8-tommers SiC epitaksial ovn og homoepitaxial prosessforskning

For øyeblikket forvandles SIC -industrien fra 150 mm til 200 mm. For å imøtekomme den presserende etterspørselen etter storstørrelse, høy kvalitet SIC homoepitaxiale skiver i bransjen, ble 150 mm og 200 mm 4H-SiC homoepitaxiale skiver vellykket fremstilt på innenlandske underlag ved bruk av det uavhengig utviklede 200 mm Sic epitaksialt vekstutstyr. En homoepitaksial prosess som var egnet i 150 mm og 200 mm ble utviklet, der den epitaksiale veksthastigheten kan være større enn 60 um/t. Mens du møter høyhastighets epitaksi, er den epitaksiale wafer-kvaliteten utmerket. Tykkelsesenheten på 150 mM og 200 mM SIC -epitaksiale skiver kan kontrolleres innen 1,5%, konsentrasjonseniformiteten er mindre enn 3%, den fatale defekttettheten er mindre enn 0,3 partikler/CM2, og den epitaksiale overflaten grovhetsrot betyr mindre enn 0,15 NM.

Silisiumkarbid (SIC) er en av representantene for tredje generasjons halvledermaterialer. Den har egenskapene til høy nedbrytningsfeltstyrke, utmerket termisk ledningsevne, stor elektronmetningsdrifthastighet og sterk strålingsmotstand. Det har utvidet energibehandlingskapasiteten til strømenheter og kan oppfylle tjenestekravene til neste generasjon elektronisk strømutstyr for enheter med høy effekt, liten størrelse, høy temperatur, høy stråling og andre ekstreme forhold. Det kan redusere plassen, redusere strømforbruket og redusere kjølekravene. Det har brakt revolusjonerende endringer i nye energikjøretøyer, jernbanetransport, smarte nett og andre felt. Derfor har silisiumkarbid halvledere blitt anerkjent som det ideelle materialet som vil lede neste generasjon elektroniske enheter med høy effekt. De siste årene, takket være den nasjonale politiske støtten for utviklingen av tredje generasjons halvlederindustri, har forskning og utvikling og konstruksjon av det 150 mm SIC enhetsindustriens system i utgangspunktet blitt fullført i Kina, og sikkerheten til industrikjeden har i utgangspunktet blitt garantert. Derfor har bransjens fokus gradvis skiftet til kostnadskontroll og effektivitetsforbedring. Som vist i tabell 1, sammenlignet med 150 mm, har 200 mm SIC en høyere kantutnyttelseshastighet, og utgangen av enkelt wafer chips kan økes med omtrent 1,8 ganger. Etter at teknologien modnes, kan produksjonskostnadene for en enkelt brikke reduseres med 30%. Det teknologiske gjennombruddet på 200 mm er et direkte middel for å "redusere kostnadene og øke effektiviteten", og det er også nøkkelen for mitt lands halvlederindustri å "løpe parallelt" eller til og med "bly".

Forskjellig fra SI -enhetsprosessen blir SIC -halvlederkraftenheter alle behandlet og utarbeidet med epitaksiale lag som hjørnesteinen. Epitaksiale skiver er viktige grunnleggende materialer for SIC -strømenheter. Kvaliteten på det epitaksiale laget bestemmer direkte utbyttet av enheten, og kostnadene utgjør 20% av chip -produksjonskostnadene. Derfor er epitaksial vekst en essensiell mellomliggende kobling i SIC Power Devices. Den øvre grensen for epitaksial prosessnivå bestemmes av epitaksialt utstyr. For tiden er lokaliseringsgraden av innenlandsk 150 mm SIC -epitaksialt utstyr relativt høy, men den totale utformingen av 200 mm henger etter det internasjonale nivået på samme tid. Derfor, for å løse de presserende behovene og flaskehalsproblemene med storstørrelse, høykvalitets epitaksial materialeproduksjon for utvikling av den innenlandske tredje generasjons halvlederindustri, introduserer denne artikkelen den 200 mm SIC epitaksiale utstyret som vellykket utviklet i mitt land, og studerer den epitaksiale prosessen. Ved å optimalisere prosessparametrene som prosesstemperatur, transportgassstrømningshastighet, C/Si-forhold, etc., konsentrasjonsenhet <3%, tykkelse ikke-ensartethet <1,5%, ruhet RA <0,2 nm og 200 mm med en fatal defekt-epitakspartikler/cm2 med 200 mm med fatal kabsellet med kabsiell innmurne med 2000 mm med fatal defekt. er oppnådd. Utstyrsprosessnivået kan imøtekomme behovene for preparat av høy kvalitet på SIC-enhet.

