8 hüvelykes SiC epitaxiális kemence és homoepitaxiális folyamatok kutatása

Jelenleg a SiC ipar 150 mm-ről (6 hüvelyk) 200 mm-re (8 hüvelykre) alakul át. A nagy méretű, jó minőségű SiC homoepitaxiális ostyák iránti sürgető iparági igények kielégítése érdekében a független fejlesztésű, 200 mm-es SiC epitaxiális növesztő berendezéssel sikeresen 150 mm-es és 200 mm-es 4H-SiC homoepitaxiális ostyákat készítettek hazai szubsztrátumokra. Kidolgoztunk egy 150 mm-es és 200 mm-es homoepitaxiális eljárást, amelyben az epitaxiális növekedési sebesség 60 μm/h-nál is nagyobb lehet. Miközben megfelel a nagy sebességű epitaxiának, az epitaxiális ostya minősége kiváló. A 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák vastagsági egyenletessége 1,5%-on belül szabályozható, a koncentráció egyenletessége 3-nál kisebb, a végzetes hiba sűrűsége kisebb, mint 0,3 részecske/cm2, és az epitaxiális felületi érdesség négyzetes Ra 0,15 nm-nél kisebb, és az összes alapvető folyamatmutató az iparág haladó szintjén van.

A szilícium-karbid (SiC) a harmadik generációs félvezető anyagok egyik képviselője. Jellemzői: nagy áttörési térerő, kiváló hővezető képesség, nagy elektrontelítési sodródási sebesség és erős sugárzásállóság. Jelentősen kibővítette az erősáramú eszközök energiafeldolgozó kapacitását, és megfelel a következő generációs teljesítményelektronikai berendezések szolgáltatási követelményeinek a nagy teljesítményű, kis méretű, magas hőmérsékletű, magas sugárzási és egyéb extrém körülmények között működő eszközökhöz. Csökkentheti a helyet, az energiafogyasztást és a hűtési igényt. Forradalmi változásokat hozott az új energetikai járművek, a vasúti közlekedés, az intelligens hálózatok és más területeken. Ezért a szilícium-karbid félvezetőket ideális anyagként ismerik el, amely a nagy teljesítményű elektronikai eszközök következő generációját fogja vezetni. Az elmúlt években a harmadik generációs félvezetőipar fejlesztését szolgáló nemzetpolitikai támogatásnak köszönhetően Kínában alapvetően befejeződött a 150 mm-es SiC eszközipari rendszer kutatás-fejlesztése és kivitelezése, és az ipari lánc biztonsága alapvetően garantált. Ezért az iparág fókusza fokozatosan a költségkontrollra és a hatékonyság javítására helyeződött át. Amint az 1. táblázatban látható, a 150 mm-eshez képest a 200 mm-es SiC-nek magasabb az élkihasználtsága, és az egyedi lapka chipek teljesítménye körülbelül 1,8-szorosára növelhető. A technológia kifejlődése után egyetlen chip gyártási költsége 30%-kal csökkenthető. A 200 mm-es technológiai áttörés közvetlen eszköze a „költségek csökkentésének és a hatékonyság növelésének”, és ez a kulcsa annak is, hogy hazám félvezetőipara „párhuzamosan működjön”, vagy akár „vezessen”.

Az Si-eszköz eljárástól eltérően, a SiC félvezető tápegységeket minden esetben epitaxiális rétegekkel dolgozzák fel és készítik elő. Az epitaxiális lapkák elengedhetetlen alapanyagok a SiC tápegységekhez. Az epitaxiális réteg minősége közvetlenül meghatározza az eszköz hozamát, költsége a chipgyártási költség 20%-át teszi ki. Ezért az epitaxiális növekedés lényeges köztes láncszem a SiC tápegységekben. Az epitaxiális folyamat szintjének felső határát epitaxiális berendezés határozza meg. Jelenleg a hazai 150 mm-es SiC epitaxiális berendezések lokalizációs foka viszonylag magas, de a 200 mm-es összesített elrendezés ugyanakkor elmarad a nemzetközi szinttől. Ezért a hazai harmadik generációs félvezetőipar fejlesztése érdekében a nagyméretű, jó minőségű epitaxiális anyaggyártás sürgős szükségleteinek és szűk keresztmetszeti problémáinak megoldása érdekében jelen írás bemutatja a hazámban sikeresen kifejlesztett 200 mm-es SiC epitaxiális berendezést, és tanulmányozza az epitaxiális folyamatot. Az eljárási paraméterek, például a folyamat hőmérséklete, a vivőgáz áramlási sebessége, a C/Si arány stb. optimalizálásával a koncentráció egyenletessége <3%, a vastagság egyenetlensége <1,5%, az érdesség Ra <0,2 nm és a végzetes hibasűrűség <0,3 részecske /cm2 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkákat kapunk saját fejlesztésű 200 mm-es szilícium-karbid epitaxiális kemencével. A berendezés folyamatszintje kielégíti a minőségi SiC erőmű-előkészítés igényeit.

