8-дюймовая эпитаксиальная печь SiC и исследование гомоэпитаксиального процесса

В настоящее время индустрия карбида кремния переходит от 150 мм (6 дюймов) к 200 мм (8 дюймов). Чтобы удовлетворить срочный спрос на крупногабаритные и высококачественные гомоэпитаксиальные пластины SiC в промышленности, гомоэпитаксиальные пластины 4H-SiC размером 150 мм и 200 мм были успешно изготовлены на отечественных подложках с использованием независимо разработанного оборудования для эпитаксиального выращивания SiC диаметром 200 мм. Был разработан гомоэпитаксиальный процесс, подходящий для 150 мм и 200 мм, при котором скорость эпитаксиального роста может превышать 60 мкм/ч. Несмотря на высокоскоростную эпитаксию, качество эпитаксиальной пластины превосходное. Однородность толщины эпитаксиальных пластин SiC толщиной 150 и 200 мм можно контролировать в пределах 1,5%, однородность концентрации составляет менее 3%, плотность фатальных дефектов составляет менее 0,3 частиц/см2, а среднеквадратическая шероховатость эпитаксиальной поверхности Ra составляет менее 0,15 нм, а все основные показатели процесса находятся на передовом уровне отрасли.

Карбид кремния (SiC) – один из представителей полупроводниковых материалов третьего поколения. Он обладает характеристиками высокой напряженности поля пробоя, отличной теплопроводности, большой скорости дрейфа насыщения электронов и сильной радиационной стойкости. Он значительно расширил возможности обработки энергии силовых устройств и может удовлетворить требования к обслуживанию силового электронного оборудования следующего поколения для устройств с высокой мощностью, небольшими размерами, высокой температурой, высоким уровнем излучения и другими экстремальными условиями. Это может уменьшить пространство, снизить энергопотребление и снизить требования к охлаждению. Это принесло революционные изменения в транспортные средства на новых источниках энергии, железнодорожный транспорт, интеллектуальные сети и другие области. Таким образом, полупроводники карбида кремния стали признаны идеальным материалом, который станет лидером следующего поколения мощных электронных устройств. В последние годы, благодаря национальной политике поддержки развития полупроводниковой промышленности третьего поколения, в Китае были в основном завершены исследования, разработки и строительство системы производства устройств SiC диаметром 150 мм, а безопасность производственной цепочки была повышена. в основном было гарантировано. Поэтому фокус отрасли постепенно сместился на контроль затрат и повышение эффективности. Как показано в таблице 1, по сравнению с 150-мм карбид кремния толщиной 200 мм имеет более высокий коэффициент использования кромки, а выпуск одиночных пластин-чипов может быть увеличен примерно в 1,8 раза. После того, как технология станет зрелой, стоимость производства одного чипа может быть снижена на 30%. Технологический прорыв в 200 мм является прямым средством «снижения затрат и повышения эффективности», а также ключом к тому, чтобы полупроводниковая промышленность моей страны «шла параллельно» или даже «лидерствовала».

В отличие от процесса изготовления устройств Si, все полупроводниковые силовые устройства SiC обрабатываются и подготавливаются с применением эпитаксиальных слоев в качестве краеугольного камня. Эпитаксиальные пластины являются важным базовым материалом для силовых устройств SiC. Качество эпитаксиального слоя напрямую определяет доходность устройства, а его стоимость составляет 20% стоимости изготовления чипа. Таким образом, эпитаксиальный рост является важным промежуточным звеном в силовых устройствах на основе SiC. Верхний предел уровня эпитаксиального процесса определяется эпитаксиальным оборудованием. В настоящее время степень локализации отечественного эпитаксиального оборудования SiC толщиной 150 мм относительно высока, но общая компоновка 200 мм при этом отстает от международного уровня. Поэтому, чтобы решить насущные потребности и узкие места крупногабаритного производства высококачественных эпитаксиальных материалов для развития отечественной полупроводниковой промышленности третьего поколения, в этой статье представлено 200-мм эпитаксиальное оборудование SiC, успешно разработанное в моей стране. и изучает эпитаксиальный процесс. За счет оптимизации параметров процесса, таких как температура процесса, скорость потока газа-носителя, соотношение C/Si и т. д., однородность концентрации <3%, неоднородность толщины <1,5%, шероховатость Ra <0,2 нм и плотность критических дефектов <0,3 частиц Получены эпитаксиальные пластины SiC толщиной 150 мм и 200 мм на см2 с помощью собственной разработки в эпитаксиальной печи карбида кремния диаметром 200 мм. Уровень технологического процесса оборудования может удовлетворить потребности в высококачественной подготовке силовых устройств SiC.

