кластери можуть заважати зростанню ступінчастого потоку і викликати зародження дефектів. Щоб уникнути гомогенного зародження газової фази та збільшити швидкість епітаксійного росту, впровадження джерел кремнію на основі хлору є наразі основним методом збільшення швидкості епітаксійного росту 4H-SiC.

1.2 200 мм (8 дюймів) SiC епітаксійне обладнання та умови процесу

Експерименти, описані в цій статті, проводилися на сумісному монолітному епітаксіальному обладнанні SiC з горизонтальною гарячою стінкою 150/200 мм (6/8 дюймів), незалежно розробленому 48-м Інститутом китайської корпорації Electronics Technology Group Corporation. Епітаксіальна піч підтримує повністю автоматичне завантаження та вивантаження пластин. На малюнку 1 представлена ​​принципова схема внутрішньої структури реакційної камери епітаксіального обладнання. Як показано на малюнку 1, зовнішня стінка реакційної камери являє собою кварцовий дзвін з прошарком, що охолоджується водою, а внутрішня частина дзвона являє собою високотемпературну реакційну камеру, яка складається з теплоізоляційного вуглецевого повсті високої чистоти. спеціальна графітова порожнина, графітова газова плаваюча обертова основа тощо. Весь кварцовий дзвін покритий циліндричною індукційною котушкою, а реакційна камера всередині дзвона електромагнітно нагрівається за допомогою індукційного джерела живлення середньої частоти. Як показано на малюнку 1 (b), газ-носій, реакційний газ і легуючий газ протікають через поверхню пластини горизонтальним ламінарним потоком від верхньої частини реакційної камери до нижньої за потоком реакційної камери та виводяться з хвоста. газовий кінець. Щоб забезпечити консистенцію всередині пластини, пластина, що переноситься повітряною плаваючою основою, завжди обертається під час процесу.

Підкладка, яка використовується в експерименті, є комерційною 150 мм, 200 мм (6 дюймів, 8 дюймів) <1120> напрямком 4° кутової провідності n-типу 4H-SiC двосторонньої полірованої підкладки SiC виробництва Shanxi Shuoke Crystal. Трихлорсилан (SiHCl3, TCS) і етилен (C2H4) використовуються як основні джерела росту в експерименті процесу, серед яких TCS і C2H4 використовуються як джерело кремнію та джерело вуглецю відповідно, азот високої чистоти (N2) використовується як n- тип джерела легування, а водень (H2) використовується як розріджувальний газ і газ-носій. Діапазон температур епітаксійного процесу становить 1600 ~ 1660 ℃, тиск процесу становить 8×103 ~12×103 Па, а швидкість потоку газу-носія H2 становить 100～140 л/хв.

1.3 Тестування епітаксійної пластини та характеристика

Інфрачервоний спектрометр Фур’є (виробник обладнання Thermalfisher, модель iS50) і вимірювач концентрації ртутного зонда (виробник обладнання Semilab, модель 530L) використовувалися для визначення середнього значення та розподілу товщини епітаксійного шару та концентрації легуючої речовини; товщину та концентрацію допування кожної точки в епітаксіальному шарі визначали, беручи точки вздовж лінії діаметра, що перетинає нормальну лінію головного опорного краю під кутом 45° у центрі пластини з видаленням краю 5 мм. Для пластини діаметром 150 мм було взято 9 точок уздовж однієї лінії діаметра (два діаметри були перпендикулярні один одному), а для пластини діаметром 200 мм було взято 21 точку, як показано на малюнку 2. Атомно-силовий мікроскоп (виробник обладнання) Bruker, модель Dimension Icon) використовувався для вибору ділянок 30 мкм × 30 мкм у центральній зоні та крайовій зоні (видалення краю 5 мм) епітаксійної пластини для перевірки шорсткості поверхні епітаксійного шару; дефекти епітаксійного шару вимірювали за допомогою приладу для визначення дефектів поверхні (виробник обладнання China Electronics Kefenghua, модель Mars 4410 pro).

