8-inch SIC epitaxiale oven en Homoepitaxial Process Research

Momenteel transformeert de SIC -industrie van 150 mm (6 inch) tot 200 mm (8 inch). Om te voldoen aan de dringende vraag naar grootse, hoogwaardige SIC homoepitaxiale wafels in de industrie, werden 150 mm en 200 mM 4H-SIC homoepitaxiale wafels met succes voorbereid op binnenlandse substraten met behulp van de onafhankelijk ontwikkelde 200 mm s-epitaxiale groei-apparatuur. Een homiepitaxiaal proces dat geschikt is voor 150 mm en 200 mm werd ontwikkeld, waarbij de epitaxiale groeisnelheid groter kan zijn dan 60 μm/u. Tijdens het voldoen aan de high-speed epitaxy, is de epitaxiale wafelkwaliteit uitstekend. De dikte -uniformiteit van 150 mM en 200 mM SIC -epitaxiale wafels kan worden geregeld binnen 1,5%, de concentratie -uniformiteit is minder dan 3%, de dodelijke defectdichtheid is minder dan 0,3 deeltjes/cm2, en de epitaxiale oppervlakte ruwheid ruw vierkant is minder dan 0,15 nm en alle kernproces -indicatoren zijn in de geavanceerde niveau van de industrie.

Siliconencarbide (SIC) is een van de vertegenwoordigers van de halfgeleidermaterialen van de derde generatie. Het heeft de kenmerken van hoge afbraakveldsterkte, uitstekende thermische geleidbaarheid, grote elektronenverzadigingsafwijkingssnelheid en sterke stralingsweerstand. Het heeft de energieverwerkingscapaciteit van vermogensapparaten aanzienlijk uitgebreid en kan voldoen aan de servicevereisten van de volgende generatie elektronische apparatuur van stroom voor apparaten met hoog vermogen, kleine grootte, hoge temperatuur, hoge straling en andere extreme omstandigheden. Het kan de ruimte verminderen, het stroomverbruik verminderen en de koelvereisten verminderen. Het heeft revolutionaire veranderingen gebracht in nieuwe energievoertuigen, spoorvervoer, slimme roosters en andere velden. Daarom zijn siliciumcarbide halfgeleiders erkend als het ideale materiaal dat de volgende generatie elektronische apparaten met krachtige stroom zal leiden. In de afgelopen jaren zijn dankzij de nationale beleidsondersteuning voor de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie van de derde generatie het onderzoek en de ontwikkeling en de bouw van het 150 mm SIC-industriële systeem in principe in China voltooid, en de beveiliging van de industriële keten is in principe gegarandeerd. Daarom is de focus van de industrie geleidelijk verschoven naar kostenbeheersing en efficiëntieverbetering. Zoals weergegeven in tabel 1, vergeleken met 150 mm, heeft 200 mm SiC een hogere randgebruiksnelheid en kan de output van enkele wafelchips met ongeveer 1,8 keer worden verhoogd. Nadat de technologie rijpt, kunnen de productiekosten van een enkele chip met 30%worden verlaagd. De technologische doorbraak van 200 mm is een direct middel om "kosten te verlagen en de efficiëntie te verhogen", en het is ook de sleutel voor de halfgeleiderindustrie van mijn land om "parallel" of zelfs "lead" te laten lopen.

Anders dan het SI -apparaatproces, worden SIC Semiconductor Power -apparaten allemaal verwerkt en bereid met epitaxiale lagen als hoeksteen. Epitaxiale wafels zijn essentiële basismaterialen voor SIC Power -apparaten. De kwaliteit van de epitaxiale laag bepaalt rechtstreeks de opbrengst van het apparaat en de kosten zijn goed voor 20% van de chipproductiekosten. Daarom is epitaxiale groei een essentiële tussenliggende link in SIC Power -apparaten. De bovengrens van epitaxiaal procesniveau wordt bepaald door epitaxiale apparatuur. Op dit moment is de lokalisatiegraad van binnenlandse 150 mm SIC -epitaxiale apparatuur relatief hoog, maar de algehele lay -out van 200 mm blijft tegelijkertijd achter op het internationale niveau. Daarom, om de dringende behoeften en knelpuntproblemen van grote, hoogwaardige epitaxiale materiaalproductie van grote grootte op te lossen voor de ontwikkeling van de binnenlandse halfgeleiderindustrie van de derde generatie, introduceert dit artikel de 200 mm SIC epitaxiale apparatuur die succesvol is ontwikkeld in mijn land en bestudeert het epitaxiale proces. Door de procesparameters te optimaliseren zoals procestemperatuur, dragergasstroomsnelheid, C/Si-verhouding, enz., De concentratie-uniformiteit <3%, niet-uniformiteit van de dikte <1,5%, ruwheid RA <0,2 nm en fatale defectdichtheid <0,3 deeltjes/cm2 van 150 mm en 200 mm sische epitaxiale wafels met zelfafhankelijke 200 mm silicon wrijvingen met een zelfafwijking van 200 mm silicon wrijvingen zijn verkregen. Het procesniveau van apparatuur kan voldoen aan de behoeften van de voorbereiding van hoge kwaliteit SIC Power Device.