1 Эксперименты

1.1 Принцип эпитаксиального процесса SiC

Процесс гомоэпитаксиального выращивания 4H-SiC в основном включает в себя два ключевых этапа, а именно: высокотемпературное травление подложки 4H-SiC на месте и процесс гомогенного химического осаждения из паровой фазы. Основной целью травления подложки на месте является удаление подповерхностных повреждений подложки после полировки пластины, остатков полирующей жидкости, частиц и оксидного слоя, а регулярная атомная ступенчатая структура может быть сформирована на поверхности подложки путем травления. Травление in-situ обычно проводят в атмосфере водорода. В соответствии с фактическими требованиями процесса также можно добавить небольшое количество вспомогательного газа, такого как хлористый водород, пропан, этилен или силан. Температура водородного травления на месте обычно превышает 1600 ℃, а давление в реакционной камере обычно контролируется ниже 2×104 Па во время процесса травления.

После того, как поверхность подложки активирована травлением на месте, она вступает в процесс высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы, то есть в качестве источника роста (например, этилен/пропан, ТКС/силан), источника легирования (источник легирования азота n-типа). , источник легирования ТМАл p-типа) и вспомогательный газ, такой как хлористый водород, транспортируются в реакционную камеру через большой поток газа-носителя (обычно водорода). После реакции газа в высокотемпературной реакционной камере часть прекурсора вступает в химическую реакцию и адсорбируется на поверхности пластины, и образуется монокристаллический однородный эпитаксиальный слой 4H-SiC с определенной концентрацией легирования, определенной толщиной и более высоким качеством. на поверхности подложки, используя в качестве шаблона монокристаллическую подложку 4H-SiC. После многих лет технических исследований гомоэпитаксиальная технология 4H-SiC в основном достигла зрелости и широко используется в промышленном производстве. Наиболее широко используемая в мире гомоэпитаксиальная технология 4H-SiC имеет две типичные характеристики: (1) Использование внеосевой (относительно плоскости кристалла <0001>, в направлении кристалла <11-20>) косо разрезанной подложки в качестве На подложку в виде ступенчато-поточного режима выращивания на подложку наносится монокристаллический эпитаксиальный слой 4H-SiC высокой чистоты без примесей. Для раннего гомоэпитаксиального роста 4H-SiC использовалась положительная кристаллическая подложка, то есть плоскость <0001> Si для роста. Плотность атомных ступеней на поверхности положительной кристаллической подложки мала, террасы широкие. Двумерный рост зародышеобразования легко происходит в процессе эпитаксии с образованием кристалла 3C SiC (3C-SiC). Путем внеосевой резки на поверхность подложки 4H-SiC <0001> можно внедрить атомные ступени с высокой плотностью и узкой шириной террасы, а адсорбированный предшественник может эффективно достигать положения атомной ступени с относительно низкой поверхностной энергией за счет поверхностной диффузии. . На этом этапе положение связи атома-предшественника с молекулярной группой уникально, поэтому в режиме ступенчатого роста эпитаксиальный слой может идеально наследовать последовательность укладки двойного атомного слоя Si-C подложки, чтобы сформировать монокристалл с тем же кристаллом. фаза в качестве подложки. 2. Высокоскоростной эпитаксиальный рост достигается введением хлорсодержащего источника кремния. В традиционных системах химического осаждения SiC из паровой фазы основными источниками роста являются силан и пропан (или этилен). В процессе увеличения скорости роста за счет увеличения скорости потока источника роста, поскольку равновесное парциальное давление кремниевого компонента продолжает увеличиваться, легко образовывать кластеры кремния за счет гомогенного зародышеобразования в газовой фазе, что значительно снижает степень использования источник кремния. Образование кластеров кремния существенно ограничивает улучшение скорости эпитаксиального роста. В то же время кластеры кремния могут нарушать ступенчатый рост течения и вызывать зарождение дефектов. Чтобы избежать гомогенного зародышеобразования в газовой фазе и увеличить скорость эпитаксиального роста, внедрение источников кремния на основе хлора в настоящее время является основным методом увеличения скорости эпитаксиального роста 4H-SiC.

