8-дюймові епітаксіальні печі SIC та дослідження гомоепітисальних процесів

В даний час промисловість SIC перетворюється з 150 мм (6 дюймів) до 200 мм (8 дюймів). Для того, щоб задовольнити терміновий попит на високоякісні гомоепітисальні вафлі SIC в галузі, 150 мм та 200 мм 4H-SIC-гомоепітисальні вафлі були успішно підготовлені на внутрішніх підкладках з використанням незалежно розробленого обладнання для епітаксіального росту 200 мм. Було розроблено гомоепіцинний процес, придатний для 150 мм та 200 мм, в якому швидкість росту епітаксіального росту може бути більше 60 мкм/год. Зустрічаючи швидкісну епітаксію, якість епітаксіальної вафлі є чудовою. Рівномірність товщини 150 мм та 200 мМ епітаксіальних плащів SIC можна контролювати в межах 1,5%, рівномірність концентрації менше 3%, смертельна щільність дефектів становить менше 0,3 частинки/см2, а епітаксіальна шорсткість кореневої площі РА менше, ніж 0,15 нм, і всі основні процеси є на проведеному рівні промисловості.

Карбід кремнію (sic) є одним із представників напівпровідникових матеріалів третього покоління. Він має характеристики міцності поля з високим поломкою, відмінну теплопровідність, велику швидкість дрейфу насичення електронів та сильну радіаційну стійкість. Він значно розширила енергетичну здатність обробки енергетичних пристроїв і може відповідати потребам обслуговування наступного покоління електронного обладнання для пристроїв з високою потужністю, невеликим розміром, високою температурою, високим випромінюванням та іншими екстремальними умовами. Це може зменшити простір, зменшити споживання електроенергії та зменшити вимоги до охолодження. Це призвело до революційних змін до нових енергетичних транспортних засобів, залізничного транспорту, розумних сітків та інших полів. Тому напівпровідники карбіду кремнію стали визнані ідеальним матеріалом, який призведе до наступного покоління електронних пристроїв потужності. Останніми роками, завдяки підтримці національної політики щодо розвитку напівпровідникової промисловості третього покоління, дослідження та розробки та будівництво системи промисловості приладів 150 мм SIC в основному завершені в Китаї, а безпека промислової ланцюга в основному гарантована. Тому фокус галузі поступово перейшла до контролю за витратами та підвищення ефективності. Як показано в таблиці 1, порівняно з 150 мм, 200 мМ SIC має більш високу швидкість використання краю, а вихід одноразових мікросхем вафель може збільшуватися приблизно в 1,8 рази. Після дозрівання технології виробнича вартість однієї мікросхеми може бути зменшена на 30%. Технологічний прорив у 200 мм є прямим засобом "зниження витрат та підвищення ефективності", а також є ключовим для напівпровідникової галузі моєї країни "проводити паралельно" або навіть "провід".

На відміну від процесу пристроїв SI, пристрої SIC Semiconductor Power обробляються та готуються з епітаксіальними шарами як наріжний камінь. Епітаксіальні вафлі є важливими основними матеріалами для пристроїв SIC. Якість епітаксіального шару безпосередньо визначає прибуток пристрою, а його витрати становлять 20% витрат на виробництво мікросхем. Тому епітаксіальний ріст є важливим проміжним зв’язком у пристроях SIC Power. Верхня межа рівня епітаксіального процесу визначається епітаксіальним обладнанням. В даний час ступінь локалізації домашнього 150 мм епітаксіального обладнання SIC є відносно високим, але загальний план на 200 мм відстає від міжнародного рівня одночасно. Тому, щоб вирішити нагальні потреби та проблеми з вузькими місцями великого розміру високоякісного виготовлення епітаксіальних матеріалів для розвитку внутрішньої промисловості третього покоління, у цьому документі представлено 200 мм епітаксіального обладнання SIC, успішно розроблене в моїй країні та вивчає епітаксіальний процес. Оптимізуючи параметри процесу, такі як температура процесу, швидкість потоку газу носія, співвідношення C/Si тощо, рівномірність концентрації <3%, товщина нерівномірності <1,5%, шорсткість Ра <0,2 нм та смертельна щільність дефектів <0,3 частинки/см2 з 150 мм та 200 мм епітаксіалів SIC-епітаксіалів. Рівень процесу обладнання може задовольнити потреби високоякісної підготовки пристроїв SIC.