1 Kísérletek

1.1 A SiC epitaxiális folyamat elve

A 4H-SiC homoepitaxiális növekedési folyamat főként 2 kulcslépést foglal magában, nevezetesen a 4H-SiC szubsztrát magas hőmérsékletű in situ maratását és a homogén kémiai gőzleválasztási eljárást. A hordozó in situ maratásának fő célja, hogy az ostyapolírozás után eltávolítsa az aljzat felszín alatti károsodását, a maradék polírozó folyadékot, a részecskéket és az oxidréteget, és maratással szabályos atomlépcsős szerkezet alakítható ki az alapfelületen. Az in situ maratást általában hidrogénatmoszférában végzik. Az aktuális eljárási követelményeknek megfelelően kis mennyiségű segédgáz is adagolható, például hidrogén-klorid, propán, etilén vagy szilán. Az in situ hidrogénmaratás hőmérséklete általában 1600 ℃ felett van, és a reakciókamra nyomását általában 2×104 Pa alá szabályozzák a maratási folyamat során.

Miután a szubsztrátum felülete in situ maratással aktiválódik, belép a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztási folyamatba, azaz a növekedési forrásba (például etilén/propán, TCS/szilán), adalékforrás (n-típusú adalékforrás nitrogén) , p-típusú adalékforrás TMAl), és a segédgáz, például a hidrogén-klorid nagy mennyiségű vivőgázon (általában hidrogénen) keresztül jut a reakciókamrába. Miután a gáz a magas hőmérsékletű reakciókamrában reagál, a prekurzor egy része kémiai reakcióba lép és adszorbeálódik az ostya felületén, és egy kristályos homogén 4H-SiC epitaxiális réteg jön létre, amely meghatározott adalékolási koncentrációval, fajlagos vastagsággal és magasabb minőséggel rendelkezik. a hordozó felületén, sablonként az egykristályos 4H-SiC szubsztrátot használva. Évekig tartó műszaki kutatás után a 4H-SiC homoepitaxiális technológia alapvetően kiforrott és széles körben használatos az ipari termelésben. A világon a legszélesebb körben használt 4H-SiC homoepitaxiális technológiának két jellemző jellemzője van: (1) A tengelyen kívüli (a <0001> kristálysíkhoz viszonyítva, a <11-20> kristályirány felé) ferde vágott szubsztrátumot használunk. sablon, egy nagy tisztaságú egykristályos 4H-SiC epitaxiális réteg szennyeződések nélkül kerül fel a szubsztrátumra lépéses áramlási módban. A korai 4H-SiC homoepitaxiális növekedés pozitív kristályszubsztrátot, azaz a <0001> Si síkot használt a növekedéshez. A pozitív kristályhordozó felületén az atomlépcsők sűrűsége alacsony, a teraszok szélesek. A kétdimenziós gócképződés könnyen előfordulhat az epitaxiás folyamat során, és így 3C kristály SiC (3C-SiC) keletkezik. Tengelyen kívüli vágással a 4H-SiC <0001> szubsztrát felületére nagy sűrűségű, keskeny terasz szélességű atomlépcsők vezethetők be, és az adszorbeált prekurzor a felületi diffúzió révén viszonylag alacsony felületi energiával hatékonyan érheti el az atomlépcsős pozíciót. . A lépésben a prekurzor atom/molekulacsoport kötési pozíciója egyedi, így a lépcsős áramlási növekedési módban az epitaxiális réteg tökéletesen örökölheti a szubsztrát Si-C kettős atomos rétegének egymásra épülési szekvenciáját, hogy egy kristályt képezzen ugyanazzal a kristállyal. fázis, mint a szubsztrát. (2) A nagy sebességű epitaxiális növekedés klórtartalmú szilíciumforrás bevezetésével érhető el. A hagyományos SiC kémiai gőzleválasztási rendszerekben a szilán és a propán (vagy etilén) a fő növekedési forrás. A növekedési sebesség növelése során a növekedési forrás áramlási sebességének növelésével, a szilícium komponens egyensúlyi parciális nyomásának tovább növekszik, homogén gázfázisú gócképződéssel könnyű szilícium klasztereket képezni, ami jelentősen csökkenti a szilícium komponens felhasználási sebességét. szilícium forrás. A szilícium klaszterek kialakulása nagymértékben korlátozza az epitaxiális növekedési sebesség javulását. Ugyanakkor a szilícium klaszterek megzavarhatják a lépcsős áramlási növekedést, és hibás gócképződést okozhatnak. A homogén gázfázisú gócképződés elkerülése és az epitaxiális növekedési sebesség növelése érdekében jelenleg a klór alapú szilíciumforrások bevezetése a fő módszer a 4H-SiC epitaxiális növekedési sebességének növelésére.