1.2 Эпитаксиальное оборудование SiC толщиной 200 мм (8 дюймов) и условия процесса

Все эксперименты, описанные в этой статье, проводились на совместимом монолитном горизонтальном эпитаксиальном оборудовании SiC с горячими стенками диаметром 150/200 мм (6/8 дюйма), независимо разработанном 48-м институтом Китайской корпорации Electronics Technology Group Corporation. Эпитаксиальная печь поддерживает полностью автоматическую загрузку и выгрузку пластин. На рис. 1 представлена ​​принципиальная схема внутреннего устройства реакционной камеры эпитаксиального оборудования. Как показано на рисунке 1, внешняя стенка реакционной камеры представляет собой кварцевый колокол с водоохлаждаемым промежуточным слоем, а внутренняя часть колокола представляет собой высокотемпературную реакционную камеру, состоящую из теплоизоляционного углеродного войлока высокой чистоты. специальная графитовая полость, графитовое газоплавающее вращающееся основание и т. д. Весь кварцевый колпак покрыт цилиндрической индукционной катушкой, а реакционная камера внутри колпака нагревается электромагнитным путем с помощью индукционного источника питания средней частоты. Как показано на рисунке 1 (b), газ-носитель, реакционный газ и легирующий газ протекают через поверхность пластины в горизонтальном ламинарном потоке от входа реакционной камеры к выходу реакционной камеры и выводятся из хвостовой части. конец газа. Чтобы обеспечить однородность внутри пластины, пластина, переносимая воздушным плавающим основанием, всегда вращается во время процесса.

Подложка, используемая в эксперименте, представляет собой коммерческую двухстороннюю полированную подложку SiC из 4H-SiC n-типа, направление <1120>, направление 4° и угол наклона под углом 4°, изготовленную из полированного SiC 4H-типа с двух сторон, произведенную Shanxi Shuoke Crystal. В качестве основных источников роста в технологическом эксперименте используются трихлорсилан (SiHCl3, TCS) и этилен (C2H4), среди которых TCS и C2H4 используются в качестве источника кремния и источника углерода соответственно, азот высокой чистоты (N2) используется в качестве н- типа источника легирования, а водород (H2) используется в качестве газа-разбавителя и газа-носителя. Диапазон температур эпитаксиального процесса составляет 1600–1660 ℃, давление процесса 8×103–12×103 Па, скорость потока газа-носителя H2 составляет 100–140 л/мин.

1.3 Испытание и характеристика эпитаксиальных пластин

Инфракрасный Фурье-спектрометр (производитель оборудования Thermalfisher, модель iS50) и ртутный зондовый концентрационный тестер (производитель оборудования Semilab, модель 530L) использовались для характеристики среднего значения и распределения толщины эпитаксиального слоя и концентрации легирующей примеси; Толщина и концентрация легирования каждой точки эпитаксиального слоя определялись путем взятия точек вдоль линии диаметра, пересекающей нормаль основного опорного края под углом 45° в центре пластины с удалением края 5 мм. Для пластины диаметром 150 мм снималось 9 точек по одной линии диаметра (два диаметра были перпендикулярны друг другу), а для пластины диаметром 200 мм — 21 точка, как показано на рисунке 2. Атомно-силовой микроскоп (производитель оборудования) Bruker, модель Dimension Icon) использовали для выбора областей размером 30×30 мкм в центральной области и краевой области (удаление края 5 мм) эпитаксиальной пластины для проверки шероховатости поверхности эпитаксиального слоя; дефекты эпитаксиального слоя измеряли с помощью тестера поверхностных дефектов (производитель оборудования China Electronics Kefenghua, модель Mars 4410 pro) для характеризации.

