Relau epitaxial SiC 8 inci dan penyelidikan proses homoepitaxial

Pada masa ini, industri SiC sedang berubah daripada 150 mm (6 inci) kepada 200 mm (8 inci). Bagi memenuhi permintaan segera bagi wafer homoepitaxial SiC bersaiz besar dan berkualiti tinggi dalam industri, wafer homoepitaxial 4H-SiC 150 mm dan 200 mm telah berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial 200 mm SiC yang dibangunkan secara bebas. Proses homoepitaxial yang sesuai untuk 150 mm dan 200 mm telah dibangunkan, di mana kadar pertumbuhan epitaxial boleh melebihi 60 μm/j. Semasa memenuhi epitaksi berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaxial adalah sangat baik. Keseragaman ketebalan wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC boleh dikawal dalam lingkungan 1.5%, keseragaman kepekatan kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan maut adalah kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan akar kekasaran permukaan epitaxial min persegi Ra ialah kurang daripada 0.15 nm, dan semua penunjuk proses teras berada pada tahap lanjutan industri.

Silicon Carbide (SiC) adalah salah satu daripada wakil bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia mempunyai ciri-ciri kekuatan medan pecahan yang tinggi, kekonduksian terma yang sangat baik, halaju hanyut tepu elektron yang besar, dan rintangan sinaran yang kuat. Ia telah meluaskan kapasiti pemprosesan tenaga peranti kuasa dan boleh memenuhi keperluan perkhidmatan peralatan elektronik kuasa generasi akan datang untuk peranti dengan kuasa tinggi, saiz kecil, suhu tinggi, sinaran tinggi dan keadaan melampau yang lain. Ia boleh mengurangkan ruang, mengurangkan penggunaan kuasa dan mengurangkan keperluan penyejukan. Ia telah membawa perubahan revolusioner kepada kenderaan tenaga baharu, pengangkutan rel, grid pintar dan bidang lain. Oleh itu, semikonduktor silikon karbida telah diiktiraf sebagai bahan ideal yang akan menerajui peranti elektronik berkuasa tinggi generasi akan datang. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, terima kasih kepada sokongan dasar negara untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga, penyelidikan dan pembangunan serta pembinaan sistem industri peranti SiC 150 mm pada asasnya telah siap di China, dan keselamatan rantaian industri telah telah dijamin pada dasarnya. Oleh itu, tumpuan industri telah beralih secara beransur-ansur kepada kawalan kos dan peningkatan kecekapan. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, berbanding dengan 150 mm, 200 mm SiC mempunyai kadar penggunaan kelebihan yang lebih tinggi, dan output cip wafer tunggal boleh ditingkatkan sebanyak kira-kira 1.8 kali. Selepas teknologi matang, kos pembuatan satu cip boleh dikurangkan sebanyak 30%. Kejayaan teknologi 200 mm adalah cara langsung untuk "mengurangkan kos dan meningkatkan kecekapan", dan ia juga merupakan kunci bagi industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan selari" atau "memimpin".

Berbeza daripada proses peranti Si, peranti kuasa semikonduktor SiC semuanya diproses dan disediakan dengan lapisan epitaxial sebagai asas. Wafer epitaxial ialah bahan asas penting untuk peranti kuasa SiC. Kualiti lapisan epitaxial secara langsung menentukan hasil peranti, dan kosnya menyumbang 20% ​​daripada kos pembuatan cip. Oleh itu, pertumbuhan epitaxial adalah pautan perantaraan penting dalam peranti kuasa SiC. Had atas tahap proses epitaxial ditentukan oleh peralatan epitaxial. Pada masa ini, tahap penyetempatan peralatan epitaxial 150 mm SiC domestik agak tinggi, tetapi susun atur keseluruhan 200 mm ketinggalan di belakang peringkat antarabangsa pada masa yang sama. Oleh itu, untuk menyelesaikan keperluan mendesak dan masalah kesesakan pembuatan bahan epitaxial bersaiz besar dan berkualiti tinggi untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga domestik, kertas kerja ini memperkenalkan peralatan epitaxial 200 mm SiC yang berjaya dibangunkan di negara saya, dan mengkaji proses epitaxial. Dengan mengoptimumkan parameter proses seperti suhu proses, kadar aliran gas pembawa, nisbah C/Si, dsb., keseragaman kepekatan <3%, ketebalan tidak seragam <1.5%, kekasaran Ra <0.2 nm dan ketumpatan kecacatan maut <0.3 zarah /cm2 daripada wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC dengan relau epitaxial silikon karbida 200 mm yang dibangunkan sendiri diperolehi. Tahap proses peralatan boleh memenuhi keperluan penyediaan peranti kuasa SiC berkualiti tinggi.