1 experimenten

1.1 Principe van SIC Epitaxiaal -proces

Het 4H-SIC homoepitaxiale groeiproces omvat voornamelijk 2 belangrijke stappen, namelijk in-situ etsen op hoge temperatuur van 4H-SIC substraat en homogene chemische dampafzettingsproces. Het hoofddoel van het in-situ etsen van substraat is het verwijderen van de ondergrondse schade van het substraat na wafelpolijsten, resterende polijstvloeistof, deeltjes en oxidelaag en een regelmatige atoomstapstructuur kan worden gevormd op het substraatoppervlak door etsen. In-situ etsen wordt meestal uitgevoerd in een waterstofatmosfeer. Volgens de werkelijke procesvereisten kan ook een kleine hoeveelheid hulpgas worden toegevoegd, zoals waterstofchloride, propaan, ethyleen of silaan. De temperatuur van in-situ waterstofetsen is in het algemeen boven 1 600 ℃ en de druk van de reactiekamer wordt in het algemeen onder 2 x 104 PA geregeld tijdens het etsproces.

Nadat het substraatoppervlak is geactiveerd door in-situ etsen, voert het het chemische dampafzettingsproces met hoge temperatuur in, dat wil zeggen de groeivrong (zoals ethyleen/propaan, TCS/Silaan), dopingbron met dopingbron (N-type dopingbron stikstof, P-Type Bron TMAL) en Auxiliary Gas Zul (meestal waterstof). Nadat het gas heeft gereageerd in de reactiekamer met hoge temperatuur, reageert een deel van de voorloper chemisch en adsorbs op het wafeloppervlak, en een single-kristal homogene 4H-SIC epitaxiale laag met een specifieke dopingconcentratie, specifieke dikte en hogere kwaliteit wordt gevormd op het substraatoppervlak dat het substraatoppervlak gebruikt als een sjabloon. Na jaren van technische verkenning is de 4H-SIC homoepitaxiale technologie in principe volwassen geworden en wordt ze veel gebruikt in de industriële productie. De meest gebruikte 4H-SIC homoepitaxiale technologie in de wereld heeft twee typische kenmerken: (1) met behulp van een off-as (ten opzichte van het <.0001> kristalvlak, naar de <11-20> kristal richting) schuin schuine substraat als een sjabloon groeimodus in de vorm van stapsgewijze groei-modus. De vroege 4H-SIC homoepitaxiale groei gebruikte een positief kristallen substraat, dat wil zeggen het <.0001> Si-vlak voor groei. De dichtheid van atomaire stappen op het oppervlak van het positieve kristallen substraat is laag en de terrassen zijn breed. Tweedimensionale nucleatiegroei is gemakkelijk op te treden tijdens het epitaxie-proces om 3C-kristal SIC (3C-SIC) te vormen. Door afsnijding van off-axis, kunnen atomaire stappen met hoge dichtheid, smalle terrasbreedte, worden geïntroduceerd op het oppervlak van het 4H-SIC <.0001> substraat, en de geadsorbeerde voorloper kan effectief de atoomstappositie bereiken met relatief lage oppervlakte-energie door oppervlaktediffusie. Bij de stap is de voorloperatoom/moleculaire groepsbindingspositie uniek, dus in de stappenstroomgroeimodus kan de epitaxiale laag perfect de SI-C dubbele atoomlaagstapsequentie van het substraat erven om een ​​enkel kristal te vormen met dezelfde kristale fase als het substraat. (2) Snelle epitaxiale groei wordt bereikt door een chloorbevattende siliciumbron te introduceren. In conventionele SIC -chemische dampafzettingssystemen zijn silaan en propaan (of ethyleen) de belangrijkste groeibronnen. In het proces van het verhogen van de groeisnelheid door de stroomsnelheid van de groeivron te verhogen, omdat de partiële druk van de siliciumcomponent blijft toenemen, is het gemakkelijk om siliciumclusters te vormen door een nucleatie van homogene gasfase, wat de gebruiksnelheid van de siliciumbron aanzienlijk vermindert. De vorming van siliciumclusters beperkt de verbetering van de epitaxiale groeisnelheid sterk. Tegelijkertijd kunnen siliciumclusters de stappenstroomgroei verstoren en nucleatie van defecten veroorzaken. Om homogene gasfase nucleatie te voorkomen en de epitaxiale groeisnelheid te verhogen, is de introductie van op chloor gebaseerde siliciumbronnen momenteel de mainstream-methode om de epitaxiale groeisnelheid van 4H-SIC te verhogen.

