8-tums SiC epitaxial ugn och homeepitaxial process forskning

För närvarande förändras SiC-industrin från 150 mm (6 tum) till 200 mm (8 tum). För att möta den akuta efterfrågan på stora, högkvalitativa SiC-homoepitaxialskivor i industrin, preparerades 150 mm och 200 mm 4H-SiC-homoepitaxialskivor framgångsrikt på hushållssubstrat med hjälp av den oberoende utvecklade 200 mm SiC-epitaxiella tillväxtutrustningen. En homoepitaxiell process lämplig för 150 mm och 200 mm utvecklades, där den epitaxiella tillväxthastigheten kan vara större än 60 μm/h. Samtidigt som den möter höghastighetsepitaxi är den epitaxiella waferkvaliteten utmärkt. Tjocklekslikformigheten på 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers kan kontrolleras inom 1,5 %, koncentrationslikformigheten är mindre än 3 %, den dödliga defektdensiteten är mindre än 0,3 partiklar/cm2, och den epitaxiella ytgrovheten rotmedelvärde Ra är mindre än 0,15 nm, och alla kärnprocessindikatorer är på branschens avancerade nivå.

Silicon Carbide (SiC) är en av representanterna för tredje generationens halvledarmaterial. Den har egenskaperna för hög nedbrytningsfältstyrka, utmärkt värmeledningsförmåga, stor elektronmättnadsdrifthastighet och starkt strålningsmotstånd. Det har kraftigt utökat energibearbetningskapaciteten för kraftenheter och kan uppfylla servicekraven för nästa generations kraftelektronikutrustning för enheter med hög effekt, liten storlek, hög temperatur, hög strålning och andra extrema förhållanden. Det kan minska utrymmet, minska strömförbrukningen och minska kylbehovet. Det har medfört revolutionerande förändringar för nya energifordon, järnvägstransporter, smarta nät och andra områden. Därför har halvledare av kiselkarbid blivit erkända som det idealiska materialet som kommer att leda nästa generation av elektroniska enheter med hög effekt. Under de senaste åren, tack vare det nationella politiska stödet för utvecklingen av tredje generationens halvledarindustri, har forskningen och utvecklingen och konstruktionen av 150 mm SiC-enhetsindustrisystemet i princip slutförts i Kina, och säkerheten för industrikedjan har varit i princip garanterad. Därför har branschens fokus gradvis flyttats till kostnadskontroll och effektivitetsförbättring. Som visas i Tabell 1, jämfört med 150 mm, har 200 mm SiC en högre kantutnyttjandegrad, och uteffekten av enstaka waferchips kan ökas med cirka 1,8 gånger. Efter att tekniken mognar kan tillverkningskostnaden för ett enda chip minskas med 30 %. Det tekniska genombrottet på 200 mm är ett direkt sätt att "minska kostnader och öka effektiviteten", och det är också nyckeln för mitt lands halvledarindustri att "köra parallellt" eller till och med "leda".

Till skillnad från Si-enhetsprocessen, är SiC-halvledarkraftenheter alla bearbetade och förberedda med epitaxiella skikt som hörnstenen. Epitaxiella wafers är viktiga grundmaterial för SiC-kraftenheter. Kvaliteten på det epitaxiella lagret bestämmer direkt enhetens utbyte, och dess kostnad står för 20% av chiptillverkningskostnaden. Därför är epitaxiell tillväxt en viktig mellanlänk i SiC-kraftenheter. Den övre gränsen för epitaxiell processnivå bestäms av epitaxiell utrustning. För närvarande är lokaliseringsgraden för inhemsk 150 mm SiC epitaxiell utrustning relativt hög, men den övergripande layouten på 200 mm släpar efter den internationella nivån samtidigt. Därför, för att lösa de akuta behoven och flaskhalsproblemen vid tillverkning av epitaxialt material av stor storlek, högkvalitativt för utvecklingen av den inhemska tredje generationens halvledarindustri, introducerar denna uppsats den 200 mm SiC epitaxiella utrustningen som framgångsrikt utvecklats i mitt land, och studerar den epitaxiella processen. Genom att optimera processparametrarna såsom processtemperatur, bärgasflöde, C/Si-förhållande, etc., koncentrationslikformighet <3%, tjockleksojämnhet <1,5%, grovhet Ra <0,2 nm och fatal defektdensitet <0,3 partiklar /cm2 av 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers med egenutvecklad 200 mm kiselkarbid epitaxial ugn erhålls. Utrustningsprocessnivån kan möta behoven av högkvalitativ SiC-kraftenhetsförberedelse.

