8-palcová SiC epitaxná pec a výskum homoepitaxiálnych procesov

V súčasnosti sa priemysel SiC transformuje zo 150 mm (6 palcov) na 200 mm (8 palcov). Aby sa uspokojil naliehavý dopyt po veľkých, vysokokvalitných SiC homoepitaxiálnych doštičkách v priemysle, 150 mm a 200 mm 4H-SiC homoepitaxiálne doštičky boli úspešne pripravené na domácich substrátoch pomocou nezávisle vyvinutého 200 mm SiC epitaxiálneho rastového zariadenia. Bol vyvinutý homoepitaxný proces vhodný pre 150 mm a 200 mm, v ktorom môže byť rýchlosť epitaxného rastu väčšia ako 60 μm/h. Pri splnení vysokorýchlostnej epitaxie je kvalita epitaxnej doštičky vynikajúca. Rovnomernosť hrúbky epitaxných plátkov SiC 150 mm a 200 mm sa dá kontrolovať v rozmedzí 1,5 %, rovnomernosť koncentrácie je menšia ako 3 %, hustota fatálnych defektov je menšia ako 0,3 častice/cm2 a odmocnina Ra je menej ako 0,15 nm a všetky ukazovatele základného procesu sú na pokročilej úrovni odvetvia.

Karbid kremíka (SiC) je jedným zo zástupcov polovodičových materiálov tretej generácie. Má vlastnosti vysokej intenzity prierazného poľa, vynikajúcej tepelnej vodivosti, veľkej rýchlosti driftu saturácie elektrónov a silnej odolnosti voči žiareniu. Výrazne rozšíril kapacitu spracovania energie energetických zariadení a dokáže splniť servisné požiadavky ďalšej generácie výkonových elektronických zariadení pre zariadenia s vysokým výkonom, malými rozmermi, vysokou teplotou, vysokým žiarením a inými extrémnymi podmienkami. Môže znížiť priestor, znížiť spotrebu energie a znížiť požiadavky na chladenie. Priniesol revolučné zmeny do nových energetických vozidiel, železničnej dopravy, inteligentných sietí a ďalších oblastí. Preto sa polovodiče z karbidu kremíka stali uznávanými ako ideálny materiál, ktorý povedie ďalšiu generáciu vysokovýkonných elektronických zariadení. V posledných rokoch sa vďaka podpore národnej politiky pre rozvoj polovodičového priemyslu tretej generácie v Číne v podstate dokončil výskum, vývoj a konštrukcia priemyselného systému zariadení SiC 150 mm a bezpečnosť priemyselného reťazca sa zlepšila. bola v podstate zaručená. Preto sa ťažisko priemyslu postupne presunulo na kontrolu nákladov a zvyšovanie efektívnosti. Ako je uvedené v tabuľke 1, v porovnaní so 150 mm má 200 mm SiC vyššiu mieru využitia hrán a výstup jednotlivých plátkových čipov sa môže zvýšiť približne 1,8-krát. Keď technológia dospeje, výrobné náklady na jeden čip sa môžu znížiť o 30 %. Technologický prielom 200 mm je priamym prostriedkom „zníženia nákladov a zvyšovania efektívnosti“ a pre polovodičový priemysel v mojej krajine je tiež kľúčom „bežať paralelne“ alebo dokonca „viesť“.

Na rozdiel od procesu zariadení SiC sú všetky polovodičové výkonové zariadenia SiC spracované a pripravené s epitaxnými vrstvami ako základným kameňom. Epitaxné doštičky sú základnými základnými materiálmi pre napájacie zariadenia SiC. Kvalita epitaxnej vrstvy priamo určuje výťažnosť zariadenia a jeho cena predstavuje 20 % nákladov na výrobu čipu. Preto je epitaxný rast základným medzičlánkom v SiC napájacích zariadeniach. Horná hranica úrovne epitaxného procesu je určená epitaxným zariadením. V súčasnosti je stupeň lokalizácie domácich 150 mm SiC epitaxných zariadení relatívne vysoký, ale celkové usporiadanie 200 mm zároveň zaostáva za medzinárodnou úrovňou. Preto, aby sa vyriešili naliehavé potreby a problémy s prekážkou pri výrobe veľkých a vysokokvalitných epitaxných materiálov pre rozvoj domáceho priemyslu polovodičov tretej generácie, tento dokument predstavuje 200 mm epitaxné zariadenie SiC úspešne vyvinuté v mojej krajine, a študuje epitaxný proces. Optimalizáciou parametrov procesu, ako je teplota procesu, prietok nosného plynu, pomer C/Si atď., rovnomernosť koncentrácie <3 %, nerovnomernosť hrúbky <1,5 %, drsnosť Ra <0,2 nm a hustota fatálnych defektov <0,3 častíc. Získajú sa /cm2 150 mm a 200 mm SiC epitaxné doštičky s vlastnou 200 mm epitaxiálnou pecou z karbidu kremíka. Úroveň procesu zariadenia môže spĺňať potreby vysokokvalitnej prípravy výkonových zariadení SiC.