2 Експериментальні результати та їх обговорення

2.1 Товщина та однорідність епітаксійного шару

Товщина епітаксійного шару, концентрація легування та однорідність є одними з основних показників для оцінки якості епітаксійних пластин. Точна контрольована товщина, концентрація легування та однорідність у пластині є ключовими для забезпечення продуктивності та узгодженості силових пристроїв SiC, а товщина епітаксійного шару та однорідність концентрації легування також є важливою основою для вимірювання технологічних можливостей епітаксійного обладнання.

На малюнку 3 показано рівномірність товщини та криву розподілу епітаксіальних пластин SiC товщиною 150 мм і 200 мм. З малюнка видно, що крива розподілу товщини епітаксійного шару симетрична відносно центральної точки пластини. Час епітаксійного процесу становить 600 с, середня товщина епітаксійного шару епітаксійної пластини 150 мм становить 10,89 мкм, а однорідність товщини становить 1,05%. Згідно з розрахунками, швидкість епітаксійного росту становить 65,3 мкм/год, що є типовим швидким рівнем епітаксійного процесу. За того самого часу епітаксійного процесу товщина епітаксійного шару 200 мм епітаксійної пластини становить 10,10 мкм, рівномірність товщини знаходиться в межах 1,36%, а загальна швидкість росту становить 60,60 мкм/год, що трохи нижче, ніж епітаксійне зростання 150 мм. швидкість. Це тому, що є очевидні втрати на шляху, коли джерело кремнію та джерело вуглецю течуть від верхньої частини реакційної камери через поверхню пластини до нижньої частини реакційної камери, а площа пластини розміром 200 мм більша, ніж площа пластини 150 мм. Газ протікає крізь поверхню 200-міліметрової пластини на більшу відстань, і на цьому шляху споживається більше вихідного газу. За умови, що пластина продовжує обертатися, загальна товщина епітаксійного шару стає меншою, тому швидкість росту повільніша. Загалом однорідність товщини епітаксійних пластин 150 мм і 200 мм чудова, а технологічні можливості обладнання відповідають вимогам високоякісних пристроїв.

2.2 Концентрація та однорідність легування епітаксійного шару

На малюнку 4 показано однорідність концентрації легування та розподіл кривої епітаксіальних пластин SiC 150 мм та 200 мм. Як видно з малюнка, крива розподілу концентрації на епітаксіальній пластині має очевидну симетрію відносно центру пластини. Рівномірність концентрації легування епітаксіальних шарів 150 мм і 200 мм становить 2,80% і 2,66% відповідно, які можна контролювати в межах 3%, що є відмінним рівнем серед міжнародного подібного обладнання. Крива концентрації легування епітаксійного шару розподіляється у формі «W» вздовж напрямку діаметра, який в основному визначається полем потоку епітаксіальної печі з горизонтальною гарячою стінкою, оскільки напрямок повітряного потоку горизонтальної епітаксіальної печі для вирощування повітря є від кінець впуску повітря (вгорі) і витікає з нижнього кінця ламінарним потоком через поверхню пластини; оскільки швидкість «попутного виснаження» джерела вуглецю (C2H4) вища, ніж у джерела кремнію (TCS), коли пластина обертається, фактичне співвідношення C/Si на поверхні пластини поступово зменшується від краю до у центрі (джерело вуглецю в центрі менше), згідно з «теорією конкурентної позиції» C і N, концентрація допінгу в центрі пластини поступово зменшується до краю. Щоб отримати чудову рівномірність концентрації, край N2 додається як компенсація під час епітаксійного процесу, щоб уповільнити зменшення концентрації легування від центру до краю, так що кінцева крива концентрації легування має форму "W".

