Cercetări ale procesului epitaxial SIC de 8 inci și proces de proces homoepitaxial

În prezent, industria SIC se transformă de la 150 mm (6 inci) la 200 mm (8 inci). Pentru a răspunde cererii urgente pentru napolitane homoepitaxiale SIC de dimensiuni mari, de înaltă calitate, în industrie, 150 mm și 200 mm 4H-SIC homoepitaxial napolitane au fost pregătite cu succes pe substraturi interne, folosind echipamentul de creștere epitaxială SIC de 200 mm dezvoltat în mod independent. A fost dezvoltat un proces homoepitaxial adecvat pentru 150 mm și 200 mm, în care rata de creștere epitaxială poate fi mai mare de 60 μm/h. În timp ce întâlnește epitaxia de mare viteză, calitatea plafonului epitaxial este excelentă. Uniformitatea de grosime de 150 mM și 200 mM SIC Epitaxial Wafers poate fi controlată la 1,5%, uniformitatea de concentrație este mai mică de 3%, densitatea de defecte fatale este mai mică de 0,3 particule/cm2, iar rădăcina de rugozitate a suprafeței epitaxiale este mai mică de 0,15 nm, iar toți indicatorii de proces de bază sunt la nivelul avansat al industriei.

Carbura de siliciu (SIC) este unul dintre reprezentanții materialelor semiconductoare de a treia generație. Are caracteristicile de rezistență a câmpului de defecțiune ridicată, conductivitate termică excelentă, viteză mare de derivă de saturație a electronilor și rezistență puternică la radiații. Acesta a extins foarte mult capacitatea de procesare a energiei dispozitivelor electrice și poate satisface cerințele de serviciu ale următoarei generații de echipamente electronice electronice pentru dispozitive cu energie mare, dimensiuni mici, temperatură ridicată, radiații ridicate și alte condiții extreme. Poate reduce spațiul, poate reduce consumul de energie și poate reduce cerințele de răcire. Acesta a adus modificări revoluționare la noile vehicule energetice, transportul feroviar, rețelele inteligente și alte câmpuri. Prin urmare, semiconductorii din carbură de siliciu au devenit recunoscuți drept materialul ideal care va conduce următoarea generație de dispozitive electronice de putere de mare putere. În ultimii ani, datorită sprijinului politic național pentru dezvoltarea industriei semiconductoare de a treia generație, cercetarea și dezvoltarea și construcția sistemului de industrie de dispozitive SIC de 150 mM au fost, practic, finalizate în China, iar securitatea lanțului industrial a fost garantată practic. Prin urmare, accentul industriei s -a schimbat treptat la controlul costurilor și îmbunătățirea eficienței. Așa cum se arată în tabelul 1, comparativ cu 150 mm, 200 mM SIC are o rată de utilizare a marginilor mai mare, iar producția de cipuri de wafer unice poate fi crescută de aproximativ 1,8 ori. După ce tehnologia se maturizează, costul de fabricație al unui singur cip poate fi redus cu 30%. Descoperirea tehnologică a 200 mm este un mijloc direct de „reducere a costurilor și creșterea eficienței” și este, de asemenea, cheia industriei semiconductoare a țării mele să „funcționeze paralel” sau chiar „plumb”.

Diferență de procesul dispozitivului SI, dispozitivele de alimentare cu semiconductor SIC sunt toate prelucrate și preparate cu straturi epitaxiale ca piatră de temelie. Napolii epitaxiale sunt materiale esențiale de bază pentru dispozitivele de alimentare SIC. Calitatea stratului epitaxial determină în mod direct randamentul dispozitivului, iar costul său reprezintă 20% din costul de fabricație a cipurilor. Prin urmare, creșterea epitaxială este o legătură intermediară esențială în dispozitivele de putere SIC. Limita superioară a nivelului procesului epitaxial este determinată de echipamentele epitaxiale. În prezent, gradul de localizare a echipamentelor epitaxiale interne de 150 mm SIC este relativ ridicat, dar aspectul general de 200 mm rămâne în urma nivelului internațional în același timp. Prin urmare, pentru a rezolva nevoile urgente și problemele de blocaje ale producției de materiale epitaxiale de înaltă calitate, de înaltă calitate pentru dezvoltarea industriei semiconductoare interne de a treia generație, această lucrare introduce echipamentul epitaxial de 200 mm SIC dezvoltat cu succes în țara mea și studiază procesul epitaxial. Prin optimizarea parametrilor procesului, cum ar fi temperatura procesului, debitul de gaze purtător, raportul C/SI, etc., uniformitatea concentrației <3%, grosimea non-uniformității <1,5%, rugozitatea RA <0,2 nm și densitatea defectelor fatale <0,3 particule/cm2 de 150 mm și 200 mm epitaxial sic, cu un cuplu epitaxial sic de 200 mm. Nivelul procesului de echipament poate satisface nevoile pregătirii dispozitivului de alimentare SIC de înaltă calitate.