1 Experimenty

1.1 Princíp epitaxného procesu SiC

Proces homoepitaxiálneho rastu 4H-SiC zahŕňa hlavne 2 kľúčové kroky, a to vysokoteplotné in-situ leptanie substrátu 4H-SiC a proces homogénneho chemického nanášania pár. Hlavným účelom leptania substrátu in situ je odstrániť podpovrchové poškodenie substrátu po leštení plátku, zvyškovú leštiacu kvapalinu, častice a vrstvu oxidu a na povrchu substrátu je možné leptaním vytvoriť pravidelnú štruktúru atómového kroku. Leptanie in situ sa zvyčajne vykonáva vo vodíkovej atmosfére. Podľa aktuálnych požiadaviek procesu sa môže pridať aj malé množstvo pomocného plynu, ako je chlorovodík, propán, etylén alebo silán. Teplota in-situ vodíkového leptania je vo všeobecnosti vyššia ako 1 600 °C a tlak v reakčnej komore sa počas procesu leptania zvyčajne riadi pod 2 x 104 Pa.

Potom, čo je povrch substrátu aktivovaný leptaním in situ, vstupuje do procesu vysokoteplotného chemického nanášania pár, to znamená do zdroja rastu (ako je etylén/propán, TCS/silán), dopingového zdroja (dopingový zdroj dusíka typu n , dopingový zdroj typu p TMAl) a pomocný plyn, ako je chlorovodík, sa transportujú do reakčnej komory cez veľký prúd nosného plynu (zvyčajne vodíka). Po reakcii plynu vo vysokoteplotnej reakčnej komore časť prekurzora chemicky zreaguje a adsorbuje sa na povrchu plátku a vytvorí sa monokryštalická homogénna 4H-SiC epitaxná vrstva so špecifickou koncentráciou dopingu, špecifickou hrúbkou a vyššou kvalitou. na povrchu substrátu s použitím monokryštálového 4H-SiC substrátu ako šablóny. Po rokoch technického skúmania homoepitaxiálna technológia 4H-SiC v podstate dozrela a je široko používaná v priemyselnej výrobe. Najpoužívanejšia 4H-SiC homoepitaxiálna technológia na svete má dve typické charakteristiky: (1) Použitie mimoosového (vzhľadom na rovinu kryštálu <0001> v smere kryštálu <11-20>) šikmo rezaného substrátu ako templát, vysoko čistá monokryštálová 4H-SiC epitaxná vrstva bez nečistôt je nanesená na substrát vo forme krokového rastového režimu. Skorý homoepitaxiálny rast 4H-SiC používal na rast pozitívny kryštálový substrát, to znamená rovinu <0001> Si. Hustota atómových stupňov na povrchu substrátu pozitívneho kryštálu je nízka a terasy sú široké. Počas epitaxného procesu za vzniku 3C kryštálového SiC (3C-SiC) ľahko dochádza k dvojrozmernému nukleačnému rastu. Rezaním mimo osi možno na povrch substrátu 4H-SiC <0001> zaviesť atómové kroky s vysokou hustotou a úzkymi šírkami terasy a adsorbovaný prekurzor môže účinne dosiahnuť polohu atómového kroku s relatívne nízkou povrchovou energiou prostredníctvom povrchovej difúzie. . V tomto kroku je väzbová poloha prekurzorového atómu / molekulovej skupiny jedinečná, takže v režime rastu krokového toku môže epitaxná vrstva dokonale zdediť sekvenciu stohovania dvojitej atómovej vrstvy Si-C substrátu, aby vytvorila jediný kryštál s rovnakým kryštálom. fázu ako substrát. (2) Vysokorýchlostný epitaxný rast sa dosiahne zavedením zdroja kremíka s obsahom chlóru. V konvenčných systémoch chemického naparovania SiC sú hlavnými zdrojmi rastu silán a propán (alebo etylén). V procese zvyšovania rýchlosti rastu zvýšením prietokovej rýchlosti zdroja rastu, keď sa rovnovážny parciálny tlak kremíkovej zložky neustále zvyšuje, je ľahké vytvárať kremíkové zhluky homogénnou nukleáciou v plynnej fáze, čo výrazne znižuje mieru využitia kremíka. kremíkový zdroj. Tvorba kremíkových zhlukov značne obmedzuje zlepšenie rýchlosti epitaxného rastu. Súčasne môžu zhluky kremíka narušiť rast stupňovitého toku a spôsobiť nukleáciu defektov. Aby sa zabránilo nukleácii homogénnej plynnej fázy a zvýšila sa rýchlosť epitaxného rastu, zavedenie kremíkových zdrojov na báze chlóru je v súčasnosti hlavnou metódou na zvýšenie rýchlosti epitaxného rastu 4H-SiC.