1,2 200 mm-es (8 hüvelykes) SiC epitaxiális berendezés és folyamatkörülmények

Az ebben a cikkben leírt kísérleteket egy 150/200 mm-es (6/8 hüvelykes) kompatibilis monolit vízszintes melegfalú SiC epitaxiális berendezésen végezték, amelyet a 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation független fejlesztett ki. Az epitaxiális kemence támogatja a teljesen automatikus ostya be- és kirakodást. Az 1. ábra az epitaxiális berendezés reakciókamrájának belső szerkezetének vázlatos diagramja. Amint az 1. ábrán látható, a reakciókamra külső fala vízhűtéses közbenső réteggel ellátott kvarc harang, a harang belseje pedig egy magas hőmérsékletű reakciókamra, amely hőszigetelő szénfilcből áll, nagy tisztaságú. speciális grafitüreg, grafitgázzal lebegő forgótalp, stb. A teljes kvarcharangot hengeres indukciós tekercs borítja, a harang belsejében lévő reakciókamrát pedig egy közepes frekvenciájú indukciós tápegység elektromágnesesen melegíti. Amint az 1(b) ábrán látható, a hordozógáz, a reakciógáz és az adalékgáz mind vízszintes lamináris áramlásban áramlik át az ostya felületén a reakciókamra előtti áramlási irányától a reakciókamra utáni részig, és kiürülnek a farokból. gázvég. Az ostyán belüli konzisztencia érdekében a levegőben lebegő talpon lévő ostyát a folyamat során mindig forgatják.

A kísérletben használt hordozó a Shanxi Shuoke Crystal által gyártott, kereskedelemben kapható 150 mm, 200 mm (6 hüvelyk, 8 hüvelyk) <1120> irányú, 4°-os szögtől eltérő vezetőképes n-típusú 4H-SiC kétoldalas polírozott SiC hordozó. Az eljárási kísérletben fő növekedési forrásként triklór-szilánt (SiHCl3, TCS) és etilént (C2H4) használnak, amelyek közül szilíciumforrásként TCS-t, illetve szénforrásként C2H4-et, n-ként pedig nagy tisztaságú nitrogént (N2) használnak. típusú adalékforrás, és hidrogént (H2) használnak hígítógázként és vivőgázként. Az epitaxiális folyamat hőmérsékleti tartománya 1 600 ~ 1 660 ℃, a folyamat nyomása 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, és a H2 vivőgáz áramlási sebessége 100 - 140 l/perc.

1.3 Epitaxiális lapka tesztelése és jellemzése

Az epitaxiális rétegvastagság és a doppingkoncentráció átlagának és eloszlásának jellemzésére Fourier infravörös spektrométert (berendezésgyártó Thermalfisher, modell iS50) és higanyszondás koncentrációmérőt (berendezésgyártó Semilab, 530L modell) használtunk; az epitaxiális réteg egyes pontjainak vastagságát és adalékolási koncentrációját úgy határoztuk meg, hogy az átmérővonal mentén pontokat vettünk, amelyek az ostya közepén 45°-ban metszik a fő referenciaél normál vonalát 5 mm-es éleltávolítással. Egy 150 mm-es ostya esetében 9 pontot vettünk egyetlen átmérőjű vonal mentén (két átmérő merőleges volt egymásra), a 200 mm-es ostyánál pedig 21 pontot vettünk, ahogy az a 2. ábrán látható. Atomerő-mikroszkóp (berendezésgyártó) Bruker, Dimension Icon modell) a 30 μm × 30 μm-es területek kiválasztására szolgált az epitaxiális ostya középső területén és peremterületén (5 mm-es éleltávolítás) az epitaxiális réteg felületi érdességének tesztelésére; az epitaxiális réteg hibáit felületi hibavizsgálóval (berendezésgyártó China Electronics Kefenghua, Mars 4410 pro modell) mértük a jellemzéshez.

