8-tommer SiC epitaksial ovn og homoepitaxial procesforskning

I øjeblikket transformerer SiC-industrien fra 150 mm (6 tommer) til 200 mm (8 tommer). For at imødekomme den presserende efterspørgsel efter store, højkvalitets SiC-homoepitaksiale wafere i industrien, blev 150 mm og 200 mm 4H-SiC-homoepitaksiale wafere med succes forberedt på husholdningssubstrater ved hjælp af det uafhængigt udviklede 200 mm SiC-epitaksiale vækstudstyr. Der blev udviklet en homøpitaksial proces egnet til 150 mm og 200 mm, hvor den epitaksiale væksthastighed kan være større end 60 μm/h. Mens den opfylder højhastigheds-epitaksien, er den epitaksiale waferkvalitet fremragende. Tykkelsens ensartethed på 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere kan kontrolleres inden for 1,5 %, koncentrationens ensartethed er mindre end 3 %, den dødelige defekttæthed er mindre end 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overfladeruhed kvadratisk middelværdi Ra er mindre end 0,15 nm, og alle kerneprocesindikatorer er på industriens avancerede niveau.

Siliciumcarbid (SiC) er en af ​​repræsentanterne for tredje generations halvledermaterialer. Det har karakteristika af høj nedbrydningsfeltstyrke, fremragende termisk ledningsevne, stor elektronmætningsdrifthastighed og stærk strålingsmodstand. Det har i høj grad udvidet energibehandlingskapaciteten for strømenheder og kan opfylde servicekravene for den næste generation af strømelektronisk udstyr til enheder med høj effekt, lille størrelse, høj temperatur, høj stråling og andre ekstreme forhold. Det kan reducere plads, reducere strømforbrug og reducere kølebehov. Det har bragt revolutionerende ændringer til nye energikøretøjer, jernbanetransport, smart grids og andre områder. Derfor er halvledere af siliciumcarbid blevet anerkendt som det ideelle materiale, der vil lede den næste generation af elektroniske enheder med høj effekt. I de seneste år, takket være den nationale politiske støtte til udviklingen af ​​tredjegenerations halvlederindustrien, er forskningen og udviklingen og konstruktionen af ​​150 mm SiC-enhedsindustrisystemet stort set blevet afsluttet i Kina, og sikkerheden i industrikæden har grundlæggende været garanteret. Derfor er branchens fokus gradvist flyttet til omkostningskontrol og effektivisering. Som vist i tabel 1, sammenlignet med 150 mm, har 200 mm SiC en højere kantudnyttelsesgrad, og outputtet af enkelte wafer-chips kan øges med omkring 1,8 gange. Når teknologien modnes, kan fremstillingsomkostningerne for en enkelt chip reduceres med 30 %. Det teknologiske gennembrud på 200 mm er et direkte middel til at "reducere omkostninger og øge effektiviteten", og det er også nøglen til, at mit lands halvlederindustri kan "løbe parallelt" eller endda "føre".

Forskellig fra Si-enhedsprocessen behandles og fremstilles SiC-halvledereffektenheder alle med epitaksiale lag som hjørnestenen. Epitaksiale wafere er essentielle basismaterialer til SiC-kraftenheder. Kvaliteten af ​​det epitaksiale lag bestemmer direkte udbyttet af enheden, og dets omkostninger tegner sig for 20% af chipfremstillingsomkostningerne. Derfor er epitaksial vækst et væsentligt mellemled i SiC-kraftenheder. Den øvre grænse for epitaksialt procesniveau bestemmes af epitaksielt udstyr. På nuværende tidspunkt er lokaliseringsgraden af ​​indenlandsk 150 mm SiC epitaksialt udstyr relativt høj, men det overordnede layout på 200 mm halter på samme tid efter det internationale niveau. Derfor, for at løse de presserende behov og flaskehalsproblemer ved fremstilling af epitaksialt materiale i stor størrelse af høj kvalitet til udviklingen af ​​den indenlandske tredjegenerations halvlederindustri, introducerer dette papir 200 mm SiC epitaksialt udstyr, der med succes er udviklet i mit land, og studerer den epitaksiale proces. Ved at optimere procesparametrene såsom procestemperatur, bæregasstrømningshastighed, C/Si-forhold osv., koncentrationens ensartethed <3%, tykkelsesuensartethed <1,5%, ruhed Ra <0,2 nm og fatal defektdensitet <0,3 partikler /cm2 af 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere med selvudviklet 200 mm siliciumcarbid epitaksial ovn opnås. Udstyrets procesniveau kan opfylde behovene for højkvalitets SiC-strømforsyningsforberedelse.

