8-tums Sic Epitaxial ugn och homoepitaxial processforskning

För närvarande förvandlas SIC -industrin från 150 mm (6 tum) till 200 mm (8 tum). För att möta den brådskande efterfrågan på stor storlek, högkvalitativ SIC-homoepitaxialskivor i branschen, framställdes 150 mm och 200 mm 4H-Sic homoepitaxiala skivor framgångsrikt på inhemska underlag med användning av de oberoende utvecklade 200 mm Sic epitaxial tillväxtutrustningen. En homoepitaxial process som var lämplig för 150 mm och 200 mm utvecklades, där den epitaxiella tillväxttakten kan vara större än 60 μm/h. När man möter höghastighetens epitaxi är den epitaxiella skivskvaliteten utmärkt. Tjocklekens enhetlighet på 150 mm och 200 mm SiC -epitaxiala skivor kan kontrolleras inom 1,5%, koncentrationens enhetlighet är mindre än 3%, den dödliga defektdensiteten är mindre än 0,3 partiklar/cm2, och den epitaxiella ytråhetsroten är mindre än 0,15 nm, och alla kärnprocesser är vid den framstegsnivån.

Kiselkarbid (SIC) är en av representanterna för tredje generationens halvledarmaterial. Den har egenskaperna hos hög nedbrytningsfältstyrka, utmärkt värmeledningsförmåga, stor elektronmättnadsdrifthastighet och stark strålningsmotstånd. Den har kraftigt utökat energibehandlingskapaciteten för kraftanordningar och kan uppfylla servicekraven för nästa generation av kraftelektronisk utrustning för enheter med hög effekt, liten storlek, hög temperatur, hög strålning och andra extrema förhållanden. Det kan minska utrymmet, minska strömförbrukningen och minska kylkraven. Det har gett revolutionära förändringar i nya energifordon, järnvägstransporter, smarta nät och andra fält. Därför har kiselkarbid-halvledare blivit erkända som det ideala materialet som kommer att leda nästa generation av högeffektiva elektroniska enheter. Under de senaste åren, tack vare det nationella politiska stödet för utvecklingen av tredje generationens halvledarindustri, har forskningen och utvecklingen och konstruktionen av industrisystemet på 150 mm i princip genomförts i Kina, och säkerheten för industrikedjan har i princip garanterats. Därför har branschens fokus gradvis förskjutits till kostnadskontroll och effektivitetsförbättring. Såsom visas i tabell 1, jämfört med 150 mm, har 200 mm SIC en högre kantanvändningshastighet, och utgången från enstaka skivflis kan ökas med cirka 1,8 gånger. Efter tekniken mognar kan tillverkningskostnaden för ett enda chip minskas med 30%. Det tekniska genombrottet på 200 mm är ett direkt sätt att "minska kostnaderna och öka effektiviteten", och det är också nyckeln för mitt lands halvledarindustri att "köra parallell" eller till och med "bly".

Till skillnad från SI -enhetsprocessen bearbetas och bereds alla SIC -halvledarkraftsanordningar med epitaxiala lager som hörnstenen. Epitaxial wafers är väsentliga basmaterial för SIC -kraftanordningar. Kvaliteten på det epitaxiella skiktet bestämmer direkt utbytet för enheten, och dess kostnad står för 20% av chiptillverkningskostnaden. Därför är epitaxial tillväxt en väsentlig mellanliggande länk i SIC -kraftanordningar. Den övre gränsen för epitaxial processnivå bestäms av epitaxial utrustning. För närvarande är lokaliseringsgraden för inhemsk 150 mm SIC -epitaxial utrustning relativt hög, men den totala utformningen på 200 mm fördröjer efter den internationella nivån samtidigt. För att lösa de brådskande behoven och flaskhalsproblemen i storstorlek, högkvalitativ epitaxial material som tillverkas för utvecklingen av den inhemska tredje generationens halvledarindustri, introducerar denna artikel 200 mm SIC-epitaxial utrustning som framgångsrikt utvecklats i mitt land och studerar epitaxialprocessen. Genom att optimera processparametrarna såsom processtemperatur, bärgasflödeshastighet, C/Si-förhållande, etc., är koncentrationens enhetlighet <3%, tjocklek icke-enhetlighet <1,5%, grovhet RA <0,2 nm och dödlig defektdensitet <0,3 partiklar/cm2 av 150 mm och 200 mm Sic Epitaxial waferer med självdätning 200 mm-silikiga bilar. Utrustningsprocessnivån kan tillgodose behoven hos högkvalitativa SIC-kraftverksförberedelser.