1,2 200 mm (8-inch) SIC epitaxiale apparatuur en procesomstandigheden

De in dit artikel beschreven experimenten werden allemaal uitgevoerd op een 150/200 mm (6/8-inch) compatibele monolithische horizontale hot wall sic epitaxiale apparatuur onafhankelijk ontwikkeld door het 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. De epitaxiale oven ondersteunt volledig automatisch laden en lossen van de wafer. Figuur 1 is een schematisch diagram van de interne structuur van de reactiekamer van de epitaxiale apparatuur. Zoals getoond in figuur 1, is de buitenwand van de reactiekamer een kwartsbel met een watergekoelde tussenlagen, en de binnenkant van de bel is een reactiekamer met hoge temperatuur, die is samengesteld uit thermische isolatie koolstofgevoel, hoge zuiverheid speciale grafietholte, grafietgasvloerende roterende basis, enz. Verwarmd door een medium-frequentie inductievoeding. Zoals getoond in figuur 1 (b), stromen het dragergas, het reactiegas en het dopinggas allemaal door het wafeloppervlak in een horizontale laminaire stroom van de stroomopwaartse van de reactiekamer naar de stroomafwaartse van de reactiekamer en worden uit het staartgasuiteinde ontslagen. Om de consistentie binnen de wafel te waarborgen, wordt de wafel die wordt gedragen door de luchtdrijvende basis altijd gedraaid tijdens het proces.

Het substraat dat in het experiment wordt gebruikt, is een commerciële 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) <1120> Richting 4 ° Off-hoek geleidende N-type 4H-SIC dubbelzijdig gepolijst SIC-substraat geproduceerd door Shanxi Shuoke-kristal. Trichlorosilaan (SIHCL3, TCS) en ethyleen (C2H4) worden gebruikt als de belangrijkste groeisronnen in het procesexperiment, waaronder TC's en C2H4 worden gebruikt als respectievelijk siliciumbron en koolstofbron, wordt een hoge zuiverheidsstikstof (N2) gebruikt als N-Type doping-bron, en hydrogen (H2) wordt gebruikt als verdunningsgas en dragersas. Het epitaxiale procestemperatuurbereik is 1 600 ~ 1 660 ℃, de procesdruk is 8 × 103 ~ 12 × 103 PA en de H2 -dragergasstroomsnelheid is 100 ～ 140 L/min.

1.3 Epitaxiale wafer testen en karakterisering

Fourier -infraroodspectrometer (apparatuurfabrikant Thermalfisher, model IS50) en kwiksondeconcentratietester (fabrikant van apparatuur Semilab, Model 530L) werden gebruikt om het gemiddelde en de verdeling van epitaxiale laagdikte en dopingconcentratie te karakteriseren; De dikte en dopingconcentratie van elk punt in de epitaxiale laag werden bepaald door punten te nemen langs de diameterlijn die de normale lijn van de hoofdreferentierand bij 45 ° in het midden van de wafer met 5 mM randverwijdering snijdt. Voor een wafel van 150 mm werden 9 punten genomen langs een enkele diameterlijn van een enkele diameter (twee diameters stonden loodrecht op elkaar), en voor een wafer van 200 mm werden 21 punten genomen, zoals weergegeven in figuur 2. Een atomaire krachtmicroscoop (apparatuurfabrikant BUKER, Model Dimension -pictogram) werd gebruikt om 30 um x 30 μm -gebieden in het middengebied te selecteren (5 mm randverwijdering) van de Epitax -rand (5 mm randverwijdering) van de Epitax -rand (5 mm randverwijdering) van de Epitax -rand) de oppervlakteruwheid van de epitaxiale laag; De defecten van de epitaxiale laag werden gemeten met behulp van een oppervlaktestester (apparatuurfabrikant China Electronics Kefenghua, Model Mars 4410 Pro) voor karakterisering.