2 Экспериментальные результаты и обсуждение

2.1 Толщина и однородность эпитаксиального слоя

Толщина эпитаксиального слоя, концентрация легирующей добавки и однородность являются одними из основных показателей для оценки качества эпитаксиальных пластин. Точно контролируемая толщина, концентрация легирования и однородность внутри пластины являются ключом к обеспечению производительности и стабильности силовых устройств SiC, а толщина эпитаксиального слоя и однородность концентрации легирования также являются важной основой для измерения технологических возможностей эпитаксиального оборудования.

На рис. 3 показаны кривая однородности и распределения толщины эпитаксиальных пластин SiC толщиной 150 и 200 мм. Из рисунка видно, что кривая распределения толщины эпитаксиального слоя симметрична относительно центральной точки пластины. Время эпитаксиального процесса составляет 600 с, средняя толщина эпитаксиального слоя эпитаксиальной пластины диаметром 150 мм — 10,89 мкм, однородность толщины — 1,05%. По расчетам скорость эпитаксиального роста составляет 65,3 мкм/ч, что является типичным уровнем быстрого эпитаксиального процесса. При том же времени эпитаксиального процесса толщина эпитаксиального слоя эпитаксиальной пластины диаметром 200 мм составляет 10,10 мкм, однородность толщины находится в пределах 1,36%, а общая скорость роста составляет 60,60 мкм/ч, что немного ниже, чем при эпитаксиальном выращивании толщиной 150 мм. ставка. Это связано с очевидными потерями на пути, когда источник кремния и источник углерода текут от входной части реакционной камеры через поверхность пластины к выходной части реакционной камеры, а площадь пластины размером 200 мм больше, чем площадь пластины 150 мм. Газ течет через поверхность пластины диаметром 200 мм на большее расстояние, и исходный газ расходуется на этом пути больше. При условии, что пластина продолжает вращаться, общая толщина эпитаксиального слоя становится тоньше, поэтому скорость роста замедляется. В целом, однородность толщины эпитаксиальных пластин толщиной 150 мм и 200 мм превосходна, а технологические возможности оборудования могут соответствовать требованиям высококачественных устройств.

2.2. Концентрация и однородность легирования эпитаксиального слоя

На рис. 4 показаны однородность концентрации легирования и кривая распределения эпитаксиальных пластин SiC диаметром 150 и 200 мм. Как видно из рисунка, кривая распределения концентрации на эпитаксиальной пластине имеет явную симметрию относительно центра пластины. Однородность концентрации легирования эпитаксиальных слоев толщиной 150 мм и 200 мм составляет 2,80% и 2,66% соответственно, что можно контролировать в пределах 3%, что является отличным уровнем среди аналогичного зарубежного оборудования. Кривая концентрации легирования эпитаксиального слоя имеет W-образную форму вдоль направления диаметра, что в основном определяется полем потока горизонтальной эпитаксиальной печи с горячими стенками, поскольку направление воздушного потока в печи для эпитаксиального выращивания с горизонтальным потоком воздуха составляет от воздух впускной конец (вверх по потоку) и вытекает из выходного конца ламинарным потоком через поверхность пластины; поскольку скорость «попутного истощения» источника углерода (C2H4) выше, чем у источника кремния (TCS), при вращении пластины фактическое содержание C/Si на поверхности пластины постепенно уменьшается от края к В центре (источник углерода в центре меньше), согласно «теории конкурентного положения» C и N, концентрация легирования в центре пластины постепенно уменьшается к краю. Чтобы получить превосходную однородность концентрации, край N2 добавляется в качестве компенсации во время эпитаксиального процесса, чтобы замедлить снижение концентрации легирования от центра к краю, так что конечная кривая концентрации легирования имеет W-образную форму.