1 Eksperimenter

1.1 Prinsipp for SIC epitaksial prosess

Den 4H-SiC homoepitaksiale vekstprosessen inkluderer hovedsakelig 2 nøkkeltrinn, nemlig høye temperaturer in-situ-etsing av 4H-SIC-underlag og homogen kjemisk dampavsetningsprosess. Hovedformålet med underlag in situ-etsing er å fjerne skader på overflaten på underlaget etter polering av skiven, gjenværende poleringsvæske, partikler og oksydlag, og en vanlig atomtrinnstruktur kan dannes på underlagsoverflaten ved etsing. Etsing av in situ blir vanligvis utført i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske prosessbehovene, kan også en liten mengde hjelpegass tilsettes, for eksempel hydrogenklorid, propan, etylen eller silan. Temperaturen på hydrogenetsing av in-situ er vanligvis over 1 600 ℃, og trykket til reaksjonskammeret styres vanligvis under 2 × 104 Pa under etsningsprosessen.

Etter at underlagsoverflaten er aktivert ved in-situ-etsing, kommer den inn i den høye temperaturen kjemisk dampavsetningsprosess, det vil si vekstkilden (slik som etylen/propan, TCS/silan), dopingkilde (N-type doperingskilde og aux-ginbering som er transportert som en ginbering som er transportert som en ginv. gjennom en stor strøm av bærergass (vanligvis hydrogen). Etter at gassen reagerer i reaksjonskammeret med høy temperatur, reagerer en del av forløperen kjemisk og adsorberer på skiven, og en enkrystall homogen 4H-Sic epitaksialt lag med en spesifikk dopingkonsentrasjon, spesifikk tykkelse og høyere kvalitet dannes på substratoverflaten. Etter mange års teknisk utforskning har den 4H-Sic homoepitaksiale teknologien i utgangspunktet modnet og er mye brukt i industriell produksjon. Den mest brukte 4H-SiC homoepitaxial teknologien i verden har to typiske egenskaper: (1) ved bruk av en off-axis (relativt til <0001> krystallplan, mot <11-20> krystallretning) i skrå substrat som en Template, er en høyrekkende en-rrystal 4h-SIC-epitaksi uten urenhet. Tidlig 4H-SiC homoepitaxial vekst brukte et positivt krystallsubstrat, det vil si <0001> Si-planet for vekst. Tettheten av atomtrinn på overflaten av det positive krystallsubstratet er lav og terrassene er brede. To-dimensjonal kjernevekst er lett å oppstå under epitaksiprosessen for å danne 3C krystallsic (3C-SIC). Ved å skjære utenfor aksen, kan atomtrinn med høy tetthet, smale terrassebredde introduseres på overflaten av 4H-Sic <0001> underlag, og den adsorberte forløperen kan effektivt nå atomtrinnsposisjonen med relativt lav overflateenergi gjennom overflatediffusjon. På trinnet er forløperatom/molekylær gruppebindingsposisjon unik, så i trinnstrømningsvekstmodus kan det epitaksiale laget perfekt arve Si-C-dobbelt atomlags stablingssekvens av underlaget for å danne en enkelt krystall med samme krystallfase som underlaget. (2) Høyhastighets epitaksial vekst oppnås ved å innføre en klorholdig silisiumkilde. I konvensjonelle SIC -kjemiske dampavsetningssystemer er silan og propan (eller etylen) de viktigste vekstkildene. I prosessen med å øke veksthastigheten ved å øke vekstkildestrømningshastigheten, ettersom likevekten delvis trykket til silisiumkomponenten fortsetter å øke, er det lett å danne silisiumklynger ved homogen gassfasekjerne, noe som reduserer brukshastigheten til silisiumkilden betydelig. Dannelsen av silisiumklynger begrenser forbedringen av den epitaksiale vekstraten. Samtidig kan silisiumklynger forstyrre trinnstrømmen og forårsake defekt kjernefysning. For å unngå homogen gassfase-kjernefysning og øke den epitaksiale vekstraten, er innføring av klorbaserte silisiumkilder for øyeblikket mainstream-metoden for å øke den epitaksiale veksthastigheten til 4H-SIC.