1 Eksperimenter

1.1 Princippet for SiC epitaksial proces

Den 4H-SiC-homoepitaxiale vækstproces omfatter hovedsageligt 2 nøgletrin, nemlig højtemperatur-in-situ-ætsning af 4H-SiC-substrat og homogen kemisk dampaflejringsproces. Hovedformålet med substrat in-situ ætsning er at fjerne undergrundsskaden af ​​substratet efter waferpolering, resterende poleringsvæske, partikler og oxidlag, og en regelmæssig atomart trinstruktur kan dannes på substratoverfladen ved ætsning. In-situ ætsning udføres sædvanligvis i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske proceskrav kan der også tilsættes en lille mængde hjælpegas, såsom hydrogenchlorid, propan, ethylen eller silan. Temperaturen ved in-situ hydrogenætsning er generelt over 1 600 ℃, og trykket i reaktionskammeret kontrolleres generelt under 2×104 Pa under ætseprocessen.

Efter at substratoverfladen er aktiveret ved in-situ ætsning, går den ind i højtemperatur kemisk dampaflejringsprocessen, det vil sige vækstkilden (såsom ethylen/propan, TCS/silan), dopingkilde (n-type dopingkilde nitrogen) , p-type dopingkilde TMAl), og hjælpegas, såsom hydrogenchlorid, transporteres til reaktionskammeret gennem en stor strøm af bæregas (sædvanligvis hydrogen). Efter at gassen har reageret i højtemperaturreaktionskammeret, reagerer en del af precursoren kemisk og adsorberer på waferoverfladen, og der dannes et enkelt-krystal homogent 4H-SiC epitaksiallag med en specifik dopingkoncentration, specifik tykkelse og højere kvalitet. på substratoverfladen under anvendelse af enkeltkrystal 4H-SiC-substratet som skabelon. Efter mange års teknisk udforskning er 4H-SiC-homoepitaxial-teknologien dybest set modnet og er meget brugt i industriel produktion. Den mest udbredte 4H-SiC-homoepitaksiale teknologi i verden har to typiske karakteristika: (1) Brug af et skråt skåret substrat (i forhold til <0001> krystalplanet, mod <11-20> krystalretningen) skabelon aflejres et højrent enkeltkrystal 4H-SiC epitaksielt lag uden urenheder på substratet i form af step-flow væksttilstand. Tidlig 4H-SiC-homoepitaksial vækst brugte et positivt krystalsubstrat, det vil sige <0001> Si-planet til vækst. Tætheden af ​​atomare trin på overfladen af ​​det positive krystalsubstrat er lav, og terrasserne er brede. Todimensionel nukleationsvækst er let at forekomme under epitaksiprocessen for at danne 3C krystal SiC (3C-SiC). Ved at skære uden for aksen kan atomtrin med høj tæthed, smal terrassebredde indføres på overfladen af ​​4H-SiC <0001>-substratet, og den adsorberede precursor kan effektivt nå atomtrinpositionen med relativt lav overfladeenergi gennem overfladediffusion . På trinnet er precursor-atom/molekylgruppebindingspositionen unik, så i step-flow-væksttilstanden kan det epitaksiale lag perfekt arve substratets Si-C-dobbeltatomare lag-stablingssekvens for at danne en enkelt krystal med den samme krystal fase som substrat. (2) Epitaksial vækst i høj hastighed opnås ved at indføre en chlorholdig siliciumkilde. I konventionelle SiC kemiske dampaflejringssystemer er silan og propan (eller ethylen) de vigtigste vækstkilder. I processen med at øge væksthastigheden ved at øge vækstkildens strømningshastighed, efterhånden som siliciumkomponentens ligevægtspartialtryk fortsætter med at stige, er det let at danne siliciumklynger ved homogen gasfasekernedannelse, hvilket væsentligt reducerer udnyttelsesgraden af silicium kilde. Dannelsen af ​​siliciumklynger begrænser i høj grad forbedringen af ​​den epitaksiale væksthastighed. Samtidig kan siliciumklynger forstyrre stepflowvæksten og forårsage defekt kernedannelse. For at undgå homogen gasfase-kernedannelse og øge den epitaksielle væksthastighed, er introduktionen af ​​chlorbaserede siliciumkilder i øjeblikket den almindelige metode til at øge den epitaksiale væksthastighed af 4H-SiC.