2 Experimentele resultaten en discussie

2.1 Epitaxiale laagdikte en uniformiteit

Epitaxiale laagdikte, dopingconcentratie en uniformiteit zijn een van de kernindicatoren voor het beoordelen van de kwaliteit van epitaxiale wafels. Nauwkeurig controleerbare dikte, dopingconcentratie en uniformiteit in de wafer zijn de sleutel om de prestaties en consistentie van SiC -vermogensapparaten en epitaxiale laagdikte en dopingconcentratie -uniformiteit te waarborgen, zijn ook belangrijke basen voor het meten van de procesmogelijkheden van epitaxiale apparatuur.

Figuur 3 toont de dikte -uniformiteit en verdelingscurve van 150 mm en 200 mm SIC epitaxiale wafels. Uit de figuur blijkt dat de distributiecurve van de epitaxiale laagdikte symmetrisch is om het middelpunt van de wafel. De epitaxiale procestijd is 600 s, de gemiddelde epitaxiale laagdikte van de epitaxiale wafel van 150 mm is 10,89 μm en de dikte -uniformiteit is 1,05%. Bij berekening is de epitaxiale groeisnelheid 65,3 μm/u, wat een typisch snel epitaxiaal procesniveau is. Onder dezelfde epitaxiale procestijd is de epitaxiale laagdikte van de epitaxiale wafer van 200 mm 10,10 μm, de dikte -uniformiteit is binnen 1,36%en de totale groeisnelheid is 60,60 μm/u, die iets lager is dan de 150 mm epitaxiale groeisnelheid. Dit komt omdat er onderweg duidelijk verlies is wanneer de siliciumbron en de koolstofbron stroomt van de stroomopwaartse van de reactiekamer door het wafeloppervlak naar de stroomafwaartse van de reactiekamer, en het wafelsgebied van 200 mm groter is dan de 150 mm. Het gas stroomt door het oppervlak van de 200 mm wafer gedurende een langere afstand, en het brongas dat onderweg wordt verbruikt, is meer. Onder de voorwaarde dat de wafer blijft roteren, is de totale dikte van de epitaxiale laag dunner, dus de groeisnelheid is langzamer. Over het algemeen is de dikte-uniformiteit van 150 mm en 200 mm epitaxiale wafels uitstekend en kan de procesmogelijkheid van de apparatuur voldoen aan de vereisten van hoogwaardige apparaten.

2.2 Epitaxiale laag dopingconcentratie en uniformiteit

Figuur 4 toont de dopingconcentratie -uniformiteit en curve -verdeling van 150 mM en 200 mM SIC epitaxiale wafels. Zoals te zien is in de figuur, heeft de concentratieverdelingscurve op de epitaxiale wafel een duidelijke symmetrie ten opzichte van het midden van de wafel. De dopingconcentratie -uniformiteit van de 150 mM en 200 mM epitaxiale lagen is respectievelijk 2,80% en 2,66%, wat kan worden geregeld binnen 3%, wat een uitstekend niveau is bij internationale vergelijkbare apparatuur. De dopingconcentratiecurve van de epitaxiale laag is verdeeld in een "W" -vorm langs de richting van de diameter, die voornamelijk wordt bepaald door het stroomveld van de horizontale hotwand epitaxiale oven, omdat de luchtstroomrichting van het horizontale luchtstroomoppervlakte is van het waFer -oppervlak; Omdat de snelheid "langs de weg uitputting" van de koolstofbron (C2H4) hoger is dan die van de siliciumbron (TCS), wanneer de wafer roteert, neemt de werkelijke C/Si op het waferoppervlak geleidelijk af van de rand naar het centrum (de koolstofbron in het midden is minder), volgens de "concurrerende positie" van C en N, de doping van het centrum van het centrum van de rand. Om een ​​uitstekende concentratie -uniformiteit te verkrijgen, wordt de rand N2 toegevoegd als compensatie tijdens het epitaxiale proces om de afname van de dopingconcentratie van het midden naar de rand te vertragen, zodat de uiteindelijke dopingconcentratiecurve een "W" -vorm vertoont.

