8-tommers SiC epitaksial ovn og homoepitaksial prosessforskning

For tiden transformerer SiC-industrien fra 150 mm (6 tommer) til 200 mm (8 tommer). For å møte den presserende etterspørselen etter store, høykvalitets SiC-homoepitaksiale wafere i industrien, ble 150 mm og 200 mm 4H-SiC-homoepitaksiale wafere med suksess preparert på husholdningssubstrater ved bruk av det uavhengig utviklede 200 mm SiC-epitaksiale vekstutstyret. En homoepitaksial prosess egnet for 150 mm og 200 mm ble utviklet, der epitaksial veksthastighet kan være større enn 60 μm/t. Mens den møter høyhastighets-epitaksien, er den epitaksiale waferkvaliteten utmerket. Tykkelsens jevnhet på 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere kan kontrolleres innen 1,5 %, konsentrasjonsuniformiteten er mindre enn 3 %, den dødelige defekttettheten er mindre enn 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overflateruheten roten gjennomsnittlig kvadrat Ra er mindre enn 0,15 nm, og alle kjerneprosessindikatorer er på avansert nivå i bransjen.

Silisiumkarbid (SiC) er en av representantene for tredjegenerasjons halvledermaterialer. Den har egenskapene til høy nedbrytningsfeltstyrke, utmerket termisk ledningsevne, stor elektronmetningsdrifthastighet og sterk strålingsmotstand. Det har kraftig utvidet energibehandlingskapasiteten til kraftenheter og kan møte servicekravene til neste generasjon kraftelektronisk utstyr for enheter med høy effekt, liten størrelse, høy temperatur, høy stråling og andre ekstreme forhold. Det kan redusere plass, redusere strømforbruket og redusere kjølebehov. Det har brakt revolusjonerende endringer til nye energikjøretøyer, jernbanetransport, smarte nett og andre felt. Derfor har silisiumkarbidhalvledere blitt anerkjent som det ideelle materialet som vil lede neste generasjon av elektroniske enheter med høy effekt. De siste årene, takket være den nasjonale politiske støtten for utviklingen av tredjegenerasjons halvlederindustri, har forskning og utvikling og konstruksjon av 150 mm SiC-enhetsindustrisystemet i hovedsak blitt fullført i Kina, og sikkerheten til industrikjeden har vært i utgangspunktet garantert. Derfor har bransjens fokus gradvis skiftet til kostnadskontroll og effektivisering. Som vist i tabell 1, sammenlignet med 150 mm, har 200 mm SiC en høyere kantutnyttelsesgrad, og produksjonen av enkeltwaferbrikker kan økes med omtrent 1,8 ganger. Etter at teknologien modnes, kan produksjonskostnaden for en enkelt brikke reduseres med 30 %. Det teknologiske gjennombruddet på 200 mm er et direkte middel for å "redusere kostnader og øke effektiviteten", og det er også nøkkelen for mitt lands halvlederindustri å "kjøre parallelt" eller til og med "lede".

Forskjellig fra Si-enhetsprosessen, blir SiC-halvlederkraftenheter alle behandlet og forberedt med epitaksiale lag som hjørnesteinen. Epitaksiale wafere er essensielle basismaterialer for SiC-kraftenheter. Kvaliteten på det epitaksiale laget bestemmer direkte utbyttet av enheten, og kostnaden utgjør 20% av produksjonskostnaden for brikken. Derfor er epitaksial vekst en viktig mellomledd i SiC-kraftenheter. Den øvre grensen for epitaksielt prosessnivå bestemmes av epitaksielt utstyr. For tiden er lokaliseringsgraden for innenlandsk 150 mm SiC epitaksialutstyr relativt høy, men den generelle utformingen på 200 mm henger samtidig etter det internasjonale nivået. Derfor, for å løse de presserende behovene og flaskehalsproblemene ved produksjon av epitaksialt materiale i stor størrelse, av høy kvalitet for utviklingen av den innenlandske tredjegenerasjons halvlederindustrien, introduserer denne artikkelen 200 mm SiC epitaksialutstyret som er utviklet med suksess i mitt land, og studerer den epitaksiale prosessen. Ved å optimalisere prosessparametrene som prosesstemperatur, bæregass-strømningshastighet, C/Si-forhold, etc., konsentrasjonsuniformitet <3 %, tykkelsesujevnhet <1,5 %, ruhet Ra <0,2 nm og fatal defekttetthet <0,3 partikler /cm2 av 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere med egenutviklet 200 mm silisiumkarbid epitaksial ovn oppnås. Utstyrsprosessnivået kan møte behovene til høykvalitets SiC-kraftenhetsforberedelse.