1 Experiment

1.1 Principen för SiC epitaxial process

4H-SiC homoepitaxial tillväxtprocess inkluderar huvudsakligen 2 nyckelsteg, nämligen högtemperatur in-situ etsning av 4H-SiC substrat och homogen kemisk ångavsättningsprocess. Huvudsyftet med substrat in-situ etsning är att ta bort substratets skada under ytan efter waferpolering, kvarvarande polervätska, partiklar och oxidskikt, och en regelbunden atomär stegstruktur kan bildas på substratytan genom etsning. Etsning på plats utförs vanligtvis i en väteatmosfär. Enligt de faktiska processkraven kan även en liten mängd hjälpgas tillsättas, såsom väteklorid, propan, eten eller silan. Temperaturen för in-situ väteetsning är i allmänhet över 1 600 ℃, och trycket i reaktionskammaren kontrolleras i allmänhet under 2×104 Pa under etsningsprocessen.

Efter att substratytan har aktiverats genom in-situ etsning, går den in i den kemiska ångavsättningsprocessen vid hög temperatur, det vill säga tillväxtkällan (såsom eten/propan, TCS/silan), dopningskälla (n-typ dopningskälla kväve). p-typ dopningskälla TMAl), och hjälpgas såsom väteklorid transporteras till reaktionskammaren genom ett stort flöde av bärargas (vanligtvis väte). Efter att gasen reagerat i högtemperaturreaktionskammaren reagerar en del av prekursorn kemiskt och adsorberas på waferns yta, och ett enkristalligt homogent 4H-SiC epitaxiellt skikt med en specifik dopningskoncentration, specifik tjocklek och högre kvalitet bildas. på substratytan med användning av enkristall 4H-SiC-substratet som mall. Efter år av teknisk utforskning har 4H-SiC homeepitaxialteknologin i princip mognat och används i stor utsträckning i industriell produktion. Den mest använda 4H-SiC homoepitaxialteknologin i världen har två typiska egenskaper: (1) Användning av ett snett skuret substrat (relativt <0001> kristallplanet, mot <11-20> kristallriktningen) mall, avsätts ett högrent enkristall 4H-SiC epitaxiellt skikt utan föroreningar på substratet i form av stegflödestillväxtläge. Tidig 4H-SiC homoepitaxiell tillväxt använde ett positivt kristallsubstrat, det vill säga <0001> Si-planet för tillväxt. Tätheten av atomstegen på ytan av det positiva kristallsubstratet är låg och terrasserna är breda. Tvådimensionell kärnbildningstillväxt är lätt att ske under epitaxiprocessen för att bilda 3C-kristall SiC (3C-SiC). Genom skärning utanför axeln kan atomsteg med hög densitet, smal terrassbredd införas på ytan av 4H-SiC <0001>-substratet, och den adsorberade prekursorn kan effektivt nå atomstegspositionen med relativt låg ytenergi genom ytdiffusion . Vid steget är bindningspositionen för prekursoratom/molekylgrupp unik, så i stegflödestillväxtläget kan det epitaxiala lagret perfekt ärva substratets Si-C-dubbla atomlagers staplingssekvens för att bilda en enkelkristall med samma kristall fas som substrat. (2) Höghastighets epitaxiell tillväxt uppnås genom att införa en klorhaltig kiselkälla. I konventionella SiC-kemiska ångavsättningssystem är silan och propan (eller eten) de huvudsakliga tillväxtkällorna. I processen att öka tillväxthastigheten genom att öka tillväxtkällans flödeshastighet, när jämviktspartialtrycket för kiselkomponenten fortsätter att öka, är det lätt att bilda kiselkluster genom homogen gasfaskärnbildning, vilket avsevärt minskar utnyttjandegraden av kiselkälla. Bildandet av kiselkluster begränsar kraftigt förbättringen av den epitaxiella tillväxthastigheten. Samtidigt kan kiselkluster störa stegflödestillväxten och orsaka defekt kärnbildning. För att undvika homogen gasfaskärnbildning och öka den epitaxiella tillväxthastigheten, är introduktionen av klorbaserade kiselkällor för närvarande den vanliga metoden för att öka den epitaxiella tillväxthastigheten för 4H-SiC.