2.3 Epitaxiale laag defecten

Naast dikte en dopingconcentratie is het niveau van epitaxiale laagdefectregeling ook een kernparameter voor het meten van de kwaliteit van epitaxiale wafels en een belangrijke indicator voor de procesmogelijkheid van epitaxiale apparatuur. Hoewel SBD en MOSFET verschillende vereisten hebben voor defecten, worden meer voor de hand liggende oppervlaktemorfologie -defecten zoals druppelafwijkingen, driehoekdefecten, worteldefecten en komeetdefecten gedefinieerd als moordende defecten voor SBD- en MOSFET -apparaten. De kans op het falen van chips die deze defecten bevatten, is hoog, dus het controleren van het aantal moordende defecten is uiterst belangrijk voor het verbeteren van de chipopbrengst en het verlagen van de kosten. Figuur 5 toont de verdeling van moordende defecten van 150 mm en 200 mm SIC epitaxiale wafels. Onder de voorwaarde dat er geen duidelijke onbalans is in de C/Si -verhouding, kunnen worteltefecten en komeetdefecten in principe worden geëlimineerd, terwijl druppelafwijkingen en driehoekdefecten gerelateerd zijn aan de reinheidscontrole tijdens de werking van epitaxiale apparatuur, het gevoel van grafietonderdelen in de reactiekamer en de kwaliteit van de substraat. Uit tabel 2 kunnen we zien dat de dodelijke defectdichtheid van 150 mm en 200 mm epitaxiale wafels kan worden geregeld binnen 0,3 deeltjes/cm2, wat een uitstekend niveau is voor hetzelfde type apparatuur. Het dodelijke defectdichtheidscontroleniveau van 150 mm epitaxiale wafel is beter dan dat van 200 mm epitaxiale wafer. Dit komt omdat het 150 mm substraatbereidingsproces volwassener is dan dat van 200 mm, de substraatkwaliteit is beter en het onzuiverheidscontroleniveau van 150 mm grafietreactiekamer is beter.

2.4 Epitaxiale wafeloppervlak ruwheid

Figuur 6 toont de AFM -beelden van het oppervlak van 150 mm en 200 mm SIC epitaxiale wafels. Zoals te zien is in de figuur, is de oppervlaktewortelgemiddelde vierkante ruwheid RA van 150 mm en 200 mm epitaxiale wafels respectievelijk 0,129 nm en 0,113 nm, en het oppervlak van de epitaxiale laag is soepel, zonder duidelijke macro-step-aggregatie-fenomenon, wat de groei van de epitaxiale lagen altijd behoudt. Het is te zien dat de epitaxiale laag met een glad oppervlak kan worden verkregen op 150 mm en 200 mm lage hoeksubstraten met behulp van het geoptimaliseerde epitaxiale groeiproces.

3. Conclusies

150 mm en 200 mM 4H-SIC homoepitaxiale wafels werden met succes voorbereid op binnenlandse substraten met behulp van de zelf ontwikkelde 200 mm SIC epitaxiale groeimateriaal, en een homoepitaxiaal proces dat geschikt was voor 150 mm en 200 mm werd ontwikkeld. De epitaxiale groeisnelheid kan groter zijn dan 60 μm/u. Tijdens het voldoen aan de high-speed Epitaxy-vereiste, is de epitaxiale wafelkwaliteit uitstekend. De dikte -uniformiteit van 150 mM en 200 mM SIC -epitaxiale wafels kan binnen 1,5%worden geregeld, de concentratie -uniformiteit is minder dan 3%, de dodelijke defectdichtheid is minder dan 0,3 deeltjes/cm2, en het epitaxiale oppervlakte -ruwheid ruw vierkant is minder dan 0,15 nm. De kernprocesindicatoren van de epitaxiale wafels zijn op het geavanceerde niveau in de industrie.

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

Vetek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant vanCVD SIC gecoat plafond, CVD SIC Coating Nozzle, EnSic coating inlaatring.  Vetek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor verschillende SIC -waferproducten voor de halfgeleiderindustrie.

Als u geïnteresseerd bent8-inch SIC epitaxiale oven en homoepitaxiaal proces, aarzel niet om rechtstreeks contact met ons op te nemen.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

E -mail: anny@veteksemi.com