1,2 200 mm (8-tommers) SIC-epitaksialt utstyr og prosessforhold

Eksperimentene beskrevet i denne artikkelen ble alle gjennomført på en 150/200 mm (6/8-tommers) kompatibelt monolitisk horisontalt varmt veggsic epitaksialt utstyr uavhengig utviklet av det 48. instituttet for China Electronics Technology Group Corporation. Den epitaksiale ovnen støtter helautomatisk skivebelastning og lossing. Figur 1 er et skjematisk diagram over den indre strukturen i reaksjonskammeret til det epitaksiale utstyret. Som vist i figur 1, er ytterveggen i reaksjonskammeret en kvartsklokke med et vannkjølt mellomlag, og innsiden av klokken er et reaksjonskammer med høy temperatur, som er sammensatt av termisk karbonfilt, og den reaksjonen med høy renhet i kulen er dekket grafittgass-floating roterende. Elektromagnetisk oppvarmet med en middels frekvens induksjons strømforsyning. Som vist i figur 1 (b), strømmer bærergassen, reaksjonsgassen og dopinggassen gjennom skivenoverflaten i en horisontal laminær strømning fra oppstrøms reaksjonskammeret til nedstrøms for reaksjonskammeret og slippes ut fra halegassenden. For å sikre konsistensen i skiven, roteres alltid skiven som føres av luft flytende base under prosessen.

Substratet som brukes i eksperimentet er en kommersiell 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4 ° off-vinkel ledende N-type 4H-SiC tosidig polert SIC-underlag produsert av Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilane (SIHCL3, TCS) og etylen (C2H4) brukes som de viktigste vekstkildene i prosesseksperimentet, blant dem TCS og C2H4 brukes som henholdsvis silisiumkilde og karbonkilde, og bærer, og hydrogen (N2) er brukt som N-Type-gasskilde, og Hydrogen (H2 er brukt som N-type diling-gasskilde. Det epitaksiale prosessstemperaturområdet er 1 600 ~ 1 660 ℃, prosesstrykket er 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, og H2 -bærergassstrømningshastigheten er 100 ～ 140 l/min.

1.3 Epitaxial wafer testing og karakterisering

Fourier infrarødt spektrometer (utstyrsprodusent Thermalfisher, Model IS50) og Mercury Probe Concentration Tester (utstyrsprodusent Semilab, Model 530L) ble brukt til å karakterisere middelverdien og fordelingen av epitaksial lagtykkelse og dopingkonsentrasjon; Tykkelsen og dopingkonsentrasjonen av hvert punkt i det epitaksiale laget ble bestemt ved å ta punkter langs diameterlinjen som krysser den normale linjen til hovedreferansekanten ved 45 ° i midten av skiven med 5 mm kantfjerning. For en skive på 150 mm ble det tatt 9 poeng langs en linje med en diameter (to diametre var vinkelrett på hverandre), og for en 200 mm skive ble 21 poeng tatt, som vist i figur 2. et atomkraftmikroskop (utstyrsprodusent av Bruker, Modell -dimensjonen og det senteret og det å velge 30 μm kane kanten som er brukt til å velge 30 μm. overflaten ruhet i det epitaksiale laget; Defektene av det epitaksiale laget ble målt ved bruk av en overflatedefekttester (utstyrsprodusent China Electronics Kefenghua, Model MARS 4410 Pro) for karakterisering.