1 experimente

1.1 Principiul procesului epitaxial SIC

Procesul de creștere homoepitaxială 4H-SIC include în principal 2 etape cheie, și anume, gravarea in situ la temperatură ridicată a substratului 4H-SIC și a procesului omogen de depunere a vaporilor chimici. Scopul principal al gravurii în situare este de a îndepărta deteriorarea sub-suprafață a substratului după lustruirea plafonului, lichidul de lustruire reziduală, particulele și stratul de oxid și se poate forma o structură obișnuită a pasului atomic pe suprafața substratului prin gravură. Gravura in situ este de obicei efectuată într-o atmosferă de hidrogen. Conform cerințelor reale de proces, se poate adăuga și o cantitate mică de gaz auxiliar, cum ar fi clorura de hidrogen, propan, etilenă sau silan. Temperatura gravurii de hidrogen in situ este în general peste 1 600 ℃, iar presiunea camerei de reacție este controlată în general sub 2 × 104 Pa în timpul procesului de gravare.

După ce suprafața substratului este activată prin gravură in situ, ea intră în procesul de depunere a vaporilor chimici la temperatură ridicată, adică sursa de creștere (cum ar fi etilena/propanul, TCS/silan), sursa de dopare (sursa de dopaj de tip N (N-Type Doping Sursa de azot, sursa de dopare de tip P de tip P Gaz purtător (de obicei hidrogen). După ce gazul reacționează în camera de reacție la temperaturi ridicate, o parte a precursorului reacționează chimic și adsorbele pe suprafața de placă și un strat epitaxial 4H-SIC unic-cristal cu o concentrație specifică de dopaj, o grosime specifică și o calitate superioară este formată pe suprafața substratului folosind substratul unic-cristal 4H-SIC sub formă de tema. După ani de explorare tehnică, tehnologia homoepitaxială 4H-SIC s-a maturizat practic și este utilizată pe scară largă în producția industrială. Tehnologia homoepitaxială cea mai utilizată 4H-SIC din lume are două caracteristici tipice: (1) folosind o axă off-axis (în raport cu substratul de cristal <0001>, spre <11-20> direcția cristalului), ca un șablon, un șablon, se depune un singur cristal unic-cristal în formularul în formă de strat de creștere. Creșterea homoepitaxială timpurie 4H-SIC a utilizat un substrat de cristal pozitiv, adică planul <0001> SI pentru creștere. Densitatea treptelor atomice pe suprafața substratului de cristal pozitiv este scăzută, iar terasele sunt largi. Creșterea nucleării bidimensionale este ușor de avut loc în timpul procesului de epitaxie pentru a forma 3C cristal sic (3C-SIC). Prin tăierea axei în afara axei, se pot introduce pași atomici cu densitate ridicată, cu densitate ridicată, pe suprafața substratului 4H-SIC <0001>, iar precursorul adsorbit poate atinge efectiv poziția pasului atomic cu o energie de suprafață relativ scăzută prin difuzarea suprafeței. La etapă, poziția de legătură a atomului/grupului molecular precursor este unică, astfel încât în ​​modul de creștere a fluxului de etapă, stratul epitaxial poate moșteni perfect secvența de stivuire a stivuirii stratului dublu atomic Si-C a substratului pentru a forma un singur cristal cu aceeași fază de cristal ca substratul. (2) Creșterea epitaxială de mare viteză este obținută prin introducerea unei surse de siliciu care conține clor. În principalele surse principalele surse principale principalele surse principale de creștere a silanului și propanului (sau etilenului) sunt principalele surse de creștere. În procesul de creștere a ratei de creștere prin creșterea debitului sursei de creștere, deoarece presiunea parțială de echilibru a componentei de siliciu continuă să crească, este ușor să formați clustere de siliciu prin nuclearea omogenă a fazei de gaz, ceea ce reduce semnificativ rata de utilizare a sursei de siliciu. Formarea clusterelor de siliciu limitează foarte mult îmbunătățirea ratei de creștere epitaxială. În același timp, grupurile de siliciu pot perturba creșterea fluxului de etapă și pot provoca nuclearea defectelor. Pentru a evita nuclearea omogenă în faza gazoasă și pentru a crește rata de creștere epitaxială, introducerea surselor de siliciu pe bază de clor este în prezent metoda principală pentru a crește rata de creștere epitaxială a 4H-SIC.