1 Eksperimenter

1.1 Prinsippet for SiC epitaksial prosess

Den 4H-SiC-homoepitaksiale vekstprosessen inkluderer hovedsakelig 2 nøkkeltrinn, nemlig høytemperatur in-situ etsing av 4H-SiC-substrat og homogen kjemisk dampavsetningsprosess. Hovedformålet med substrat in-situ etsing er å fjerne undergrunnsskaden av substratet etter waferpolering, gjenværende poleringsvæske, partikler og oksidlag, og en vanlig atomisk trinnstruktur kan dannes på substratoverflaten ved etsing. In-situ etsing utføres vanligvis i en hydrogenatmosfære. I henhold til de faktiske prosesskravene kan også en liten mengde hjelpegass tilsettes, slik som hydrogenklorid, propan, etylen eller silan. Temperaturen for in-situ hydrogenetsing er generelt over 1 600 ℃, og trykket i reaksjonskammeret er generelt kontrollert under 2×104 Pa under etseprosessen.

Etter at substratoverflaten er aktivert ved in-situ etsing, går den inn i høytemperatur kjemisk dampavsetningsprosess, det vil si vekstkilden (som etylen/propan, TCS/silan), dopingkilde (n-type dopingkilde nitrogen) , p-type dopingkilde TMAl), og hjelpegass som hydrogenklorid transporteres til reaksjonskammeret gjennom en stor strøm av bæregass (vanligvis hydrogen). Etter at gassen reagerer i høytemperaturreaksjonskammeret, reagerer en del av forløperen kjemisk og adsorberer på waferoverflaten, og det dannes et enkrystall homogent 4H-SiC epitaksialt lag med en spesifikk dopingkonsentrasjon, spesifikk tykkelse og høyere kvalitet. på substratoverflaten ved å bruke enkeltkrystall 4H-SiC-substratet som mal. Etter år med teknisk utforskning har 4H-SiC homeepitaxial-teknologien i utgangspunktet modnet og er mye brukt i industriell produksjon. Den mest brukte 4H-SiC-homoepitaksiale teknologien i verden har to typiske kjennetegn: (1) Bruk av et off-akse (i forhold til <0001> krystallplanet, mot <11-20> krystallretningen) skrått kuttet substrat som et mal, avsettes et høyrent enkeltkrystall 4H-SiC epitaksialt lag uten urenheter på underlaget i form av step-flow-vekstmodus. Tidlig 4H-SiC homoepitaksial 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. Todimensjonal nukleasjonsvekst er lett å oppstå under epitaksiprosessen for å danne 3C krystall SiC (3C-SiC). Ved skjæring utenfor aksen kan atomtrinn med høy tetthet, smal terrassebredde introduseres på overflaten av 4H-SiC <0001>-substratet, og den adsorberte forløperen kan effektivt nå atomtrinnposisjonen med relativt lav overflateenergi gjennom overflatediffusjon . På trinnet er forløperatom/molekylgruppebindingsposisjonen unik, så i trinnstrømsvekstmodusen kan det epitaksiale laget perfekt arve Si-C dobbeltatomlagstablingssekvensen til substratet for å danne en enkelt krystall med samme krystall fase som underlag. (2) Høyhastighets epitaksial vekst oppnås ved å introdusere 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 vekstkildens strømningshastighet, ettersom likevektspartialtrykket til silisiumkomponenten fortsetter å øke, er det lett å danne silisiumklynger ved homogen gassfasekjernedannelse, noe som betydelig reduserer utnyttelsesgraden av silisium. silisiumkilde. Dannelsen av silisiumklynger begrenser i stor grad forbedringen av den epitaksiale veksthastigheten. Samtidig kan silisiumklynger forstyrre trinnstrømveksten og forårsake defekt kjernedannelse. For å unngå homogen gassfasekjernedannelse og øke den epitaksiale veksthastigheten, er introduksjonen av klorbaserte silisiumkilder for tiden den vanlige metoden for å øke den epitaksiale veksthastigheten til 4H-SiC.