1,2 200 mm (8-tum) SiC epitaxiell utrustning och processförhållanden

Experimenten som beskrivs i denna uppsats utfördes alla på en 150/200 mm (6/8-tum) kompatibel monolitisk horisontell varmvägg SiC epitaxial utrustning oberoende utvecklad av 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Den epitaxiella ugnen stöder helautomatisk laddning och lossning av wafer. Figur 1 är ett schematiskt diagram av den inre strukturen av reaktionskammaren i den epitaxiella utrustningen. Som visas i figur 1 är reaktionskammarens yttervägg en kvartsklocka med ett vattenkylt mellanskikt, och insidan av klockan är en högtemperaturreaktionskammare, som är sammansatt av värmeisolerande kolfilt, hög renhet speciell grafithålighet, grafitgas-flytande roterande bas, etc. Hela kvartsklockan är täckt med en cylindrisk induktionsspole, och reaktionskammaren inuti klockan värms upp elektromagnetiskt av en medelfrekvent induktionsströmkälla. Såsom visas i figur 1 (b) strömmar bärgasen, reaktionsgasen och dopningsgasen alla genom skivans yta i ett horisontellt laminärt flöde från uppströms reaktionskammaren till nedströms reaktionskammaren och släpps ut från svansen. gasslut. För att säkerställa konsistensen i skivan, roteras skivan som bärs av den luftflytande basen alltid under processen.

Substratet som användes i experimentet är ett kommersiellt 150 mm, 200 mm (6 tum, 8 tum) <1120> riktning 4° off-vinkel ledande n-typ 4H-SiC dubbelsidigt polerat SiC-substrat producerat av Shanxi Shuoke Crystal. Triklorsilan (SiHCl3, TCS) och eten (C2H4) används som de huvudsakliga tillväxtkällorna i processexperimentet, bland vilka TCS och C2H4 används som kiselkälla respektive kolkälla, högrent kväve (N2) används som n- typ dopningskälla, och väte (H2) används som utspädningsgas och bärgas. Det epitaxiella processtemperaturområdet är 1 600 ~ 1 660 ℃, processtrycket är 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, och H2-bärargasens flödeshastighet är 100 ~ 140 l/min.

1.3 Testning och karakterisering av epitaxial wafer

Fourier infraröd spektrometer (utrustningstillverkare Thermalfisher, modell iS50) och kvicksilverprobskoncentrationstestare (utrustningstillverkare Semilab, modell 530L) användes för att karakterisera medelvärdet och fördelningen av epitaxiell skikttjocklek och dopningskoncentration; tjockleken och dopningskoncentrationen för varje punkt i det epitaxiella lagret bestämdes genom att ta punkter längs diameterlinjen som skär den normala linjen för huvudreferenskanten vid 45° i mitten av skivan med 5 mm kantborttagning. För en 150 mm wafer togs 9 punkter längs en linje med en enda diameter (två diametrar var vinkelräta mot varandra), och för en 200 mm wafer togs 21 punkter, som visas i figur 2. Ett atomkraftmikroskop (utrustningstillverkaren Bruker, modell Dimension Icon) användes för att välja 30 μm × 30 μm områden i mittområdet och kantområdet (5 mm kantborttagning) av den epitaxiella skivan för att testa ytråheten hos det epitaxiella lagret; defekterna i det epitaxiella lagret mättes med en ytdefekttestare (utrustningstillverkaren China Electronics Kefenghua, modell Mars 4410 pro) för karakterisering.