1 experiment

1.1 Princip för SIC -epitaxial process

Den 4H-SIC homoepitaxial tillväxtprocessen inkluderar huvudsakligen två viktiga steg, nämligen hög temperatur på platsen på 4H-SIC-substrat och homogen kemisk ångavsättningsprocess. Det huvudsakliga syftet med etsning på underlaget är att avlägsna underjordiska skador på underlaget efter skivpolering, restpoleringsvätska, partiklar och oxidskikt och en regelbunden atomstegstruktur kan bildas på substratytan genom etsning. In-situ-etsning utförs vanligtvis i en väteatmosfär. Enligt de faktiska processkraven kan en liten mängd extra gas också tillsättas, såsom väteklorid, propan, eten eller silan. Temperaturen på väte-etsning på plats är i allmänhet över 1 600 ℃, och trycket från reaktionskammaren styrs vanligtvis under 2 × 104 PA under etsningsprocessen.

After the substrate surface is activated by in-situ etching, it enters the high-temperature chemical vapor deposition process, that is, the growth source (such as ethylene/propane, TCS/silane), doping source (n-type doping source nitrogen, p-type doping source TMAl), and auxiliary gas such as hydrogen chloride are transported to the reaction chamber through a large flow of carrier gas (vanligtvis väte). Efter att gasen reagerar i högtemperaturreaktionskammaren reagerar en del av föregångaren kemiskt och adsorber på skivytan, och en enkelkristall homogen 4H-Sic epitaxial skikt med en specifik dopingkoncentration, specifik tjocklek och högre kvalitet bildas på substratytan med användning av enkelkrigsyren med en specifik dopingkoncentration, specifik tjocklek och högre kvalitet bildas på substratytan med användning av enkelkrigstyrande 4h-SIC-underlag. Efter flera års teknisk utforskning har den 4h-SIC-homoepitaxial tekniken i princip mognat och används allmänt i industriell produktion. The most widely used 4H-SiC homoepitaxial technology in the world has two typical characteristics: (1) Using an off-axis (relative to the <0001> crystal plane, toward the <11-20> crystal direction) oblique cut substrate as a template, a high-purity single-crystal 4H-SiC epitaxial layer without impurities is deposited on the substrate in the form of step-flow growth mode. Tidig 4H-Sic homoepitaxial tillväxt använde ett positivt kristallsubstrat, det vill säga <0001> Si-planet för tillväxt. Densiteten för atomsteg på ytan av det positiva kristallsubstratet är lågt och terrasserna är breda. Två-dimensionell kärnbildningstillväxt är lätt att inträffa under epitaxiprocessen för att bilda 3C-kristallsic (3C-SIC). Genom skärning utanför axeln kan högdensitet, smal terrassbredd atomsteg införas på ytan av 4h-sic <0001> -substratet, och den adsorberade föregångaren kan effektivt nå det atomiska stegpositionen med relativt låg ytenergi genom ytdiffusion. I steget är föregångaratom/molekylär gruppbindningsposition unik, så i stegflödestillväxtläget kan det epitaxiala skiktet perfekt ärva Si-C dubbelatomskiktstackningssekvensen för substratet för att bilda en enda kristall med samma kristallfas som substratet. (2) Höghastighets epitaxial tillväxt uppnås genom att införa en klorinnehållande kiselkälla. I konventionella SIC -kemiska ångavlagringssystem är silan och propan (eller eten) de viktigaste tillväxtkällorna. I processen med att öka tillväxttakten genom att öka tillväxtkällflödeshastigheten, eftersom jämviktspartiet för kiselkomponenten fortsätter att öka, är det lätt att bilda kiselkluster genom homogen gasfas kärnbildning, vilket avsevärt minskar användningshastigheten för kiselkällan. Bildningen av kiselkluster begränsar kraftigt förbättringen av den epitaxiella tillväxthastigheten. Samtidigt kan kiselkluster störa stegflödetillväxten och orsaka defekt kärnbildning. För att undvika homogen gasfas kärnbildning och öka den epitaxiella tillväxthastigheten är införandet av klorbaserade kiselkällor för närvarande mainstream-metoden för att öka den epitaxiella tillväxttakten på 4H-SIC.