2.3 Дефекти епітаксійного шару

На додаток до товщини та концентрації легування, рівень контролю дефектів епітаксійного шару також є основним параметром для вимірювання якості епітаксійних пластин і важливим показником технологічних можливостей епітаксійного обладнання. Хоча SBD і MOSFET мають різні вимоги до дефектів, більш очевидні дефекти морфології поверхні, такі як краплинні дефекти, дефекти трикутника, дефекти «морквини» та дефекти «комети», визначаються як дефекти-вбивці для пристроїв SBD і MOSFET. Імовірність виходу з ладу чіпів, які містять ці дефекти, висока, тому контроль кількості вбивчих дефектів надзвичайно важливий для підвищення продуктивності чіпів і зниження витрат. На рисунку 5 показано розподіл дефектів-убивць епітаксіальних пластин SiC 150 мм і 200 мм. За умови відсутності явного дисбалансу у співвідношенні C/Si дефекти «морква» та «кометні» дефекти можна в основному усунути, тоді як краплинні дефекти та трикутні дефекти пов’язані з контролем чистоти під час роботи епітаксійного обладнання, рівень домішок графіту частин у реакційній камері та якість підкладки. З таблиці 2 ми бачимо, що щільність фатальних дефектів епітаксійних пластин 150 мм і 200 мм можна контролювати в межах 0,3 частинок/см2, що є відмінним рівнем для такого ж типу обладнання. Рівень контролю щільності фатальних дефектів для епітаксійної пластини 150 мм кращий, ніж для епітаксійної пластини 200 мм. Це пояснюється тим, що процес підготовки підкладки діаметром 150 мм є більш зрілим, ніж процес підготовки підкладки діаметром 200 мм, якість підкладки краща, а рівень контролю домішок у графітовій реакційній камері розміром 150 мм кращий.

2.4 Шорсткість поверхні епітаксійної пластини

На малюнку 6 показано АСМ-зображення поверхні епітаксіальних пластин SiC товщиною 150 мм і 200 мм. Як видно з малюнка, середньоквадратична шорсткість поверхні Ra епітаксійних пластин 150 мм і 200 мм становить 0,129 нм і 0,113 нм відповідно, а поверхня епітаксійного шару є гладкою, без явного явища агрегації макрокроків, яке вказує на те, що зростання епітаксійного шару завжди підтримує режим росту ступінчастого потоку протягом усього епітаксійного процесу, і не відбувається ступінчастої агрегації. Можна побачити, що епітаксійний шар з гладкою поверхнею можна отримати на 150 мм і 200 мм підкладках з низьким кутом за допомогою оптимізованого процесу епітаксійного росту.

3. Висновки

Гомоепітаксіальні пластини 4H-SiC розміром 150 мм і 200 мм були успішно виготовлені на вітчизняних підкладках за допомогою обладнання для епітаксійного вирощування 200 мм SiC власної розробки, і був розроблений гомоепітаксіальний процес, придатний для 150 мм і 200 мм. Швидкість епітаксіального росту може перевищувати 60 мкм/год. Задовольняючи вимоги щодо високошвидкісної епітаксії, якість епітаксійної пластини є чудовою. Однорідність товщини епітаксійних пластин SiC товщиною 150 мм і 200 мм можна контролювати в межах 1,5%, рівномірність концентрації становить менше 3%, щільність фатальних дефектів становить менше 0,3 частинок/см2, а середньоквадратичне значення епітаксіальної шорсткості Ra становить менше 0,15 нм. Основні показники процесу епітаксіальних пластин знаходяться на найвищому рівні в галузі.

-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- --------------------------------

VeTek Semiconductor є професійним китайським виробникомСтеля з покриттям CVD SiC, Насадка для покриття CVD SiC, іВхідне кільце з покриттям SiC.  VeTek Semiconductor прагне надавати передові рішення для різних продуктів SiC Wafer для напівпровідникової промисловості.

Якщо вам цікаво8-дюймова епітаксіальна піч SiC і гомоепітаксіальний процес, зв’яжіться з нами напряму.

Моб.: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

Електронна адреса: anny@veteksemi.com