2 eksperimentelle resultater og diskusjon

2.1 Epitaxial lagtykkelse og ensartethet

Epitaksial lagtykkelse, dopingkonsentrasjon og ensartethet er en av kjerneindikatorene for å bedømme kvaliteten på epitaksiale skiver. Nøyaktig kontrollerbar tykkelse, dopingkonsentrasjon og ensartethet i skiven er nøkkelen til å sikre ytelse og konsistens av SIC -strømenheter, og epitaksial lagtykkelse og dopingkonsentrasjons enhetlighet er også viktige baser for å måle prosessfunksjonen til epitaksialt utstyr.

Figur 3 viser tykkelsesenheten og distribusjonskurven på 150 mM og 200 mM SIC epitaksiale skiver. Det kan sees fra figuren at fordelingskurven for epitaksialt tykkelse er symmetrisk om midtpunktet for skiven. Den epitaksiale prosesstiden er 600 s, den gjennomsnittlige epitaksiale lagets tykkelse på 150 mm epitaksiale wafer er 10,89 um, og tykkelsen enhetlighet er 1,05%. Ved beregning er den epitaksiale vekstraten 65,3 μm/t, som er et typisk rask epitaksial prosessnivå. Under den samme epitaksiale prosesstiden er den epitaksiale lagtykkelsen på 200 mm epitaksial wafer 10,10 um, tykkelsen enhetlighet er innenfor 1,36%, og den totale veksthastigheten er 60,60 μm/t, som er litt lavere enn 150 mm epitaksial vekst. Dette er fordi det er åpenbart tap underveis når silisiumkilden og karbonkildestrømmen fra oppstrøms for reaksjonskammeret gjennom skivenoverflaten nedstrøms reaksjonskammeret, og 200 mm skiveområdet er større enn 150 mm. Gassen strømmer gjennom overflaten av 200 mm skive i lengre avstand, og kildegassen som konsumeres underveis er mer. Under betingelse av at skiven fortsetter å rotere, er den totale tykkelsen på det epitaksiale laget tynnere, så veksthastigheten er tregere. Totalt sett er tykkelsesenheten på 150 mm og 200 mm epitaksiale skiver utmerket, og prosessens prosessfunksjon kan oppfylle kravene til enheter av høy kvalitet.

2.2 Epitaxial lag dopingkonsentrasjon og ensartethet

Figur 4 viser dopingkonsentrasjonsenhet og kurvefordeling på 150 mM og 200 mM SIC -epitaksiale skiver. Som det fremgår av figuren, har konsentrasjonsfordelingskurven på den epitaksiale skiven åpenbar symmetri i forhold til senteret av skiven. Dopingkonsentrasjons enhetligheten av 150 mM og 200 mM epitaksiale lag er henholdsvis 2,80% og 2,66%, noe som kan kontrolleres innen 3%, noe som er et utmerket nivå blant internasjonalt lignende utstyr. Dopingkonsentrasjonskurven til det epitaksiale laget er fordelt i en "w" form langs diameterretningen, som hovedsakelig bestemmes av strømningsfeltet til den horisontale varme veggens epitaksiale ovn, fordi luftstrømningsretningen til den horisontale luftstrømmen; Fordi "langs" veis-uttømming "av karbonkilden (C2H4) er høyere enn den for silisiumkilden (TCS), når skiven roterer, reduseres den faktiske C/Si på skiven, i henhold til" konkurranseposisjonen til sentrum (karbonkilden i sentrum), i henhold til den "konkurrerende teorien" av C og N n og n. For å oppnå utmerket konsentrasjonsuniformitet, tilsettes kanten N2 som kompensasjon under den epitaksiale prosessen for å bremse nedgangen i dopingkonsentrasjonen fra sentrum til kanten, slik at den endelige dopingkonsentrasjonskurven presenterer en "W" -form.