1,2 200 mm (8-tommers) SiC epitaksielt utstyr og prosessforhold

Eksperimentene beskrevet i denne artikkelen ble alle utført på et 150/200 mm (6/8-tommers) kompatibelt monolitisk horisontal SiC-epitaksialt SiC-epitaksialutstyr som er kompatibelt med 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Epitaksialovnen støtter helautomatisk waferlasting og lossing. Figur 1 er et skjematisk diagram av den indre strukturen til reaksjonskammeret til det epitaksiale utstyret. Som vist i figur 1, er ytterveggen av reaksjonskammeret en kvartsklokke med et vannkjølt mellomlag, og innsiden av klokken er et høytemperaturreaksjonskammer, som er sammensatt av varmeisolerende karbonfilt, høy renhet spesielt grafitthulrom, grafittgassflytende roterende base, etc. Hele kvartsklokken er dekket med en sylindrisk induksjonsspole, og reaksjonskammeret inne i klokken varmes opp elektromagnetisk av en middels frekvens induksjonsstrømforsyning. Som vist i figur 1 (b), strømmer bæregassen, reaksjonsgassen og dopingsgassen alle gjennom waferoverflaten i en horisontal laminær strøm fra oppstrøms reaksjonskammeret til nedstrøms reaksjonskammeret og slippes ut fra halen. gass ​​slutt. For å sikre konsistensen i waferen, roteres alltid waferen som bæres av den luftflytende basen under prosessen.

Substratet som ble brukt i eksperimentet er et kommersielt 150 mm, 200 mm (6 tommer, 8 tommer) <1120> retning 4° off-vinkel ledende n-type 4H-SiC dobbeltsidig polert SiC-substrat produsert av Shanxi Shuoke Crystal. Triklorsilan (SiHCl3, TCS) og etylen (C2H4) brukes som hovedvekstkilder i prosessforsøket, blant annet brukes TCS og C2H4 som henholdsvis silisiumkilde og karbonkilde, høyrent nitrogen (N2) brukes som n- type dopingkilde, og hydrogen (H2) brukes som fortynningsgass og bæregass. Det epitaksiale prosesstemperaturområdet er 1 600 ~ 1 660 ℃, prosesstrykket er 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, og H2-bærergassens strømningshastighet er 100 ~ 140 L/min.

1.3 Epitaksial wafer testing og karakterisering

Fourier infrarødt spektrometer (utstyrsprodusent Thermalfisher, modell iS50) og kvikksølvsondekonsentrasjonstester (utstyrsprodusent Semilab, modell 530L) ble brukt for å karakterisere gjennomsnittet og fordelingen av epitaksial lagtykkelse og dopingkonsentrasjon; tykkelsen og dopingkonsentrasjonen til hvert punkt i det epitaksiale laget ble bestemt ved å ta punkter langs diameterlinjen som skjærer normallinjen til hovedreferansekanten ved 45° ved midten av skiven med 5 mm kantfjerning. For en 150 mm wafer ble 9 punkter tatt langs en enkelt diameterlinje (to diametre var vinkelrett på hverandre), og for en 200 mm wafer ble det tatt 21 punkter, som vist i figur 2. Et atomkraftmikroskop (utstyrsprodusent Bruker, modell Dimension Icon) ble brukt til å velge 30 μm × 30 μm områder i senterområdet og kantområdet (5 mm kantfjerning) av epitaksialplaten for å teste overflateruheten til epitaksiallaget; defektene i det epitaksiale laget ble målt ved å bruke en overflatedefekttester (utstyrsprodusent China Electronics Kefenghua, modell Mars 4410 pro) for karakterisering.