1,2 200 mm (8-tums) SIC-epitaxial utrustning och processförhållanden

Experimenten som beskrivs i detta dokument genomfördes alla på en 150/200 mm (6/8-tum) kompatibla monolitiska horisontella heta vägg SIC-epitaxial utrustning oberoende utvecklad av 48th Institute of China Electronics Technology Corporation. Den epitaxiella ugnen stöder hela automatisk skivbelastning och lossning. Figur 1 är ett schematiskt diagram över den inre strukturen i reaktionskammaren för den epitaxiella utrustningen. As shown in Figure 1, the outer wall of the reaction chamber is a quartz bell with a water-cooled interlayer, and the inside of the bell is a high-temperature reaction chamber, which is composed of thermal insulation carbon felt, high-purity special graphite cavity, graphite gas-floating rotating base, etc. The entire quartz bell is covered with a cylindrical induction coil, and the reaction chamber inside the bell is electromagnetically heated by En medelfrekvens induktionskraftförsörjning. Såsom visas i figur 1 (b) flödar bärgas, reaktionsgas och dopningsgas genom skivytan i ett horisontellt laminärt flöde från uppströms om reaktionskammaren till reaktionskammarens nedströms och släpps ut från svansgasänden. För att säkerställa konsistensen inom skivan roteras alltid skivan som transporteras av den flytande basen under processen.

Substratet som används i experimentet är en kommersiell 150 mm, 200 mm (6 tum, 8 tum) <1120> riktning 4 ° off-vinkel ledande N-typ 4H-SIC dubbelsidig polerad SiC-substrat producerat av Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilane (SIHCL3, TCS) och eten (C2H4) används som de viktigaste tillväxtkällorna i processexperimentet, bland vilka TC: er och C2H4 används som kiselkälla respektive kolkälla, med hög ritningskväve (N2) används som N-Type-dopning och väte (H2) används som dilgas och bärare. Det epitaxiala processtemperaturområdet är 1 600 ~ 1 660 ℃, processtrycket är 8 × 103 ~ 12 × 103 PA, och H2 -bärgasflödeshastigheten är 100 ～ 140 l/min.

1.3 Epitaxial skivtestning och karakterisering

Fourier infraröd spektrometer (utrustningstillverkare Thermalfisher, Model IS50) och Mercury Probe Concentration Tester (utrustningstillverkaren Semilab, modell 530L) användes för att karakterisera medelvärdet och fördelningen av epitaxial skikttjocklek och dopkoncentration; Tjockleken och dopingkoncentrationen för varje punkt i det epitaxiella skiktet bestämdes genom att ta punkter längs diameterlinjen som korsar den normala linjen för huvudreferenskanten vid 45 ° vid mitten av skivan med 5 mm kantavlägsnande. For a 150 mm wafer, 9 points were taken along a single diameter line (two diameters were perpendicular to each other), and for a 200 mm wafer, 21 points were taken, as shown in Figure 2. An atomic force microscope (equipment manufacturer Bruker, model Dimension Icon) was used to select 30 μm×30 μm areas in the center area and the edge area (5 mm edge removal) of the epitaxial wafer to test ytråheten hos det epitaxiella skiktet; Defekterna av det epitaxiella skiktet mättes med användning av en ytdefekttestare (utrustningstillverkaren China Electronics Kefenghua, Model Mars 4410 Pro) för karakterisering.