1,2 200 mm (8-inch) Echipamente epitaxiale și condiții de proces SIC

Experimentele descrise în această lucrare au fost efectuate pe un echipament monolitic orizontal de perete cald sic de 150 mm (6/8-inch), echipament epitaxial de perete fierbinte orizontal SIC, dezvoltat independent de 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Cuptorul epitaxial acceptă încărcarea și descărcarea complet automată a waferului. Figura 1 este o diagramă schematică a structurii interne a camerei de reacție a echipamentului epitaxial. Așa cum se arată în figura 1, peretele exterior al camerei de reacție este un clopot de cuarț cu un intermediar răcit cu apă, iar interiorul clopotului este o cameră de reacție la temperatură ridicată, care este compusă din pâslă de carbon de izolație termică, cavitate specială de înaltă puritate, cavitate specială de grafit, grafit care acoperă gazul de grafit, etc. o sursă de alimentare cu inducție de frecvență medie. Așa cum se arată în figura 1 (b), gazul purtător, gazul de reacție și gazul de dopare curg toate prin suprafața plafonului într -un flux laminar orizontal de la amonte de camera de reacție până la aval de camera de reacție și sunt evacuate de la capătul gazului de coadă. Pentru a asigura consistența din placă, placa transportată de baza plutitoare a aerului este întotdeauna rotită în timpul procesului.

Substratul utilizat în experiment este un comerț de 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> Direcția 4 ° OFF-OFF-OFF RIGEN N-TYPE 4H-SIC substrat lustruit cu două fețe, produs de Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilanul (SIHCL3, TCS) și etilenul (C2H4) sunt utilizate ca principale surse de creștere în experimentul de proces, printre care TC și C2H4 sunt utilizate ca sursă de siliciu și, respectiv, sursă de carbon, este utilizat azot de înaltă puritate (N2) ca sursă de dopare de tip N, iar hidrogenul (H2) este utilizat ca gaz de diluție și gaz de tip n. Intervalul de temperatură al procesului epitaxial este de 1 600 ~ 1 660 ℃, presiunea procesului este 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, iar debitul de gaz purtător H2 este de 100 ～ 140 L/min.

1.3 Testarea și caracterizarea waferului epitaxial

Spectrometrul cu infraroșu Fourier (producătorul de echipamente Thermalfisher, Model IS50) și testerul de concentrație a sondei de mercur (producătorul de echipamente Semilab, Model 530L) au fost utilizate pentru a caracteriza media și distribuția grosimii stratului epitaxial și a concentrației de dopaj; Grosimea și concentrația de dopaj a fiecărui punct din stratul epitaxial au fost determinate prin luarea de puncte de -a lungul liniei de diametru care intersectează linia normală a marginii de referință principală la 45 ° în centrul plafonului cu îndepărtarea marginii de 5 mm. For a 150 mm wafer, 9 points were taken along a single diameter line (two diameters were perpendicular to each other), and for a 200 mm wafer, 21 points were taken, as shown in Figure 2. An atomic force microscope (equipment manufacturer Bruker, model Dimension Icon) was used to select 30 μm×30 μm areas in the center area and the edge area (5 mm edge removal) of the epitaxial placă pentru a testa rugozitatea suprafeței stratului epitaxial; Defectele stratului epitaxial au fost măsurate folosind un tester de defecte de suprafață (producător de echipamente China Electronics Kefenghua, Model Mars 4410 Pro) pentru caracterizare.