2 Eksperimentelle resultater og diskusjon

2.1 Epitaksial lagtykkelse og jevnhet

Epitaksial lagtykkelse, dopingkonsentrasjon og jevnhet er en av kjerneindikatorene for å bedømme kvaliteten på epitaksiale wafere. Nøyaktig kontrollerbar tykkelse, dopingkonsentrasjon og jevnhet i waferen er nøkkelen til å sikre ytelsen og konsistensen til SiC-kraftenheter, og epitaksial lagtykkelse og dopingkonsentrasjonens ensartethet er også viktige grunnlag for å måle prosessevnen til epitaksielt utstyr.

Figur 3 viser tykkelsesuniformitet og distribusjonskurve for 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Det kan sees av figuren at den epitaksiale lagtykkelsesfordelingskurven er symmetrisk om senterpunktet til waferen. Den epitaksiale prosesstiden er 600 s, den gjennomsnittlige epitaksiale lagtykkelsen på 150 mm epitaksial wafer er 10,89 μm, og tykkelsesuniformiteten er 1,05 %. Ved beregning er den epitaksiale veksthastigheten 65,3 μm/t, som er et typisk raskt epitaksielt prosessnivå. Under den samme epitaksiale prosesstiden er den epitaksiale lagtykkelsen på 200 mm epitaksial wafer 10,10 μm, tykkelsesuniformiteten er innenfor 1,36 %, og den totale veksthastigheten er 60,60 μm/t, noe som er litt lavere enn 150 mm epitaksial vekst sats. Dette er fordi det er åpenbart tap underveis når silisiumkilden og karbonkilden strømmer fra oppstrøms for reaksjonskammeret gjennom waferoverflaten til nedstrøms for reaksjonskammeret, og 200 mm waferarealet er større enn 150 mm. Gassen strømmer gjennom overflaten på 200 mm waferen over en lengre strekning, og kildegassen som forbrukes underveis er mer. Under forutsetning av at waferen fortsetter å rotere, er den totale tykkelsen på epitaksiallaget tynnere, slik at veksthastigheten er langsommere. Samlet sett er tykkelsesensartetheten til 150 mm og 200 mm epitaksiale wafere utmerket, og prosessevnen til utstyret kan oppfylle kravene til høykvalitetsenheter.

2.2 Epitaksiallags dopingkonsentrasjon og ensartethet

Figur 4 viser dopingkonsentrasjonens ensartethet og kurvefordeling av 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Som det fremgår av figuren, har konsentrasjonsfordelingskurven på epitaksialplaten åpenbar symmetri i forhold til midten av skiven. Ensartetheten av dopingkonsentrasjonen til de 150 mm og 200 mm epitaksiale lagene er henholdsvis 2,80 % og 2,66 %, som kan kontrolleres innenfor 3 %, som er et utmerket nivå blant internasjonalt lignende utstyr. Dopingkonsentrasjonskurven til epitaksiallaget er fordelt i en "W"-form langs diameterretningen, som hovedsakelig bestemmes av strømningsfeltet til den horisontale varmvegg-epitaksiale ovnen, fordi luftstrømretningen til den horisontale luftstrømmen-epitaksiale vekstovnen er fra luftinnløpsenden (oppstrøms) og strømmer ut fra nedstrømsenden i en laminær strøm gjennom waferoverflaten; fordi "underveis utarmingshastigheten" for karbonkilden (C2H4) er høyere enn for silisiumkilden (TCS), når waferen roterer, reduseres den faktiske C/Si på waferoverflaten gradvis fra kanten til sentrum (karbonkilden i midten er mindre), ifølge "konkurranseposisjonsteorien" til C og N, avtar dopingkonsentrasjonen i midten av waferen gradvis mot kanten. For å oppnå utmerket konsentrasjonsuniformitet tilsettes kanten N2 som kompensasjon under epitaksialprosessen for å bremse nedgangen i dopingkonsentrasjonen fra sentrum til kanten, slik at den endelige dopingkonsentrasjonskurven presenterer en "W"-form.