1 Eksperimen

1.1 Prinsip proses epitaxial SiC

Proses pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC terutamanya merangkumi 2 langkah utama, iaitu, etsa in-situ suhu tinggi substrat 4H-SiC dan proses pemendapan wap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerosakan bawah permukaan substrat selepas penggilap wafer, cecair penggilap sisa, zarah dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom biasa boleh dibentuk pada permukaan substrat dengan mengetsa. Etsa in-situ biasanya dilakukan dalam suasana hidrogen. Mengikut keperluan proses sebenar, sejumlah kecil gas tambahan juga boleh ditambah, seperti hidrogen klorida, propana, etilena atau silane. Suhu etsa hidrogen in-situ biasanya melebihi 1 600 ℃, dan tekanan kebuk tindak balas biasanya dikawal di bawah 2×104 Pa semasa proses etsa.

Selepas permukaan substrat diaktifkan dengan etsa in-situ, ia memasuki proses pemendapan wap kimia suhu tinggi, iaitu sumber pertumbuhan (seperti etilena/propana, TCS/silane), sumber doping (sumber nitrogen jenis-n doping. , sumber doping p-jenis TMAl), dan gas tambahan seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang tindak balas melalui aliran besar gas pembawa (biasanya hidrogen). Selepas gas bertindak balas dalam ruang tindak balas suhu tinggi, sebahagian daripada prekursor bertindak balas secara kimia dan menjerap pada permukaan wafer, dan lapisan epitaxial 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan kepekatan doping tertentu, ketebalan khusus, dan kualiti yang lebih tinggi terbentuk. pada permukaan substrat menggunakan substrat 4H-SiC kristal tunggal sebagai templat. Selepas bertahun-tahun penerokaan teknikal, teknologi homoepitaxial 4H-SiC pada dasarnya telah matang dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran perindustrian. Teknologi homoepitaxial 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia mempunyai dua ciri tipikal: (1) Menggunakan paksi luar (berbanding dengan satah kristal <0001>, ke arah hablur <11-20>) substrat potongan serong sebagai templat, lapisan epitaxial 4H-SiC kristal tunggal berketulenan tinggi tanpa kekotoran dimendapkan pada substrat dalam bentuk mod pertumbuhan aliran langkah. Pertumbuhan homoepitaxial 4H-SiC awal menggunakan substrat kristal positif, iaitu, satah <0001> Si untuk pertumbuhan. Ketumpatan langkah atom pada permukaan substrat hablur positif adalah rendah dan terasnya lebar. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah berlaku semasa proses epitaksi untuk membentuk kristal 3C SiC (3C-SiC). Dengan pemotongan luar paksi, langkah atom lebar teres bertumpatan tinggi dan sempit boleh diperkenalkan pada permukaan substrat 4H-SiC <0001>, dan prekursor terjerap boleh mencapai kedudukan langkah atom dengan tenaga permukaan yang agak rendah melalui penyebaran permukaan. . Pada langkah, kedudukan ikatan atom/kumpulan molekul prekursor adalah unik, jadi dalam mod pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaxial dengan sempurna boleh mewarisi urutan susunan lapisan atom dua Si-C substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan kristal yang sama. fasa sebagai substrat. (2) Pertumbuhan epitaxial berkelajuan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandungi klorin. Dalam sistem pemendapan wap kimia SiC konvensional, silane dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses meningkatkan kadar pertumbuhan dengan meningkatkan kadar aliran sumber pertumbuhan, apabila tekanan separa keseimbangan komponen silikon terus meningkat, adalah mudah untuk membentuk gugusan silikon dengan nukleasi fasa gas homogen, yang mengurangkan kadar penggunaan dengan ketara. sumber silikon. Pembentukan kelompok silikon sangat mengehadkan peningkatan kadar pertumbuhan epitaxial. Pada masa yang sama, kelompok silikon boleh mengganggu pertumbuhan aliran langkah dan menyebabkan nukleasi kecacatan. Untuk mengelakkan nukleasi fasa gas homogen dan meningkatkan kadar pertumbuhan epitaxial, pengenalan sumber silikon berasaskan klorin kini merupakan kaedah arus perdana untuk meningkatkan kadar pertumbuhan epitaxial 4H-SiC.