2 Experimentella resultat och diskussion

2.1 Epitaxiell skikttjocklek och enhetlighet

Epitaxiella lagertjocklek, dopningskoncentration och enhetlighet är en av kärnindikatorerna för att bedöma kvaliteten på epitaxiella wafers. Noggrant kontrollerbar tjocklek, dopningskoncentration och enhetlighet inom wafern är nyckeln till att säkerställa prestanda och konsistens hos SiC-kraftenheter, och epitaxiell skikttjocklek och dopningskoncentrationens enhetlighet är också viktiga baser för att mäta processkapaciteten hos epitaxiell utrustning.

Figur 3 visar tjocklekslikformigheten och fördelningskurvan för 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers. Det kan ses från figuren att den epitaxiella skikttjockleksfördelningskurvan är symmetrisk kring skivans mittpunkt. Den epitaxiella processtiden är 600 s, den genomsnittliga epitaxiella skikttjockleken för den 150 mm epitaxiella skivan är 10,89 μm och tjocklekens enhetlighet är 1,05 %. Genom beräkning är den epitaxiella tillväxthastigheten 65,3 μm/h, vilket är en typisk snabb epitaxiell processnivå. Under samma epitaxiella processtid är den epitaxiella skikttjockleken på den 200 mm epitaxiella skivan 10,10 μm, tjocklekslikformigheten är inom 1,36 % och den totala tillväxthastigheten är 60,60 μm/h, vilket är något lägre än den 150 mm epitaxiella tillväxten hastighet. Detta beror på att det finns uppenbar förlust längs vägen när kiselkällan och kolkällan strömmar från uppströms reaktionskammaren genom skivans yta till nedströms reaktionskammaren, och 200 mm skivarean är större än 150 mm. Gasen strömmar genom ytan på 200 mm skivan en längre sträcka, och källgasen som förbrukas längs vägen är mer. Under förutsättning att skivan fortsätter att rotera är den totala tjockleken av det epitaxiella lagret tunnare, så tillväxthastigheten är långsammare. Sammantaget är tjocklekslikformigheten för 150 mm och 200 mm epitaxiella wafers utmärkt, och utrustningens processkapacitet kan uppfylla kraven på högkvalitativa enheter.

2.2 Epitaxialskiktets dopningskoncentration och enhetlighet

Figur 4 visar dopningskoncentrationens enhetlighet och kurvfördelning av 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers. Som framgår av figuren har koncentrationsfördelningskurvan på den epitaxiella skivan uppenbar symmetri i förhållande till mitten av skivan. Dopningskoncentrationens enhetlighet för de 150 mm och 200 mm epitaxiella skikten är 2,80 % respektive 2,66 %, vilket kan kontrolleras inom 3 %, vilket är en utmärkt nivå bland internationell liknande utrustning. Dopningskoncentrationskurvan för det epitaxiella skiktet är fördelad i en "W"-form längs diameterriktningen, vilket huvudsakligen bestäms av flödesfältet för den horisontella hetväggsepitaxialugnen, eftersom luftflödesriktningen för den horisontella luftflödesepitaxiella tillväxtugnen är från luftinloppsänden (uppströms) och strömmar ut från nedströmsänden i ett laminärt flöde genom skivans yta; eftersom kolkällans (C2H4) "utarmningshastighet längs vägen" är högre än den för kiselkällan (TCS), när skivan roterar, minskar den faktiska C/Si på skivans yta gradvis från kanten till centrum (kolkällan i mitten är mindre), enligt "konkurrenspositionsteorin" för C och N, minskar dopningskoncentrationen i mitten av skivan gradvis mot kanten. För att erhålla utmärkt koncentrationslikformighet tillsätts kanten N2 som kompensation under den epitaxiella processen för att bromsa minskningen av dopningskoncentrationen från mitten till kanten, så att den slutliga dopningskoncentrationskurvan uppvisar en "W"-form.