2.3 Epitaxial lagdefekter

I tillegg til tykkelse og dopingkonsentrasjon, er nivået av epitaksial lagdefektkontroll også en kjerneparameter for å måle kvaliteten på epitaksiale skiver og en viktig indikator på prosessfunksjonen til epitaksialt utstyr. Selv om SBD og MOSFET har forskjellige krav til feil, er mer åpenbare overflatemorfologiske defekter som dropdefekter, trekantdefekter, gulrotdefekter og kometfeil definert som drapsfeil for SBD- og MOSFET -enheter. Sannsynligheten for svikt i brikker som inneholder disse feilene er høy, så det er ekstremt viktig å kontrollere antallet drapsmangel for å forbedre chiputbyttet og redusere kostnadene. Figur 5 viser fordelingen av morderdefekter på 150 mm og 200 mM SIC -epitaksiale skiver. Under forutsetning av at det ikke er noen åpenbar ubalanse i C/SI -forholdet, kan gulrotdefekter og kometfeil i utgangspunktet elimineres, mens dropdefekter og trekantdefekter er relatert til renslighetskontrollen under driften av epitaksialt utstyr, urenhetsnivået på grafittdeler i reaksjonskammeret og kvaliteten på abonstratet. Fra tabell 2 kan vi se at den dødelige defekttettheten på 150 mm og 200 mM epitaksiale skiver kan kontrolleres innen 0,3 partikler/cm2, noe som er et utmerket nivå for samme type utstyr. Den dødelige defekttetthetskontrollnivået på 150 mM epitaksial wafer er bedre enn for 200 mm epitaksial wafer. Dette er fordi 150 mM substratforberedelsesprosessen er mer moden enn 200 mM, underlagskvaliteten er bedre, og urenhetskontrollnivået på 150 mm grafittreaksjonskammer er bedre.

2.4 Epitaxial wafer overflateuhet

Figur 6 viser AFM -bildene av overflaten på 150 mm og 200 mM SIC epitaxiale skiver. Som det fremgår av figuren, er overflatrot-gjennomsnittlig firkantet ruhet RA på 150 mm og 200 mm epitaksiale skiver henholdsvis 0,129 nm og 0,113 nm, og overflaten til det epitaksiale laget er glatt, uten åpenbar makro-trinns aggregering. Det kan sees at det epitaksiale laget med en glatt overflate kan oppnås på 150 mM og 200 mM lavvinkel underlag ved å bruke den optimaliserte epitaksiale vekstprosessen.

3. Konklusjoner

150 mm og 200 mm 4H-SiC homoepitaxiale skiver ble vellykket fremstilt på innenlandske underlag ved bruk av det selvutviklede 200 mm SiC epitaksiale vekstutstyr, og en homoepitaksial prosess egnet for 150 mm og 200 mm ble utviklet. Den epitaksiale vekstraten kan være større enn 60 μm/t. Mens du oppfyller kravet om høyhastighet epitaxy, er den epitaksiale wafer-kvaliteten utmerket. Tykkelsesenheten på 150 mM og 200 mM SIC -epitaksiale skiver kan kontrolleres innen 1,5%, konsentrasjonsenhetens enhetlighet er mindre enn 3%, den fatale defekttettheten er mindre enn 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overflaten ruhetsrot gjennomsnitt kvadratisk RA er mindre enn 0,15 nm. Kjerneprosessindikatorene for epitaksiale skiver er på avansert nivå i bransjen.

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

Vetek Semiconductor er en profesjonell kinesisk produsent avCVD SIC belagt tak, CVD SIC beleggdyse, ogSic belegginnløpsring.  Vetek Semiconductor er opptatt av å tilby avanserte løsninger for forskjellige SIC -wafer -produkter for halvlederindustrien.

Hvis du er interessert i8-tommers SiC epitaksial ovn og homoepitaksial prosess, ta gjerne kontakt med oss ​​direkte.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

E -post: anny@veteksemi.com