2 Rezultate experimentale și discuții

2.1 Grosimea și uniformitatea stratului epitaxial

Grosimea stratului epitaxial, concentrația de dopaj și uniformitatea sunt unul dintre indicatorii de bază pentru judecarea calității napolitanelor epitaxiale. Grosimea controlabilă cu exactitate, concentrația de dopaj și uniformitatea în interiorul plafonului sunt cheia pentru a asigura performanța și consistența dispozitivelor de putere SIC, iar grosimea stratului epitaxial și uniformitatea concentrației de dopație sunt, de asemenea, baze importante pentru măsurarea capacității procesului de proces al echipamentului epitaxial.

Figura 3 prezintă uniformitatea și curba de distribuție a grosimii de 150 mm și 200 mM SIC epitaxiale. Din figura se poate observa că curba de distribuție a grosimii stratului epitaxial este simetrică în ceea ce privește punctul central al plafonului. Timpul procesului epitaxial este de 600 s, grosimea medie a stratului epitaxial a plafonului epitaxial de 150 mM este de 10,89 μm, iar uniformitatea grosimii este de 1,05%. Prin calcul, rata de creștere epitaxială este de 65,3 μm/h, ceea ce este un nivel tipic de proces epitaxial rapid. În cadrul aceluiași timp de proces epitaxial, grosimea stratului epitaxial a plafonului epitaxial de 200 mM este de 10,10 μm, uniformitatea grosimii este de 1,36%, iar rata generală de creștere este de 60,60 μm/h, care este ușor mai mică decât rata de creștere epitaxială de 150 mM. Acest lucru se datorează faptului că există o pierdere evidentă pe parcurs atunci când sursa de siliciu și sursa de carbon curg din amonte de camera de reacție prin suprafața plafonului până la aval de camera de reacție, iar zona de napolitară de 200 mm este mai mare decât 150 mm. Gazul curge prin suprafața plafonului de 200 mm pentru o distanță mai lungă, iar gazul sursă consumat pe parcurs este mai mult. În condiția ca placa să se rotească, grosimea totală a stratului epitaxial este mai subțire, deci rata de creștere este mai lentă. În general, uniformitatea grosimii de 150 mm și 200 mm napolitane epitaxiale este excelentă, iar capacitatea de proces a echipamentului poate satisface cerințele dispozitivelor de înaltă calitate.

2.2 Concentrația de dopaj de strat epitaxial și uniformitate

Figura 4 prezintă uniformitatea concentrației de dopaj și distribuția curbei de 150 mM și 200 mM SIC epitaxială. După cum se poate observa din figură, curba de distribuție a concentrației de pe placa epitaxială are o simetrie evidentă în raport cu centrul plafonului. Uniformitatea de concentrație de dopaj a straturilor epitaxiale de 150 mM și 200 mM este de 2,80%, respectiv 2,66%, ceea ce poate fi controlat în 3%, ceea ce este un nivel excelent în rândul echipamentelor similare internaționale. Curba de concentrație de dopaj a stratului epitaxial este distribuită într -o formă „W” de -a lungul direcției diametrului, care este determinată în principal de câmpul de curgere al cuptorului epitaxial al peretelui fierbinte orizontal, deoarece direcția fluxului de aer al fluxului de aer orizontal de creștere a cuptorului de creștere a aerului este de la capătul de intrare a aerului (în sus) și de pe suprafața de intrare în jos; Deoarece rata „de-a lungul epuizării” a sursei de carbon (C2H4) este mai mare decât cea a sursei de siliciu (TCS), atunci când placa se rotește, C/SI efectiv de pe suprafața de placă scade treptat de la marginea centrului (sursa de carbon din centru este mai mică), conform „teoriei de poziție competitivă” a C și N, a concentrării de doping. Pentru a obține o uniformitate de concentrare excelentă, marginea N2 este adăugată ca compensare în timpul procesului epitaxial pentru a încetini scăderea concentrației de dopaj de la centru la margine, astfel încât curba de concentrare de dopaj final prezintă o formă „W”.