2.3 Epitaxiallagerdefekter

Förutom tjocklek och dopningskoncentration är nivån av epitaxiallagerdefektkontroll också en kärnparameter för att mäta kvaliteten på epitaxiella wafers och en viktig indikator på processkapaciteten hos epitaxialutrustning. Även om SBD och MOSFET har olika krav på defekter, definieras mer uppenbara ytmorfologiska defekter som falldefekter, triangeldefekter, morotsdefekter och kometdefekter som dödande defekter för SBD- och MOSFET-enheter. Sannolikheten för fel på chips som innehåller dessa defekter är hög, så att kontrollera antalet mördardefekter är extremt viktigt för att förbättra flisutbytet och minska kostnaderna. Figur 5 visar fördelningen av dödande defekter av 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers. Under förutsättning att det inte finns någon uppenbar obalans i C/Si-förhållandet kan morotsdefekter och kometdefekter i princip elimineras, medan falldefekter och triangeldefekter är relaterade till renhetskontrollen under driften av epitaxiell utrustning, föroreningsnivån i grafit delar i reaktionskammaren, och kvaliteten på substratet. Från tabell 2 kan vi se att den dödliga defektdensiteten för 150 mm och 200 mm epitaxiella wafers kan kontrolleras inom 0,3 partiklar/cm2, vilket är en utmärkt nivå för samma typ av utrustning. Den fatala defektdensitetskontrollnivån för 150 mm epitaxial wafer är bättre än den för 200 mm epitaxial wafer. Detta beror på att 150 mm substratberedningsprocessen är mer mogen än den för 200 mm, substratkvaliteten är bättre och föroreningskontrollnivån i 150 mm grafitreaktionskammare är bättre.

2.4 Grovhet på epitaxial skivans yta

Figur 6 visar AFM-bilderna av ytan på 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers. Som framgår av figuren är ytrotens genomsnittliga kvadratiska grovhet Ra för 150 mm och 200 mm epitaxiella skivor 0,129 nm respektive 0,113 nm, och ytan på det epitaxiella skiktet är slät, utan uppenbart makrostegaggregationsfenomen, vilket indikerar att tillväxten av det epitaxiella skiktet alltid bibehåller stegflödestillväxtläget under hela epitaxialprocessen, och ingen stegaggregation inträffar. Det kan ses att det epitaxiella lagret med en slät yta kan erhållas på 150 mm och 200 mm lågvinklade substrat genom att använda den optimerade epitaxiella tillväxtprocessen.

3. Slutsatser

150 mm och 200 mm 4H-SiC homoepitaxialskivor framställdes framgångsrikt på hushållssubstrat med hjälp av den egenutvecklade 200 mm SiC epitaxiella tillväxtutrustningen, och en homoepitaxial process lämplig för 150 mm och 200 mm utvecklades. Den epitaxiella tillväxthastigheten kan vara större än 60 μm/h. Även om den uppfyller kraven på höghastighetsepitaxi är den epitaxiella waferkvaliteten utmärkt. Tjocklekslikformigheten på 150 mm och 200 mm SiC epitaxiella wafers kan kontrolleras inom 1,5 %, koncentrationslikformigheten är mindre än 3 %, den dödliga defektdensiteten är mindre än 0,3 partiklar/cm2, och den epitaxiella ytgrovheten rotmedelvärde Ra är mindre än 0,15 nm. Kärnprocessindikatorerna för de epitaxiella waferna är på avancerad nivå i branschen.

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

VeTek Semiconductor är en professionell kinesisk tillverkare avCVD SiC-belagt tak, CVD SiC beläggningsmunstycke, ochSiC Coating Inloppsring.  VeTek Semiconductor har åtagit sig att tillhandahålla avancerade lösningar för olika SiC Wafer-produkter för halvledarindustrin.

Om du är intresserad av8-tums SiC epitaxial ugn och homeepitaxial process, vänligen kontakta oss direkt.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com