1,2 200 mm (8 palcov) SiC epitaxné zariadenie a podmienky procesu

Experimenty opísané v tomto dokumente boli všetky uskutočnené na 150/200 mm (6/8 palcov) kompatibilnom monolitickom SiC epitaxnom zariadení s horúcou stenou s teplou stenou nezávisle vyvinutom 48. inštitútom China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxná pec podporuje plne automatické vkladanie a odoberanie plátkov. Obrázok 1 je schematický diagram vnútornej štruktúry reakčnej komory epitaxného zariadenia. Ako je znázornené na obrázku 1, vonkajšia stena reakčnej komory je kremenný zvon s vodou chladenou medzivrstvou a vnútro zvonu je vysokoteplotná reakčná komora, ktorá sa skladá z tepelne izolačnej uhlíkovej plsti, vysokej čistoty. špeciálna grafitová dutina, grafitová plynová plávajúca rotačná základňa atď. Celý kremenný zvon je pokrytý valcovou indukčnou cievkou a reakčná komora vo vnútri zvona je elektromagneticky vyhrievaná strednofrekvenčným indukčným zdrojom. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), nosný plyn, reakčný plyn a dopovací plyn všetky prúdia cez povrch plátku v horizontálnom laminárnom toku z hornej časti reakčnej komory do dolnej časti reakčnej komory a sú vypúšťané z konca. plynový koniec. Aby sa zabezpečila konzistencia oblátky, oblátka nesená vzduchovou plávajúcou základňou sa počas procesu vždy otáča.

Substrát použitý v experimente je komerčný 150 mm, 200 mm (6 palcov, 8 palcov) smer <1120> 4° mimouhlový vodivý n-typ 4H-SiC obojstranne leštený SiC substrát vyrobený spoločnosťou Shanxi Shuoke Crystal. Trichlórsilán (SiHCl3, TCS) a etylén (C2H4) sa používajú ako hlavné rastové zdroje v procesnom experimente, medzi ktorými sa TCS a C2H4 používajú ako zdroj kremíka a zdroj uhlíka, vysoko čistý dusík (N2) sa používa ako n- typu dopingového zdroja a vodík (H2) sa používa ako riediaci plyn a nosný plyn. Rozsah epitaxnej procesnej teploty je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesný tlak je 8 x 103 ~ 12 x 103 Pa a prietok nosného plynu H2 je 100 - 140 l/min.

1.3 Testovanie a charakterizácia epitaxných plátkov

Na charakterizáciu priemeru a distribúcie hrúbky epitaxnej vrstvy a koncentrácie dopingu sa použili Fourierov infračervený spektrometer (výrobca zariadenia Thermalfisher, model iS50) a tester koncentrácie ortuťovej sondy (výrobca zariadenia Semilab, model 530L); hrúbka a koncentrácia dopingu každého bodu v epitaxiálnej vrstve sa určili zobratím bodov pozdĺž čiary priemeru pretínajúcej normálnu čiaru hlavného referenčného okraja pod uhlom 45° v strede plátku s odstránením okraja 5 mm. Pre 150 mm doštičku bolo odobraných 9 bodov pozdĺž čiary s jedným priemerom (dva priemery boli na seba kolmé) a pre 200 mm doštičku bolo odobraných 21 bodov, ako je znázornené na obrázku 2. Mikroskop atómovej sily (výrobca zariadenia Bruker, model Dimension Icon) sa použil na výber oblastí 30 um x 30 um v strednej oblasti a okrajovej oblasti (odstránenie okraja 5 mm) epitaxnej doštičky na testovanie drsnosti povrchu epitaxnej vrstvy; defekty epitaxnej vrstvy sa merali pomocou testera povrchových defektov (výrobca zariadenia China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) na charakterizáciu.