2.3 Defecte ale stratului epitaxial

În plus față de grosimea și concentrația de dopaj, nivelul de control al defectelor stratului epitaxial este, de asemenea, un parametru de bază pentru măsurarea calității napolitanelor epitaxiale și un indicator important al capacității de proces a echipamentului epitaxial. Deși SBD și MOSFET au cerințe diferite pentru defecte, defecte mai evidente ale morfologiei de suprafață, cum ar fi defectele de cădere, defectele triunghiului, defectele morcovului și defectele de cometă sunt definite ca defecte ucigătoare pentru dispozitivele SBD și MOSFET. Probabilitatea eșecului cipurilor care conțin aceste defecte este ridicată, astfel încât controlul numărului de defecte ucigătoare este extrem de importantă pentru îmbunătățirea randamentului cipului și reducerea costurilor. Figura 5 prezintă distribuția defectelor ucigașe de 150 mm și 200 mM SIC napolitane epitaxiale. În condițiile în care nu există un dezechilibru evident în raportul C/Si, defectele de morcovi și defectele de cometă pot fi eliminate practic, în timp ce defectele de cădere și defectele triunghiului sunt legate de controlul de curățenie în timpul funcționării echipamentului epitaxial, nivelul de impuritate a pieselor de grafit în camera de reacție și calitatea substratului. Din tabelul 2, putem observa că densitatea defectelor fatale de 150 mm și 200 mm napolitane epitaxiale poate fi controlată în 0,3 particule/cm2, ceea ce este un nivel excelent pentru același tip de echipament. Nivelul de control al densității de defecte fatale de o placă epitaxială de 150 mM este mai bun decât cel de 200 mM wafer epitaxial. Acest lucru se datorează faptului că procesul de preparare a substratului de 150 mm este mai matur decât cel de 200 mm, calitatea substratului este mai bună, iar nivelul de control al impurității de 150 mm camera de reacție grafit este mai bun.

2.4 Roughitatea suprafeței epitaxiale a plafonului

Figura 6 prezintă imaginile AFM ale suprafeței de 150 mm și 200 mm SIC napolitane epitaxiale. După cum se poate observa din figură, rugozitatea pătrată a rădăcinii de suprafață RA de 150 mM și 200 mM wafers epitaxiale este de 0,129 nm, respectiv 0,113 nm, iar suprafața stratului epitaxial este netedă, fără a fi evident evident agregarea macro-treptei, ceea ce indică faptul că creșterea procesului epitaxial, iar nu se menține întotdeauna agregarea treptei. Se poate observa că stratul epitaxial cu o suprafață netedă poate fi obținut pe substraturi cu unghi scăzut de 150 mm și 200 mm prin utilizarea procesului de creștere epitaxială optimizată.

3. Concluzii

Plătirile homoepitaxiale de 150 mm și 200 mm 4H-SIC au fost preparate cu succes pe substraturi interne folosind echipamentele de creștere epitaxială auto-dezvoltată de 200 mM SIC și a fost dezvoltat un proces homoepitaxial adecvat pentru 150 mm și 200 mm. Rata de creștere epitaxială poate fi mai mare de 60 μm/h. În timp ce îndeplinește cerința de epitaxie de mare viteză, calitatea epitaxială a plafonului este excelentă. Uniformitatea grosimii de 150 mM și 200 mM SiC Epitaxial Wafers poate fi controlată la 1,5%, uniformitatea de concentrație este mai mică de 3%, densitatea defectelor fatale este mai mică de 0,3 particule/cm2, iar rădăcina de rugozitate a suprafeței epitaxiale este mai mică de 0,15 nm. Indicatorii de proces de bază ai napolitanelor epitaxiale sunt la nivel avansat în industrie.

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

Vetek Semiconductor este un producător profesionist chinez dePlafon acoperit cu CVD SIC, Duză de acoperire a CVD SIC, șiInel de intrare de acoperire sic.  Vetek Semiconductor se angajează să ofere soluții avansate pentru diverse produse de placă SIC pentru industria semiconductorilor.

Dacă vă intereseazăCuptor epitaxial de 8 inci și proces homoepitaxial, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați direct.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

E -mail: anny@veteksemi.com