1 експерименти

1.1 Принцип епітаксіального процесу SIC

Процес росту в 4H-SIC гомоепітисального росту в основному включає 2 ключові етапи, а саме високотемпературне травлення підкладки 4H-SIC та однорідного процесу осадження пари. Основна мета травлення підкладки підкладки-видалити пошкодження підземного поверхні підкладки після полірування вафель, залишкова полірування рідини, частинки та оксидного шару, а на поверхні підкладки може бути утворена регулярна атомна ступінчаста структура. Офорт на Situ зазвичай проводяться в атмосфері водню. Відповідно до фактичних вимог до процесу, також можна додати невелику кількість допоміжного газу, наприклад, хлорид водню, пропан, етилен або силан. Температура травлення водню in-situ, як правило, перевищує 1 600 ℃, а тиск реакційної камери, як правило, контролюється нижче 2 × 104 Па під час процесу травлення.

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 (зазвичай водень). Після того, як газ реагує у високотемпературній реакційній камері, частина попередника реагує хімічно і адсорбує на поверхні вафель та однокристалічний однорідний епітаксіальний шар з специфічною концентрацією, специфічною товщиною та більш високою якістю на поверхні підкладки, використовуючи однокристалічну 4-х--SIC-субстрат. Після років технічного розвідки, Homoepitaxial технологія 4H-SIC в основному дозріла і широко використовується у промисловому виробництві. Найпоширеніша технологія гомоепіцитів у світі 4H-SIC має дві типові характеристики: (1) за допомогою осі вісь (відносно спрямованого підкладки <0001>, до шаблону <11-20> кристалічного напрямку) як шаблон, однокристалічний 4-годинний епітаксіальний шар без міркувань не відкладається у формі спироження епітаксіального росту. На початку 4H-SIC Homoepitaxial росту використовував позитивний кристалічний субстрат, тобто площину <0001> Si для росту. Щільність атомних кроків на поверхні позитивного кристалічного підкладки низька, а тераси широкі. Двомірне зростання зародження легко відбуватися під час процесу епітакси, утворюючи 3C кристалічний SIC (3C-SIC). За допомогою розрізання поза осі, атомні етапи ширини високої щільності, атомні етапи ширини тераси можуть бути введені на поверхні 4H-SIC <0001> підкладки, а адсорбований попередник може ефективно досягти положення атомного кроку з відносно низькою поверхневою енергією через дифузію поверхні. На етапі положення зв'язування атома/молекулярної групи попередника є унікальним, тому в режимі росту потоку кроку епітаксіальний шар може ідеально успадкувати послідовність укладання атомного шару Si-C з такою ж кристалічною фазою, що і підкладка. (2) Високошвидкісний епітаксіальний ріст досягається шляхом введення джерела кремнію, що містить хлор. У звичайних системах осадження SIC хімічних препаратів силан та пропан (або етилен) є основними джерелами росту. У процесі збільшення швидкості росту за рахунок збільшення швидкості потоку джерела росту, оскільки рівноважний частковий тиск кремнієвого компонента продовжує збільшуватися, легко утворювати кремнієві скупчення за допомогою однорідного зародження газової фази, що значно знижує швидкість утилізації джерела кремнію. Формування кремнієвих кластерів значно обмежує поліпшення темпів росту епітаксіального. У той же час, кремнієві скупчення можуть порушити ріст кроків і викликати дефект зародження. Щоб уникнути однорідної зародження газової фази та збільшити епітаксіальний темп росту, введення джерел кремнію на основі хлору в даний час є основним методом збільшення епітаксіального темпу росту 4H-SIC.

1,2 200 мм (8-дюймовий) епітаксіальне обладнання та умови процесів SIC

Експерименти, описані в цій роботі, були проведені на сумісному з монолітичним горизонтальною стіною SIC Epitaxial (6/8 дюйм), що розроблене 48-м інститутом China Electronics Technology. Епітаксіальна піч підтримує повністю автоматичне завантаження та вивантаження вафель. Фіг.1 - це схематична схема внутрішньої структури реакційної камери епітаксіального обладнання. 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 a Середньочастотна індукційна живлення. Як показано на малюнку 1 (b), газ -носій, реакційний газ та допінг -газ протікають через поверхню вафель у горизонтальному ламінарному потоці з верхньої течії реакційної камери до нижче за течією реакційної камери і викидаються з кінця хвоста. Для забезпечення узгодженості всередині пластини пластина, що переноситься на плаваючій основі повітря, завжди обертається під час процесу.