2 Experimentálne výsledky a diskusia

2.1 Hrúbka a rovnomernosť epitaxnej vrstvy

Hrúbka epitaxnej vrstvy, koncentrácia dopingu a rovnomernosť sú jedným zo základných ukazovateľov na posúdenie kvality epitaxných plátkov. Presne kontrolovateľná hrúbka, koncentrácia dopingu a jednotnosť v plátku sú kľúčom k zabezpečeniu výkonu a konzistencie výkonových zariadení SiC a hrúbka epitaxnej vrstvy a jednotnosť koncentrácie dopingu sú tiež dôležitými základmi na meranie procesnej schopnosti epitaxného zariadenia.

Obrázok 3 ukazuje krivku rovnomernosti hrúbky a distribúcie 150 mm a 200 mm SiC epitaxných plátkov. Z obrázku je možné vidieť, že krivka distribúcie hrúbky epitaxnej vrstvy je symetrická okolo stredu plátku. Doba epitaxného procesu je 600 s, priemerná hrúbka epitaxnej vrstvy 150 mm epitaxiálneho plátku je 10,89 μm a rovnomernosť hrúbky je 1,05 %. Výpočtom je rýchlosť epitaxného rastu 65,3 μm/h, čo je typická úroveň rýchleho epitaxného procesu. Pri rovnakom čase epitaxného procesu je hrúbka epitaxnej vrstvy 200 mm epitaxiálneho plátku 10,10 μm, rovnomernosť hrúbky je v rozmedzí 1,36 % a celková rýchlosť rastu je 60,60 μm/h, čo je o niečo menej ako 150 mm epitaxný rast. sadzba. Je to preto, že dochádza k zjavným stratám na ceste, keď zdroj kremíka a zdroj uhlíka prúdia z hornej časti reakčnej komory cez povrch plátku do spodnej časti reakčnej komory a plocha plátku s veľkosťou 200 mm je väčšia ako 150 mm. Plyn prúdi cez povrch 200 mm plátku na dlhšiu vzdialenosť a zdrojového plynu spotrebovaného po ceste je viac. Pod podmienkou, že sa plátok stále otáča, je celková hrúbka epitaxnej vrstvy tenšia, takže rýchlosť rastu je pomalšia. Celkovo je rovnomernosť hrúbky 150 mm a 200 mm epitaxných plátkov vynikajúca a procesná schopnosť zariadenia môže spĺňať požiadavky vysokokvalitných zariadení.

2.2 Koncentrácia a rovnomernosť dopingu epitaxnej vrstvy

Obrázok 4 ukazuje rovnomernosť koncentrácie dopingu a distribúciu krivky 150 mm a 200 mm SiC epitaxných plátkov. Ako je možné vidieť z obrázku, krivka distribúcie koncentrácie na epitaxiálnom plátku má zjavnú symetriu vzhľadom na stred plátku. Rovnomernosť koncentrácie dopingu 150 mm a 200 mm epitaxiálnych vrstiev je 2,80 % a 2,66 %, čo je možné kontrolovať v rozmedzí 3 %, čo je vynikajúca úroveň medzi medzinárodnými podobnými zariadeniami. Krivka dopingovej koncentrácie epitaxnej vrstvy je rozložená v tvare "W" pozdĺž smeru priemeru, ktorý je určený hlavne prietokovým poľom horizontálnej horúcej steny epitaxiálnej pece, pretože smer prúdenia vzduchu horizontálnej pece na epitaxiálny rast je od koniec vstupu vzduchu (proti prúdu) a vyteká z konca po prúde v laminárnom prúdení cez povrch plátku; pretože miera „priebežného vyčerpania“ zdroja uhlíka (C2H4) je vyššia ako u zdroja kremíka (TCS), keď sa plátok otáča, skutočný C/Si na povrchu plátku postupne klesá od okraja k stred (zdroj uhlíka v strede je menší), podľa "teórie konkurenčných pozícií" C a N sa koncentrácia dopingu v strede plátku smerom k okraju postupne znižuje. Aby sa dosiahla vynikajúca rovnomernosť koncentrácie, pridáva sa okraj N2 ako kompenzácia počas epitaxného procesu, aby sa spomalil pokles koncentrácie dopingu od stredu k okraju, takže konečná krivka koncentrácie dopingu má tvar "W".