1.2 200 mm (8-inci) peralatan epitaxial SiC dan keadaan proses

Eksperimen yang diterangkan dalam kertas ini semuanya dijalankan pada peralatan epitaxial SiC dinding panas mendatar monolitik serasi 150/200 mm (6/8 inci) yang dibangunkan secara bebas oleh Perbadanan Kumpulan Teknologi Elektronik Institut China ke-48. Relau epitaxial menyokong pemuatan dan pemunggahan wafer automatik sepenuhnya. Rajah 1 ialah gambarajah skema struktur dalaman ruang tindak balas peralatan epitaxial. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dinding luar ruang tindak balas adalah loceng kuarza dengan interlayer yang disejukkan dengan air, dan bahagian dalam loceng adalah ruang tindak balas suhu tinggi, yang terdiri daripada karbon penebat haba, ketulenan tinggi. rongga grafit khas, asas berputar terapung gas grafit, dll. Keseluruhan loceng kuarza ditutup dengan gegelung aruhan silinder, dan ruang tindak balas di dalam loceng dipanaskan secara elektromagnet oleh bekalan kuasa aruhan frekuensi sederhana. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), gas pembawa, gas tindak balas, dan gas doping semuanya mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar mendatar dari hulu kebuk tindak balas ke hilir kebuk tindak balas dan dilepaskan dari ekor. hujung gas. Untuk memastikan konsistensi dalam wafer, wafer yang dibawa oleh pangkalan terapung udara sentiasa diputar semasa proses.

Substrat yang digunakan dalam eksperimen ini ialah substrat SiC bergilap dua muka bermuka dua 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> arah 4° luar sudut konduktif n jenis 4H-SiC yang dihasilkan oleh Kristal Shanxi Shuoke. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) dan etilena (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam eksperimen proses, antaranya TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen ketulenan tinggi (N2) digunakan sebagai n- jenis sumber doping, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pencairan dan gas pembawa. Julat suhu proses epitaxial ialah 1 600 ~ 1 660 ℃, tekanan proses ialah 8×103 ~12×103 Pa, dan kadar aliran gas pembawa H2 ialah 100～140 L/min.

1.3 Ujian dan pencirian wafer epitaxial

Spektrometer inframerah Fourier (pengeluar peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji kepekatan probe merkuri (pengilang peralatan Semilab, model 530L) digunakan untuk mencirikan min dan taburan ketebalan lapisan epitaxial dan kepekatan doping; ketebalan dan kepekatan doping setiap titik dalam lapisan epitaxial ditentukan dengan mengambil titik sepanjang garis diameter yang bersilang dengan garis biasa tepi rujukan utama pada 45° di tengah wafer dengan penyingkiran tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, 9 titik diambil sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter berserenjang antara satu sama lain), dan untuk wafer 200 mm, 21 titik diambil, seperti ditunjukkan dalam Rajah 2. Mikroskop daya atom (pengilang peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakan untuk memilih kawasan 30 μm × 30 μm di kawasan tengah dan kawasan tepi (penyingkiran tepi 5 mm) wafer epitaxial untuk menguji kekasaran permukaan lapisan epitaxial; kecacatan lapisan epitaxial diukur menggunakan penguji kecacatan permukaan (pengeluar peralatan China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) untuk pencirian.