Підкладка, що використовується в експерименті,-це комерційна 150 мм, 200 мм (6 дюймів, 8 дюймів) <1120> напрямок 4 ° позакутного струмового провідного N-типу 4-х-SIC-двостороннього відшліфованого підкладки SIC, що утворюється за допомогою кристала Шансі Шюка. Трихлорсилан (SIHCL3, TCS) та етилен (C2H4) використовуються як основні джерела росту в процесі процесу, серед яких TCS і C2H4 використовуються як джерело кремнію та джерело вуглецю відповідно, азот високої чистоти (N2) використовується як джерело допінгу N-типів N, а водневий (H2) використовується як газовий газ і газ. Діапазон температури епітаксіального процесу становить 1 600 ~ 1 660 ℃, тиск процесу - 8 × 103 ~ 12 × 103 ПА, а швидкість потоку газу H2 - 100 ～ 140 л/хв.

1.3 тестування та характеристика епітаксіальної вафлі

Інфрачервоний спектрометр Фур'є (виробник обладнання Thermalfisher, модель IS50) та тестер концентрації зонду ртуті (виробник обладнання Semlab, модель 530L) використовувались для характеристики середнього та розподілу товщини епітаксіального шару та концентрації допінгу; Товщину та допінг -концентрацію кожної точки в епітаксіальному шарі визначали шляхом взяття точок по лінії діаметра, що перетинає нормальну лінію основного опорного краю при 45 ° в центрі пластини з видаленням 5 мм. Для 150 мм вафлі 9 балів взяли по лінії одноразового діаметру (два діаметри були перпендикулярні один до одного), а для 200 мм вафлях 21 бал, як показано на рисунку 2. Для вибору 30 мкм × 30 мкм у центрі області та області, що знаходяться в р. шорсткість поверхні епітаксіального шару; Дефекти епітаксіального шару вимірювали за допомогою тестеру поверхневих дефектів (виробник обладнання China Electronics Kefenghua, модель MARS 4410 Pro) для характеристики.

2 Експериментальні результати та обговорення

2.1 Товщина та рівномірність епітаксіального шару

Товщина епітаксіального шару, концентрація допінгу та рівномірність є одним із основних показників для оцінки якості епітаксіальних вафель. Точна керована товщина, концентрація допінгу та рівномірність у вафлі є ключовим фактором для забезпечення продуктивності та узгодженості пристроїв SIC, а товщина епітаксіального шару та рівномірність концентрації допінгу також є важливими основами для вимірювання можливостей процесу епітаксіального обладнання.

На малюнку 3 показана рівномірність товщини та крива розподілу 150 мм та 200 мм епітаксіальних вафель SIC. З фігури видно, що крива розподілу товщини епітаксіального шару симетрична щодо центральної точки пластини. Час епітаксіального процесу становить 600 с, середня товщина епітаксіального шару 150 мм епітаксіальної пластини становить 10,89 мкм, а рівномірність товщини - 1,05%. За обчисленням, швидкість росту епітаксіального зростання становить 65,3 мкм/год, що є типовим швидким рівнем епітаксіального процесу. У той же час епітаксіального процесу товщина епітаксіального шару епітаксіальної пластини 200 мм становить 10,10 мкм, рівномірність товщини становить 1,36%, а загальна швидкість росту - 60,60 мкм/год, що трохи нижча, ніж 150 мм епітаксіального росту. Це тому, що є очевидні втрати на шляху, коли джерело кремнію та джерело вуглецю надходять від верхньої течії реакційної камери через поверхню пластину до нижче за течією реакційної камери, а площа пластини на 200 мм більша, ніж 150 мм. Газ протікає через поверхню вафлі 200 мм на більшій відстані, а джерело газу, що споживається на цьому шляху, більше. За умови, що пластина продовжує обертатися, загальна товщина епітаксіального шару тонша, тому швидкість росту повільніша. Загалом, рівномірність товщини 150 мм та 200 мм епітаксіальних вафель є чудовою, а можливості процесу обладнання можуть відповідати вимогам високоякісних пристроїв.