1,2 200 mm (8-tommer) SiC epitaksialt udstyr og procesbetingelser

Eksperimenterne beskrevet i dette papir blev alle udført på et 150/200 mm (6/8-tommer) kompatibelt monolitisk vandret SiC-epitaksialt SiC-epitaksialt udstyr, der er uafhængigt udviklet af 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Den epitaksiale ovn understøtter fuldautomatisk waferladning og -tømning. Figur 1 er et skematisk diagram af den indre struktur af reaktionskammeret i det epitaksiale udstyr. Som vist i figur 1 er reaktionskammerets ydre væg en kvartsklokke med et vandkølet mellemlag, og indersiden af ​​klokken er et højtemperaturreaktionskammer, som er sammensat af varmeisolerende kulfilt, høj renhed særligt grafithulrum, grafitgas-flydende roterende base osv. Hele kvartsklokken er dækket af en cylindrisk induktionsspole, og reaktionskammeret inde i klokken opvarmes elektromagnetisk af en mellemfrekvent induktionsstrømforsyning. Som vist i figur 1 (b) strømmer bæregassen, reaktionsgassen og dopinggassen alle gennem waferoverfladen i en horisontal laminær strøm fra opstrøms for reaktionskammeret til nedstrøms for reaktionskammeret og udledes fra halen. gas ende. For at sikre konsistensen inde i waferen, roteres waferen, der bæres af den flydende luftbase, altid under processen.

Det anvendte substrat i eksperimentet er et kommercielt 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4° off-vinkel ledende n-type 4H-SiC dobbeltsidet poleret SiC-substrat produceret af Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) og ethylen (C2H4) anvendes som de vigtigste vækstkilder i procesforsøget, blandt hvilke TCS og C2H4 anvendes som henholdsvis siliciumkilde og kulstofkilde, højrent nitrogen (N2) anvendes som n- type dopingkilde, og brint (H2) bruges som fortyndingsgas og bæregas. Det epitaksiale procestemperaturområde er 1 600 ~ 1 660 ℃, procestrykket er 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, og H2-bæregasstrømningshastigheden er 100 ~ 140 l/min.

1.3 Epitaksial wafer test og karakterisering

Fourier infrarødt spektrometer (udstyrsproducent Thermalfisher, model iS50) og kviksølvsondekoncentrationstester (udstyrsproducent Semilab, model 530L) blev brugt til at karakterisere middelværdien og fordelingen af ​​epitaksial lagtykkelse og dopingkoncentration; tykkelsen og dopingkoncentrationen af ​​hvert punkt i det epitaksiale lag blev bestemt ved at tage punkter langs diameterlinjen, der skærer den normale linje af hovedreferencekanten ved 45° i midten af ​​waferen med 5 mm kantfjernelse. For en 150 mm wafer blev 9 punkter taget langs en enkelt diameterlinje (to diametre var vinkelrette på hinanden), og for en 200 mm wafer blev der taget 21 punkter, som vist i figur 2. Et atomkraftmikroskop (udstyrsfabrikant) Bruker, model Dimension Icon) blev brugt til at vælge 30 μm × 30 μm områder i midterområdet og kantområdet (5 mm kantfjernelse) af den epitaksiale wafer for at teste overfladeruheden af ​​det epitaksiale lag; defekterne i det epitaksiale lag blev målt ved hjælp af en overfladedefekttester (udstyrsproducent China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) til karakterisering.