2 Hasil eksperimen dan perbincangan

2.1 Ketebalan dan keseragaman lapisan epitaxial

Ketebalan lapisan epitaxial, kepekatan doping dan keseragaman adalah salah satu petunjuk teras untuk menilai kualiti wafer epitaxial. Ketebalan yang boleh dikawal dengan tepat, kepekatan doping dan keseragaman dalam wafer adalah kunci untuk memastikan prestasi dan konsistensi peranti kuasa SiC, dan ketebalan lapisan epitaxial dan keseragaman kepekatan doping juga merupakan asas penting untuk mengukur keupayaan proses peralatan epitaxial.

Rajah 3 menunjukkan keseragaman ketebalan dan lengkung taburan bagi wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa keluk taburan ketebalan lapisan epitaxial adalah simetri mengenai titik tengah wafer. Masa proses epitaxial ialah 600 s, purata ketebalan lapisan epitaxial 150 mm wafer epitaxial ialah 10.89 μm, dan keseragaman ketebalan ialah 1.05%. Dengan pengiraan, kadar pertumbuhan epitaxial ialah 65.3 μm/j, yang merupakan tahap proses epitaxial cepat biasa. Di bawah masa proses epitaxial yang sama, ketebalan lapisan epitaxial wafer epitaxial 200 mm ialah 10.10 μm, keseragaman ketebalan adalah dalam 1.36%, dan kadar pertumbuhan keseluruhan ialah 60.60 μm/j, yang lebih rendah sedikit daripada pertumbuhan epitaxial 150 mm. kadar. Ini kerana terdapat kehilangan yang jelas di sepanjang jalan apabila sumber silikon dan sumber karbon mengalir dari hulu kebuk tindak balas melalui permukaan wafer ke hilir kebuk tindak balas, dan kawasan wafer 200 mm lebih besar daripada 150 mm. Gas mengalir melalui permukaan wafer 200 mm untuk jarak yang lebih jauh, dan gas sumber yang digunakan sepanjang perjalanan adalah lebih banyak. Di bawah keadaan wafer terus berputar, ketebalan keseluruhan lapisan epitaxial lebih nipis, jadi kadar pertumbuhan lebih perlahan. Secara keseluruhannya, keseragaman ketebalan wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm adalah sangat baik, dan keupayaan proses peralatan dapat memenuhi keperluan peranti berkualiti tinggi.

2.2 Kepekatan doping lapisan epitaxial dan keseragaman

Rajah 4 menunjukkan keseragaman kepekatan doping dan taburan lengkung bagi wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, lengkung taburan kepekatan pada wafer epitaxial mempunyai simetri yang jelas berbanding dengan pusat wafer. Keseragaman kepekatan doping bagi lapisan epitaxial 150 mm dan 200 mm masing-masing ialah 2.80% dan 2.66%, yang boleh dikawal dalam lingkungan 3%, yang merupakan tahap cemerlang di kalangan peralatan antarabangsa yang serupa. Lengkung kepekatan doping lapisan epitaxial diedarkan dalam bentuk "W" di sepanjang arah diameter, yang terutamanya ditentukan oleh medan aliran relau epitaxial dinding panas mendatar, kerana arah aliran udara relau pertumbuhan epitaxial aliran udara mendatar adalah dari hujung salur masuk udara (hulu) dan mengalir keluar dari hujung hilir dalam aliran laminar melalui permukaan wafer; kerana kadar "penyusutan sepanjang jalan" sumber karbon (C2H4) adalah lebih tinggi daripada sumber silikon (TCS), apabila wafer berputar, C/Si sebenar pada permukaan wafer berkurangan secara beransur-ansur dari tepi ke pusat (sumber karbon di tengah kurang), menurut "teori kedudukan kompetitif" C dan N, kepekatan doping di tengah wafer secara beransur-ansur berkurangan ke arah tepi. Untuk mendapatkan keseragaman kepekatan yang sangat baik, tepi N2 ditambah sebagai pampasan semasa proses epitaxial untuk melambatkan penurunan kepekatan doping dari pusat ke tepi, supaya lengkung kepekatan doping akhir membentangkan bentuk "W".