2 Kísérleti eredmények és megbeszélés

2.1 Az epitaxiális réteg vastagsága és egyenletessége

Az epitaxiális rétegvastagság, a doppingkoncentráció és az egyenletesség az egyik alapvető mutató az epitaxiális lapkák minőségének megítélésében. A pontosan szabályozható vastagság, az adalékkoncentráció és az ostyán belüli egyenletesség a kulcsa a SiC tápegységek teljesítményének és konzisztenciájának, valamint az epitaxiális rétegvastagság és az adalékkoncentráció egyenletessége is fontos alap az epitaxiális berendezések folyamatképességének méréséhez.

A 3. ábra a 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák vastagságának egyenletességét és eloszlási görbéjét mutatja. Az ábráról látható, hogy az epitaxiális rétegvastagság eloszlási görbe szimmetrikus az ostya középpontjára. Az epitaxiális folyamatidő 600 s, a 150 mm-es epitaxiális ostya átlagos epitaxiális rétegvastagsága 10,89 μm, a vastagság egyenletessége 1,05%. Számítások szerint az epitaxiális növekedési sebesség 65,3 μm/h, ami egy tipikus gyors epitaxiális folyamatszint. A 200 mm-es epitaxiális ostya epitaxiális rétegvastagsága azonos epitaxiális folyamatidő mellett 10,10 μm, a vastagság egyenletessége 1,36%-on belül van, a teljes növekedési sebesség pedig 60,60 μm/h, ami valamivel alacsonyabb, mint a 150 mm-es epitaxiális növekedés arány. Ennek az az oka, hogy az út során nyilvánvaló veszteség keletkezik, amikor a szilíciumforrás és a szénforrás a reakciókamra előtti részből az ostya felületén keresztül a reakciókamra utáni részébe áramlik, és a 200 mm-es lapkafelület nagyobb, mint a 150 mm. A 200 mm-es ostya felületén nagyobb távolságra áramlik át a gáz, és az útközben elfogyasztott forrásgáz is több. Abban az esetben, ha az ostya folyamatosan forog, az epitaxiális réteg teljes vastagsága vékonyabb, így a növekedési ütem lassabb. Összességében elmondható, hogy a 150 mm-es és 200 mm-es epitaxiális ostyák vastagsági egyenletessége kiváló, a berendezés feldolgozási képessége megfelel a minőségi eszközök követelményeinek.

2.2 Az epitaxiális réteg adalékolási koncentrációja és egyenletessége

A 4. ábra a 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák adalékkoncentrációjának egyenletességét és görbeeloszlását mutatja. Amint az ábrán látható, az epitaxiális szelet koncentráció-eloszlási görbéje nyilvánvaló szimmetriával rendelkezik az ostya középpontjához képest. A 150 mm-es és a 200 mm-es epitaxiális rétegek adalékkoncentráció egyenletessége 2,80%, illetve 2,66%, ami 3%-on belül szabályozható, ami kiváló szint a nemzetközi hasonló berendezések között. Az epitaxiális réteg adalékolási koncentráció görbéje "W" alakban oszlik el az átmérő iránya mentén, amit főként a vízszintes melegfalú epitaxiális kemence áramlási tere határoz meg, mivel a vízszintes légáramú epitaxiális növesztő kemence légáramlási iránya kb. a levegő bemeneti végét (felfelé) és az alsó végből lamináris áramlásban kiáramlik az ostya felületén; mivel a szénforrás (C2H4) "útközbeni kimerülése" nagyobb, mint a szilíciumforrásé (TCS), a lapka forgásakor a tényleges C/Si a lapka felületén fokozatosan csökken a szélétől a a középpont (a középen lévő szénforrás kevesebb), a C és N "versenyhelyzet elmélete" szerint az ostya közepén az adalékkoncentráció fokozatosan csökken a széle felé. A kiváló koncentráció egyenletesség elérése érdekében az epitaxiális folyamat során kompenzációként hozzáadjuk az N2 élt, hogy lelassítsuk az adalékkoncentráció csökkenését a középponttól a szélig, így a végső adalékolási koncentráció görbe "W" alakot mutat.