2.3. Дефекты эпитаксиального слоя

Помимо толщины и концентрации легирования, уровень контроля дефектов эпитаксиального слоя также является основным параметром для измерения качества эпитаксиальных пластин и важным показателем технологических возможностей эпитаксиального оборудования. Хотя SBD и MOSFET предъявляют разные требования к дефектам, более очевидные дефекты морфологии поверхности, такие как дефекты падения, треугольные дефекты, дефекты-морковки и кометные дефекты, определяются как критические дефекты для устройств SBD и MOSFET. Вероятность выхода из строя чипов, содержащих эти дефекты, высока, поэтому контроль количества дефектов-убийц чрезвычайно важен для повышения производительности чипов и снижения затрат. На рис. 5 показано распределение дефектов-киллеров на эпитаксиальных пластинах SiC диаметром 150 и 200 мм. При условии отсутствия явного дисбаланса в соотношении C/Si дефекты «морковь» и «комета» могут быть в основном устранены, а дефекты «капля» и «треугольник» связаны с контролем чистоты при работе эпитаксиального оборудования, уровня примесей графита. деталей в реакционной камере и качество подложки. Из таблицы 2 видно, что плотность фатальных дефектов эпитаксиальных пластин диаметром 150 и 200 мм можно контролировать в пределах 0,3 частиц/см2, что является отличным уровнем для оборудования такого типа. Уровень контроля плотности фатальных дефектов для эпитаксиальной пластины диаметром 150 мм лучше, чем для эпитаксиальной пластины диаметром 200 мм. Это связано с тем, что процесс подготовки подложки размером 150 мм более зрелый, чем процесс подготовки подложки диаметром 200 мм, качество подложки лучше, а уровень контроля примесей в графитовой реакционной камере размером 150 мм лучше.

2.4. Шероховатость поверхности эпитаксиальной пластины

На рис. 6 представлены АСМ-изображения поверхности эпитаксиальных пластин SiC диаметром 150 и 200 мм. Как видно из рисунка, среднеквадратическая шероховатость поверхности Ra эпитаксиальных пластин диаметром 150 и 200 мм составляет 0,129 нм и 0,113 нм соответственно, а поверхность эпитаксиального слоя гладкая, без явного явления макроступенчатой ​​агрегации, что указывает на то, что рост эпитаксиального слоя всегда сохраняет режим ступенчатого течения в течение всего эпитаксиального процесса и ступенчатая агрегация не происходит. Видно, что эпитаксиальный слой с гладкой поверхностью можно получить на малоугловых подложках шириной 150 мм и 200 мм, используя оптимизированный процесс эпитаксиального выращивания.

3. Выводы

Гомоэпитаксиальные пластины 4H-SiC диаметром 150 и 200 мм были успешно изготовлены на отечественных подложках с использованием оборудования для эпитаксиального выращивания SiC толщиной 200 мм, а также был разработан гомоэпитаксиальный процесс, подходящий для пластин толщиной 150 и 200 мм. Скорость эпитаксиального роста может превышать 60 мкм/ч. Несмотря на соответствие требованиям высокоскоростной эпитаксии, качество эпитаксиальных пластин является превосходным. Однородность толщины эпитаксиальных пластин SiC толщиной 150 и 200 мм можно контролировать в пределах 1,5%, однородность концентрации составляет менее 3%, плотность фатальных дефектов составляет менее 0,3 частиц/см2, а среднеквадратическая шероховатость эпитаксиальной поверхности Ra составляет менее 0,15 нм. Основные технологические показатели эпитаксиальных пластин находятся на передовом уровне в отрасли.

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

VeTek Semiconductor — профессиональный китайский производительПотолок с покрытием CVD SiC, Сопло для нанесения покрытия CVD SiC, иВходное кольцо с покрытием SiC.  VeTek Semiconductor стремится предоставлять передовые решения для различных продуктов SiC Wafer для полупроводниковой промышленности.

Если вы заинтересованы в8-дюймовая эпитаксиальная печь SiC и гомоэпитаксиальный процесс, пожалуйста, свяжитесь с нами напрямую.

Моб: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

Электронная почта: anny@veteksemi.com