2.3 Kecacatan lapisan epitaxial

Selain ketebalan dan kepekatan doping, tahap kawalan kecacatan lapisan epitaxial juga merupakan parameter teras untuk mengukur kualiti wafer epitaxial dan penunjuk penting keupayaan proses peralatan epitaxial. Walaupun SBD dan MOSFET mempunyai keperluan yang berbeza untuk kecacatan, kecacatan morfologi permukaan yang lebih jelas seperti kecacatan jatuh, kecacatan segi tiga, kecacatan lobak merah dan kecacatan komet ditakrifkan sebagai kecacatan pembunuh untuk peranti SBD dan MOSFET. Kebarangkalian kegagalan cip yang mengandungi kecacatan ini adalah tinggi, jadi mengawal bilangan kecacatan pembunuh adalah amat penting untuk meningkatkan hasil cip dan mengurangkan kos. Rajah 5 menunjukkan taburan kecacatan pembunuh bagi wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC. Di bawah syarat bahawa tiada ketidakseimbangan yang jelas dalam nisbah C/Si, kecacatan lobak merah dan kecacatan komet pada asasnya boleh dihapuskan, manakala kecacatan jatuh dan kecacatan segi tiga berkaitan dengan kawalan kebersihan semasa operasi peralatan epitaxial, tahap kekotoran grafit bahagian dalam ruang tindak balas, dan kualiti substrat. Daripada Jadual 2, kita dapat melihat bahawa ketumpatan kecacatan maut bagi wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm boleh dikawal dalam 0.3 zarah/cm2, yang merupakan tahap yang sangat baik untuk jenis peralatan yang sama. Tahap kawalan ketumpatan kecacatan maut bagi wafer epitaxial 150 mm adalah lebih baik daripada tahap wafer epitaxial 200 mm. Ini kerana proses penyediaan substrat 150 mm lebih matang daripada 200 mm, kualiti substrat lebih baik, dan tahap kawalan kekotoran ruang tindak balas grafit 150 mm lebih baik.

2.4 Kekasaran permukaan wafer epitaxial

Rajah 6 menunjukkan imej AFM bagi permukaan wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, purata akar permukaan kekasaran persegi Ra bagi wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm masing-masing ialah 0.129 nm dan 0.113 nm, dan permukaan lapisan epitaxial adalah licin, tanpa fenomena pengagregatan makro-langkah yang jelas, yang menunjukkan bahawa pertumbuhan lapisan epitaxial sentiasa mengekalkan mod pertumbuhan aliran langkah semasa keseluruhan proses epitaxial, dan tiada pengagregatan langkah berlaku. Dapat dilihat bahawa lapisan epitaxial dengan permukaan licin boleh didapati pada substrat sudut rendah 150 mm dan 200 mm dengan menggunakan proses pertumbuhan epitaxial yang dioptimumkan.

3. Kesimpulan

Wafer homoepitaxial 150 mm dan 200 mm 4H-SiC telah berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial 200 mm SiC yang dibangunkan sendiri, dan proses homoepitaxial yang sesuai untuk 150 mm dan 200 mm telah dibangunkan. Kadar pertumbuhan epitaxial boleh melebihi 60 μm/j. Semasa memenuhi keperluan epitaksi berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaxial adalah sangat baik. Keseragaman ketebalan wafer epitaxial 150 mm dan 200 mm SiC boleh dikawal dalam lingkungan 1.5%, keseragaman kepekatan kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan maut adalah kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan akar kekasaran permukaan epitaxial min persegi Ra ialah kurang daripada 0.15 nm. Penunjuk proses teras wafer epitaxial berada pada tahap lanjutan dalam industri.

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

VeTek Semiconductor ialah pengilang profesional Cina bagiSiling Bersalut SiC CVD, Nozel Salutan CVD SiC, danCincin Masuk Salutan SiC.  VeTek Semiconductor komited untuk menyediakan penyelesaian termaju untuk pelbagai produk Wafer SiC untuk industri semikonduktor.

Jika anda berminatRelau epitaxial SiC 8 inci dan proses homoepitaxial, sila hubungi kami terus.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

E-mel: anny@veteksemi.com