2 Eksperimentelle resultater og diskussion

2.1 Epitaksial lagtykkelse og ensartethed

Epitaksial lagtykkelse, dopingkoncentration og ensartethed er en af ​​de centrale indikatorer for bedømmelse af kvaliteten af ​​epitaksiale wafere. Nøjagtig kontrollerbar tykkelse, dopingkoncentration og ensartethed i waferen er nøglen til at sikre ydeevnen og konsistensen af ​​SiC-kraftenheder, og epitaksial lagtykkelse og dopingkoncentrationens ensartethed er også vigtige baser for at måle epitaksialt udstyrs proceskapacitet.

Figur 3 viser tykkelsesensartetheden og fordelingskurven for 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Det kan ses af figuren, at den epitaksiale lagtykkelsesfordelingskurve er symmetrisk omkring waferens midtpunkt. Den epitaksiale procestid er 600 s, den gennemsnitlige epitaksiale lagtykkelse på 150 mm epitaksial wafer er 10,89 μm, og tykkelsesensartetheden er 1,05 %. Ved beregning er den epitaksiale væksthastighed 65,3 μm/h, hvilket er et typisk hurtigt epitaksielt procesniveau. Under den samme epitaksiale procestid er den epitaksiale lagtykkelse på 200 mm epitaksial wafer 10,10 μm, tykkelsesensartetheden er inden for 1,36 %, og den samlede væksthastighed er 60,60 μm/h, hvilket er lidt lavere end 150 mm epitaksial vækst sats. Dette skyldes, at der er åbenlyst tab undervejs, når siliciumkilden og kulstofkilden strømmer fra opstrøms for reaktionskammeret gennem waferoverfladen til nedstrøms for reaktionskammeret, og 200 mm waferarealet er større end de 150 mm. Gassen strømmer gennem overfladen af ​​200 mm waferen over en længere afstand, og kildegassen, der forbruges undervejs, er mere. Under den betingelse, at waferen bliver ved med at rotere, er den samlede tykkelse af det epitaksiale lag tyndere, så væksthastigheden er langsommere. Samlet set er tykkelsesensartetheden af ​​150 mm og 200 mm epitaksiale wafere fremragende, og udstyrets procesevne kan opfylde kravene til højkvalitetsenheder.

2.2 Epitaksiallags dopingkoncentration og ensartethed

Figur 4 viser dopingkoncentrationens ensartethed og kurvefordeling af 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Som det kan ses af figuren, har koncentrationsfordelingskurven på den epitaksiale wafer tydelig symmetri i forhold til midten af ​​waferen. Dopingkoncentrationens ensartethed af de 150 mm og 200 mm epitaksiale lag er henholdsvis 2,80 % og 2,66 %, hvilket kan kontrolleres inden for 3 %, hvilket er et fremragende niveau blandt internationalt lignende udstyr. Det epitaksiale lags dopingkoncentrationskurve er fordelt i en "W"-form langs diameterretningen, som hovedsageligt bestemmes af strømningsfeltet for den horisontale hotwall-epitaksiale ovn, fordi luftstrømsretningen for den horisontale luftstrømsepitaksiale vækstovn er fra luftindløbsenden (opstrøms) og strømmer ud fra nedstrømsenden i en laminær strøm gennem waferoverfladen; fordi kulstofkildens (C2H4) "undervejs-udtømningshastighed" er højere end siliciumkildens (TCS), når waferen roterer, falder den faktiske C/Si på waferoverfladen gradvist fra kanten til midten (kulstofkilden i midten er mindre), ifølge "konkurrencepositionsteorien" for C og N, falder dopingkoncentrationen i midten af ​​waferen gradvist mod kanten. For at opnå fremragende koncentrationsensartethed tilsættes kanten N2 som kompensation under epitaksialprocessen for at bremse faldet i dopingkoncentrationen fra midten til kanten, således at den endelige dopingkoncentrationskurve viser en "W"-form.