2 experimentella resultat och diskussioner

2.1 Epitaxial skikttjocklek och enhetlighet

Epitaxial skikttjocklek, dopingkoncentration och enhetlighet är en av kärnindikatorerna för att bedöma kvaliteten på epitaxiala skivor. Koncurellt kontrollerbar tjocklek, dopingkoncentration och enhetlighet inom skivan är nyckeln till att säkerställa prestanda och konsistens hos SIC -kraftanordningar, och epitaxialskikttjocklek och dopkoncentrationens enhetlighet är också viktiga baser för att mäta processkapaciteten för epitaxial utrustning.

Figur 3 visar tjockleken enhetlighet och distributionskurva på 150 mm och 200 mm SiC -epitaxiala skivor. Det framgår av figuren att den epitaxiella skikttjockleksfördelningskurvan är symmetrisk när det gäller skivans centrum. Den epitaxiala processtiden är 600 s, den genomsnittliga epitaxiala skikttjockleken för den 150 mm epitaxial skivan är 10,89 μm och tjocklekens enhetlighet är 1,05%. Genom beräkning är den epitaxiella tillväxthastigheten 65,3 μm/h, vilket är en typisk snabb epitaxial processnivå. Under samma epitaxial processtid är den epitaxiala skikttjockleken för den 200 mm epitaxialskivan 10,10 μm, tjocklekens enhetlighet är inom 1,36%och den totala tillväxttakten är 60,60 μm/h, vilket är något lägre än 150 mm epitaxial tillväxt. Detta beror på att det finns en uppenbar förlust på vägen när kiselkällan och kolkällan flödar från uppströms om reaktionskammaren genom skivytan till nedströms reaktionskammaren, och 200 mm skivområdet är större än 150 mm. Gasen rinner genom ytan på 200 mm skivan på ett längre avstånd, och källgas som konsumeras längs vägen är mer. Under det villkor att skivan fortsätter att rotera är den totala tjockleken på det epitaxiella skiktet tunnare, så tillväxttakten är långsammare. Sammantaget är tjocklekens enhetlighet på 150 mm och 200 mm epitaxiala skivor utmärkt, och utrustningsförmågan kan uppfylla kraven i högkvalitativa enheter.

2.2 Epitaxialt lager dopingkoncentration och enhetlighet

Figur 4 visar dopingkoncentrationens enhetlighet och kurvfördelning av 150 mM och 200 mM SiC -epitaxiala skivor. Som framgår av figuren har koncentrationsfördelningskurvan på den epitaxiella skivan uppenbar symmetri relativt mitten av skivan. Dopingkoncentrationens enhetlighet för 150 mM och 200 mM epitaxialskikt är 2,80% respektive 2,66%, vilket kan kontrolleras inom 3%, vilket är en utmärkt nivå bland internationell liknande utrustning. Dopingkoncentrationskurvan för det epitaxiala skiktet är fördelat i en "W" -form längs diameterriktningen, som huvudsakligen bestäms av flödesfältet i den horisontella heta väggens epitaxialugn, eftersom luftflödesriktningen i det horisontella luftflödet Epitaxial tillväxt är från luftinloppet slutar (uppåt) och flödar från det nedströms i det laminflödesflödet genom att vara från luftflödet; because the "along-the-way depletion" rate of the carbon source (C2H4) is higher than that of the silicon source (TCS), when the wafer rotates, the actual C/Si on the wafer surface gradually decreases from the edge to the center (the carbon source in the center is less), according to the "competitive position theory" of C and N, the doping concentration in the center of the wafer gradually decreases toward the edge. För att erhålla utmärkt koncentrationens enhetlighet tillsätts kanten N2 som kompensation under den epitaxiala processen för att bromsa minskningen av dopingkoncentrationen från mitten till kanten, så att den slutliga dopingkoncentrationskurvan ger en "W" -form.