2.3 Az epitaxiális réteg hibái

A vastagságon és a doppingkoncentráción kívül az epitaxiális réteg hibaellenőrzési szintje is alapvető paraméter az epitaxiális lapkák minőségének mérésére, és fontos mutatója az epitaxiális berendezések feldolgozási képességének. Bár az SBD és a MOSFET eltérő követelményeket támaszt a hibákkal szemben, a nyilvánvalóbb felületi morfológiai hibák, mint például a csepphibák, a háromszöghibák, a sárgarépa-hibák és az üstököshibák, az SBD és MOSFET eszközök gyilkos hibáinak minősülnek. Az ezeket a hibákat tartalmazó forgácsok meghibásodásának valószínűsége nagy, ezért a gyilkos hibák számának szabályozása rendkívül fontos a forgácshozam javítása és a költségek csökkentése szempontjából. Az 5. ábra a 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák killer defektusainak megoszlását mutatja. Ha a C/Si arányban nincs nyilvánvaló egyensúlyhiány, a sárgarépa- és üstököshibák alapvetően kiküszöbölhetők, míg a csepphibák és a háromszöghibák az epitaxiális berendezések működése során történő tisztaságszabályozáshoz, a grafit szennyezettségi szintjéhez kapcsolódnak. a reakciókamrában lévő részek és a szubsztrát minősége. A 2. táblázatból láthatjuk, hogy a 150 mm-es és a 200 mm-es epitaxiális ostyák fatális hibasűrűsége 0,3 részecske/cm2-en belül szabályozható, ami kiváló szint az azonos típusú berendezésekhez. A 150 mm-es epitaxiális lapka végzetes hibasűrűség-ellenőrzési szintje jobb, mint a 200 mm-es epitaxiális lapka. Ennek az az oka, hogy a 150 mm-es hordozó-előkészítési eljárás érettebb, mint a 200 mm-esé, jobb az aljzatminőség, és jobb a 150 mm-es grafit reakciókamra szennyeződés-ellenőrzési szintje.

2.4 Epitaxiális lapka felületi érdesség

A 6. ábra a 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák felületének AFM képeit mutatja. Amint az ábrán látható, a 150 mm-es epitaxiális lapkák felületi négyzetgyökértéke 0,129 nm, illetve 0,113 nm, az epitaxiális réteg felülete pedig sima, nyilvánvaló makrolépéses aggregációs jelenség nélkül, ami azt jelzi, hogy az epitaxiális réteg növekedése mindig fenntartja a lépcsős áramlási növekedési módot a teljes epitaxiális folyamat során, és nem történik lépcsős aggregáció. Látható, hogy az optimalizált epitaxiális növekedési eljárással 150 mm-es és 200 mm-es kisszögű szubsztrátumokon sima felületű epitaxiális réteg érhető el.

3. Következtetések

A saját fejlesztésű 200 mm-es SiC epitaxiális növesztő berendezéssel sikeresen 150 mm-es és 200 mm-es 4H-SiC homoepitaxiális ostyákat készítettek hazai szubsztrátumokra, és egy 150 mm-es és 200 mm-es homoepitaxiális eljárást fejlesztettek ki. Az epitaxiális növekedési sebesség nagyobb lehet, mint 60 μm/h. A nagy sebességű epitaxia követelményeinek eleget téve az epitaxiális ostya minősége kiváló. A 150 mm-es és 200 mm-es SiC epitaxiális lapkák vastagsági egyenletessége 1,5%-on belül szabályozható, a koncentráció egyenletessége 3-nál kisebb, a végzetes hiba sűrűsége kisebb, mint 0,3 részecske/cm2, és az epitaxiális felületi érdesség négyzetes Ra kisebb, mint 0,15 nm. Az epitaxiális lapkák alapvető folyamatmutatói az iparban haladó szinten vannak.

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

A VeTek Semiconductor egy professzionális kínai gyártóCVD SiC bevonatú mennyezet, CVD SiC bevonatfúvóka, ésSiC bevonat bemeneti gyűrű.  A VeTek Semiconductor elkötelezett amellett, hogy fejlett megoldásokat kínáljon különféle SiC Wafer termékekhez a félvezetőipar számára.

Ha érdekel8 hüvelykes SiC epitaxiális kemence és homoepitaxiális eljárás, forduljon hozzánk közvetlenül.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com