2.3 Epitaksiale lagdefekter

Ud over tykkelse og dopingkoncentration er niveauet af epitaksial lagdefektkontrol også en kerneparameter til måling af kvaliteten af ​​epitaksiale wafere og en vigtig indikator for epitaksialt udstyrs proceskapacitet. Selvom SBD og MOSFET har forskellige krav til defekter, defineres mere åbenlyse overflademorfologiske defekter såsom falddefekter, trekantsdefekter, gulerodsdefekter og kometdefekter som dræberdefekter for SBD- og MOSFET-enheder. Sandsynligheden for svigt af spåner, der indeholder disse defekter, er høj, så det er ekstremt vigtigt at kontrollere antallet af dræbende defekter for at forbedre spånudbyttet og reducere omkostningerne. Figur 5 viser fordelingen af ​​dræberdefekter på 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Under den betingelse, at der ikke er nogen åbenlys ubalance i C/Si-forholdet, kan gulerodsfejl og kometdefekter grundlæggende elimineres, mens faldfejl og trekantsfejl er relateret til renhedskontrollen under driften af ​​epitaksialt udstyr, urenhedsniveauet af grafit dele i reaktionskammeret, og kvaliteten af ​​substratet. Fra tabel 2 kan vi se, at den fatale defekttæthed på 150 mm og 200 mm epitaksiale wafere kan kontrolleres inden for 0,3 partikler/cm2, hvilket er et fremragende niveau for samme type udstyr. Det fatale defektdensitetskontrolniveau for 150 mm epitaksial wafer er bedre end 200 mm epitaksial wafer. Dette skyldes, at 150 mm substratforberedelsesprocessen er mere moden end 200 mm, substratkvaliteten er bedre, og urenhedskontrolniveauet i 150 mm grafitreaktionskammer er bedre.

2.4 Epitaksial waferoverfladeruhed

Figur 6 viser AFM-billederne af overfladen af ​​150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Som det kan ses af figuren, er overfladens middelkvadratruhed Ra på 150 mm og 200 mm epitaksiale wafere henholdsvis 0,129 nm og 0,113 nm, og overfladen af ​​det epitaksiale lag er glat, uden åbenlyst makro-trins aggregeringsfænomen, hvilket indikerer, at væksten af ​​det epitaksiale lag altid opretholder trinstrømningsvæksttilstanden under hele epitaksialprocessen, og der forekommer ingen trinaggregering. Det kan ses, at det epitaksiale lag med en glat overflade kan opnås på 150 mm og 200 mm lavvinklede substrater ved at anvende den optimerede epitaksiale vækstproces.

3. Konklusioner

150 mm og 200 mm 4H-SiC homoepitaksiale wafere blev med succes fremstillet på husholdningssubstrater ved hjælp af det selvudviklede 200 mm SiC epitaksiale vækstudstyr, og en homoepitaksial proces egnet til 150 mm og 200 mm blev udviklet. Den epitaksielle væksthastighed kan være større end 60 μm/t. Mens den opfylder højhastigheds-epitaksikravet, er den epitaksiale wafer-kvalitet fremragende. Tykkelsens ensartethed på 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere kan kontrolleres inden for 1,5 %, koncentrationens ensartethed er mindre end 3 %, den dødelige defekttæthed er mindre end 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overfladeruhed kvadratisk middelværdi Ra er mindre end 0,15 nm. Kerneprocesindikatorerne for de epitaksiale wafere er på det avancerede niveau i industrien.

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

VeTek Semiconductor er en professionel kinesisk producent afCVD SiC Coated Loft, CVD SiC belægningsdyse, ogSiC Coating Indløbsring.  VeTek Semiconductor er forpligtet til at levere avancerede løsninger til forskellige SiC Wafer-produkter til halvlederindustrien.

Hvis du er interesseret i8-tommer SiC epitaksial ovn og homoepitaxial proces, er du velkommen til at kontakte os direkte.

Mobiltelefon: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com