2.3 Epitaxiella skiktfel

Förutom tjocklek och dopingkoncentration är nivån på den epitaxiella skiktdefektstyrningen också en kärnparameter för att mäta kvaliteten på epitaxiella wafers och en viktig indikator på processförmågan för epitaxial utrustning. Även om SBD och MOSFET har olika krav för defekter, definieras mer uppenbara ytmorfologiska defekter såsom droppfel, triangelfel, morotfel och kometfel som mördarefel för SBD- och MOSFET -enheter. Sannolikheten för misslyckande hos chips som innehåller dessa defekter är hög, så att kontrollera antalet mördarefel är oerhört viktigt för att förbättra chiputbytet och minska kostnaderna. Figur 5 visar fördelningen av mördarefel på 150 mm och 200 mm SiC -epitaxiala skivor. Under förutsättning att det inte finns någon uppenbar obalans i C/SI -förhållandet kan morotfel och kometfel i princip elimineras, medan droppfel och triangelfel är relaterade till renlighetskontrollen under drift av epitaxial utrustning, föroreningsnivån för grafitdelar i reaktionskammaren och kvaliteten på underlaget. Från tabell 2 kan vi se att den dödliga defektdensiteten på 150 mm och 200 mm epitaxiala skivor kan kontrolleras inom 0,3 partiklar/cm2, vilket är en utmärkt nivå för samma typ av utrustning. Den dödliga defektdensitetskontrollnivån på 150 mm epitaxial skiva är bättre än för 200 mm epitaxial skiva. Detta beror på att 150 mm substratberedningsprocessen är mogenare än 200 mm, substratkvaliteten är bättre och föroreningsstyrningsnivån för 150 mm grafitreaktionskammare är bättre.

2.4 Epitaxial wafer ytråhet

Figur 6 visar AFM -bilderna av ytan på 150 mm och 200 mm SiC -epitaxiala skivor. As can be seen from the figure, the surface root mean square roughness Ra of 150 mm and 200 mm epitaxial wafers is 0.129 nm and 0.113 nm respectively, and the surface of the epitaxial layer is smooth, without obvious macro-step aggregation phenomenon, which indicates that the growth of the epitaxial layer always maintains the step flow growth mode during the entire epitaxial process, and no step aggregation occurs. Det kan ses att det epitaxiella skiktet med en slät yta kan erhållas på 150 mm och 200 mm lågvinkelunderlag med användning av den optimerade epitaxiella tillväxtprocessen.

3. Slutsatser

150 mm och 200 mm 4H-Sic homoepitaxial wafers framställdes framgångsrikt på inhemska underlag med användning av den självutvecklade 200 mm SiC-epitaxial tillväxtutrustningen, och en homoepitaxial process som var lämplig för 150 mm utvecklades. Den epitaxiella tillväxttakten kan vara större än 60 μm/h. När man uppfyller höghastighetens epitaxbehov är den epitaxiella skivskvaliteten utmärkt. Tjocklekens enhetlighet på 150 mm och 200 mM SiC -epitaxiala skivor kan kontrolleras inom 1,5%, koncentrationens enhetlighet är mindre än 3%, den dödliga defektdensiteten är mindre än 0,3 partiklar/cm2, och den epitaxiella ytråhetsroten är mindre än 0,15 nm. Kärnprocessindikatorerna för de epitaxiala skivorna är på avancerad nivå i branschen.

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

Vetek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare avCVD SiC belagt tak, CVD SIC -beläggningsmunstyckeochSiC -beläggningsring.  Vetek Semiconductor har åtagit sig att tillhandahålla avancerade lösningar för olika SIC -skivprodukter för halvledarindustrin.

Om du är intresserad av8-tums Sic Epitaxial ugn och homoepitaxial process, Kontakta oss direkt.

Mob: +86-180 6922 0752

Whatsapp: +86 180 6922 0752

E -post: anny@eteksemi.com