2.2 Концентрація та рівномірність епітаксіального шару та рівномірність

На малюнку 4 показано рівномірність концентрації допінгу та розподіл кривої 150 мм та 200 мм епітаксіальних вафель SIC. Як видно з малюнка, крива розподілу концентрації на епітаксіальній пластині має очевидну симетрію відносно центру пластини. Уніфікованість концентрації допінгу 150 мм та 200 мм епітаксіальних шарів становить 2,80% та 2,66% відповідно, що можна контролювати в межах 3%, що є відмінним рівнем між міжнародним подібним обладнанням. Крива концентрації допінгу епітаксіального шару розподіляється у формі "W" вздовж напрямку діаметра, яка в основному визначається потоковим полем горизонтальної печі епітаксіальної печі повітряного потоку повітряного потоку повітряного потоку повітря, що виходить з потоку повітряного потоку (вгору вгору (витікає з кінцевого потоку в потік в протіку в протік; Оскільки швидкість вуглецю джерела вуглецю (C2H4) вище, ніж у джерела кремнію (TCS), коли пластина обертається, фактичний C/Si на поверхні вари поступово зменшується від краю до центру (джерело вуглецю в центрі менше), згідно з "теоретичною позицією", що перебуває в редакції ". Для того, щоб отримати відмінну рівномірність концентрації, край N2 додається як компенсація під час епітаксіального процесу, щоб уповільнити зниження концентрації допінгу від центру до краю, так що кінцева крива концентрації допінгу представляє форму "W".

2.3 Дефекти епітаксіального шару

Окрім товщини та концентрації допінгу, рівень управління дефектом епітаксіального шару також є основним параметром для вимірювання якості епітаксіальних вафель та важливим показником можливості процесу епітаксіального обладнання. Хоча SBD та MOSFET мають різні вимоги до дефектів, більш очевидні дефекти морфології поверхні, такі як дефекти падіння, дефекти трикутників, дефекти моркви та дефекти комети визначаються як дефекти вбивчих пристроїв SBD та MOSFET. Ймовірність відмови мікросхем, що містять ці дефекти, висока, тому контроль за кількістю дефектів вбивць надзвичайно важливий для покращення прибутковості мікросхеми та зменшення витрат. На малюнку 5 показано розподіл дефектів вбивць 150 мм та 200 мм епітаксіальних вафель SIC. За умови, що у співвідношенні C/Si не існує очевидного дисбалансу, дефекти моркви та дефекти комети можуть бути в основному усунуті, тоді як дефекти падіння та дефекти трикутника пов'язані з контролем чистоти під час роботи епітаксіального обладнання, рівня домішок графітних частин у реакційній камері та якість субстратів. З таблиці 2 ми можемо побачити, що фатальна щільність дефектів 150 мм та 200 мм епітаксіальних вафель може контролюватися в межах 0,3 частинки/см2, що є відмінним рівнем для одного типу обладнання. Фатальний рівень контролю щільності дефекту 150 мм епітаксіальної пластини кращий, ніж у 200 мм епітаксіальної пластини. Це пояснюється тим, що процес підготовки субстрату 150 мм є більш зрілим, ніж у 200 мм, якість підкладки краща, а рівень контролю домішок 150 мм камера графітової реакції кращий.

2.4 Шорсткість поверхні епітаксіальної вафлі

На малюнку 6 показані зображення AFM поверхні 150 мм та 200 мм епітаксіальних вафель SIC. Як видно з фігури, середня шорсткість кореня поверхні Ra 150 мм та 200 мм епітаксіальних пластин становить 0,129 нм, а 0,113 нм відповідно, а поверхня епітаксіального шару є гладкою, без очевидного явища агрегації макро-кроків, що вказує на те, що ріст епітаксіального шару завжди підтримує ступінчастий ріст. Видно, що епітаксіальний шар з гладкою поверхнею може бути отриманий на низькокутних субстратах 150 мм та 200 мм, використовуючи оптимізований процес росту епітаксіального.

3. Висновки

150 мм та 200 мм 4H-SIC-гомоепітисальні вафлі були успішно підготовлені до внутрішніх субстратів за допомогою саморозвиненого 200 мм епітаксіального обладнання для росту SIC, та розроблено гомоепіцинний процес, придатний для 150 мм та 200 мм. Швидкість росту епітаксіального росту може бути більше 60 мкм/год. Під час задоволення високошвидкісних вимог епітакси, якість епітаксіальної вафлі є чудовою. Рівномірність товщини 150 мм та 200 мМ епітаксіальних плащів SIC можна контролювати в межах 1,5%, рівномірність концентрації становить менше 3%, смертельна щільність дефекту становить менше 0,3 частинки/см2, а епітаксіальна шорсткість кореня поверхні становить менше 0,15 нм. Основні показники процесів епітаксіальних вафель знаходяться на передовій рівні в галузі.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------.

Vetek Semiconductor - професійний китайський виробникСтеля з покриттям, Насадка для покриття CVD SICіSIC покриття на вхідному кільці.  Vetek Semiconductor прагне надати передові рішення для різних продуктів SIC вафель для напівпровідникової галузі.

Якщо вас цікавить8-дюймовий епітаксіальний процес SIC, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами безпосередньо.

Моб: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

Електронна пошта: anny@veteksemi.com