2.3 Epitaksiale lagdefekter

I tillegg til tykkelse og dopingkonsentrasjon er nivået av epitaksial lagdefektkontroll også en kjerneparameter for å måle kvaliteten på epitaksiale wafere og en viktig indikator på prosesskapasiteten til epitaksialt utstyr. Selv om SBD og MOSFET har forskjellige krav til defekter, er mer åpenbare overflatemorfologiske defekter som falldefekter, trekantdefekter, gulrotdefekter og kometdefekter definert som drepende defekter for SBD- og MOSFET-enheter. Sannsynligheten for svikt på brikker som inneholder disse defektene er høy, så det er ekstremt viktig å kontrollere antall morderdefekter for å forbedre brikkeutbyttet og redusere kostnadene. Figur 5 viser fordelingen av drepende defekter på 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Under forutsetning av at det ikke er noen åpenbar ubalanse i C/Si-forholdet, kan gulrotdefekter og kometdefekter i utgangspunktet elimineres, mens falldefekter og trekantdefekter er relatert til renslighetskontrollen under driften av epitaksielt utstyr, urenhetsnivået til grafitt deler i reaksjonskammeret, og kvaliteten på underlaget. Fra tabell 2 kan vi se at den fatale defekttettheten på 150 mm og 200 mm epitaksiale wafere kan kontrolleres innenfor 0,3 partikler/cm2, som er et utmerket nivå for samme type utstyr. Det fatale defekttetthetskontrollnivået for 150 mm epitaksial wafer er bedre enn 200 mm epitaksial wafer. Dette er fordi 150 mm substratprepareringsprosessen er mer moden enn 200 mm, substratkvaliteten er bedre, og urenhetskontrollnivået til 150 mm grafittreaksjonskammer er bedre.

2.4 Epitaksial wafer overflateruhet

Figur 6 viser AFM-bildene av overflaten til 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere. Som det fremgår av figuren, er overflaterotens gjennomsnittlige kvadratiske ruhet Ra på 150 mm og 200 mm epitaksiale wafere henholdsvis 0,129 nm og 0,113 nm, og overflaten av epitaksiallaget er glatt, uten åpenbart makro-trinns aggregeringsfenomen, som indikerer at veksten av epitaksiallaget alltid opprettholder trinnflyt-vekstmodusen under hele epitaksialprosessen, og ingen trinnaggregering forekommer. Det kan sees at det epitaksiale laget med en jevn overflate kan oppnås på 150 mm og 200 mm lavvinklede underlag ved å bruke den optimaliserte epitaksiale vekstprosessen.

3. Konklusjoner

150 mm og 200 mm 4H-SiC homoepitaksiale wafere ble med suksess preparert på husholdningssubstrater ved å bruke det egenutviklede 200 mm SiC epitaksiale vekstutstyret, og en homoepitaksial prosess egnet for 150 mm og 200 mm ble utviklet. Den epitaksielle veksthastigheten kan være større enn 60 μm/t. Selv om den oppfyller høyhastighets epitaksikravet, er den epitaksiale waferkvaliteten utmerket. Tykkelsens jevnhet på 150 mm og 200 mm SiC epitaksiale wafere kan kontrolleres innen 1,5 %, konsentrasjonsuniformiteten er mindre enn 3 %, den dødelige defekttettheten er mindre enn 0,3 partikler/cm2, og den epitaksiale overflateruheten roten gjennomsnittlig kvadrat Ra er mindre enn 0,15 nm. Kjerneprosessindikatorene til epitaksiale wafere er på avansert nivå i industrien.

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

VeTek Semiconductor er en profesjonell kinesisk produsent avCVD SiC-belagt tak, CVD SiC beleggdyse, ogSiC Coating Innløpsring.  VeTek Semiconductor er forpliktet til å tilby avanserte løsninger for ulike SiC Wafer-produkter for halvlederindustrien.

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

Mobiltelefon: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com