2.3 Defekty epitaxnej vrstvy

Okrem hrúbky a koncentrácie dopingu je úroveň kontroly defektov epitaxnej vrstvy tiež základným parametrom na meranie kvality epitaxných plátkov a dôležitým ukazovateľom procesnej schopnosti epitaxného zariadenia. Hoci SBD a MOSFET majú odlišné požiadavky na defekty, zreteľnejšie defekty morfológie povrchu, ako sú defekty kvapiek, defekty trojuholníka, defekty mrkvy a defekty komét, sú definované ako vražedné defekty pre zariadenia SBD a MOSFET. Pravdepodobnosť zlyhania čipov obsahujúcich tieto defekty je vysoká, takže kontrola počtu ničivých defektov je mimoriadne dôležitá pre zlepšenie výťažnosti čipov a zníženie nákladov. Obrázok 5 ukazuje distribúciu ničivých defektov 150 mm a 200 mm SiC epitaxných plátkov. Za predpokladu, že neexistuje zjavná nerovnováha v pomere C/Si, je možné v zásade eliminovať defekty mrkvy a defekty komét, zatiaľ čo defekty kvapiek a defekty trojuholníka súvisia s kontrolou čistoty počas prevádzky epitaxného zariadenia, úrovňou nečistôt grafitu časti v reakčnej komore a kvalitu substrátu. Z tabuľky 2 môžeme vidieť, že hustotu fatálnych defektov 150 mm a 200 mm epitaxiálnych plátkov možno regulovať v rámci 0,3 častíc/cm2, čo je vynikajúca úroveň pre rovnaký typ zariadenia. Úroveň kontroly hustoty fatálnych defektov pri 150 mm epitaxnom plátku je lepšia ako pri 200 mm epitaxnom plátku. Je to preto, že proces prípravy 150 mm substrátu je zrelší ako proces prípravy 200 mm, kvalita substrátu je lepšia a úroveň kontroly nečistôt v 150 mm grafitovej reakčnej komore je lepšia.

2.4 Drsnosť povrchu epitaxnej doštičky

Obrázok 6 ukazuje AFM snímky povrchu 150 mm a 200 mm SiC epitaxných plátkov. Ako je možné vidieť z obrázku, stredná kvadratická drsnosť povrchu Ra 150 mm a 200 mm epitaxných plátkov je 0,129 nm a 0,113 nm a povrch epitaxnej vrstvy je hladký, bez zjavného makrokrokového agregačného javu, ktorý naznačuje, že rast epitaxiálnej vrstvy vždy zachováva režim stupňovitého toku počas celého epitaxného procesu a nedochádza k žiadnej stupňovitej agregácii. Je možné vidieť, že epitaxnú vrstvu s hladkým povrchom možno získať na substrátoch s nízkym uhlom 150 mm a 200 mm pomocou optimalizovaného procesu epitaxného rastu.

3. Závery

150 mm a 200 mm homoepitaxiálne doštičky 4H-SiC boli úspešne pripravené na domácich substrátoch pomocou vlastného 200 mm zariadenia na epitaxný rast SiC a bol vyvinutý homoepitaxiálny proces vhodný pre 150 mm a 200 mm. Rýchlosť epitaxného rastu môže byť väčšia ako 60 μm/h. Pri splnení požiadavky na vysokorýchlostnú epitaxiu je kvalita epitaxnej doštičky vynikajúca. Rovnomernosť hrúbky epitaxných plátkov SiC 150 mm a 200 mm sa dá kontrolovať v rozmedzí 1,5 %, rovnomernosť koncentrácie je menšia ako 3 %, hustota fatálnych defektov je menšia ako 0,3 častice/cm2 a odmocnina Ra je menej ako 0,15 nm. Hlavné procesné ukazovatele epitaxných plátkov sú v tomto odvetví na pokročilej úrovni.

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

VeTek Semiconductor je profesionálny čínsky výrobcaStrop potiahnutý CVD SiC, Tryska CVD SiC povlaku, aVstupný krúžok povlaku SiC.  VeTek Semiconductor sa zaviazal poskytovať pokročilé riešenia pre rôzne produkty SiC Wafer pre polovodičový priemysel.

Ak máte záujem o8-palcová SiC epitaxná pec a homoepitaxný proces, neváhajte nás kontaktovať priamo.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com