8palcová SiC epitaxní pec a výzkum homoepitaxních procesů

V současné době se průmysl SiC transformuje ze 150 mm (6 palců) na 200 mm (8 palců). Aby bylo možné uspokojit naléhavou poptávku po velkých, vysoce kvalitních SiC homoepitaxiálních destičkách v průmyslu, byly 150 mm a 200 mm 4H-SiC homoepitaxní destičky úspěšně připraveny na domácích substrátech pomocí nezávisle vyvinutého 200 mm SiC epitaxního růstového zařízení. Byl vyvinut homoepitaxní proces vhodný pro 150 mm a 200 mm, ve kterém může být rychlost epitaxního růstu vyšší než 60 μm/h. Při splnění vysokorychlostní epitaxe je kvalita epitaxního plátku vynikající. Rovnoměrnost tloušťky 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků lze řídit v rozmezí 1,5 %, stejnoměrnost koncentrace je menší než 3 %, hustota fatálních defektů je menší než 0,3 částic/cm2 a střední kvadratická hodnota drsnosti epitaxního povrchu Ra je méně než 0,15 nm a všechny základní procesní indikátory jsou na pokročilé úrovni odvětví.

Karbid křemíku (SiC) je jedním ze zástupců polovodičových materiálů třetí generace. Vyznačuje se vysokou průraznou silou pole, vynikající tepelnou vodivostí, velkou rychlostí driftu elektronového nasycení a silnou radiační odolností. Výrazně rozšířil kapacitu zpracování energie výkonových zařízení a může splnit servisní požadavky nové generace výkonových elektronických zařízení pro zařízení s vysokým výkonem, malými rozměry, vysokou teplotou, vysokým zářením a dalšími extrémními podmínkami. Může snížit prostor, snížit spotřebu energie a snížit požadavky na chlazení. Přinesla revoluční změny do nových energetických vozidel, železniční dopravy, chytrých sítí a dalších oborů. Proto se polovodiče z karbidu křemíku staly uznávanými jako ideální materiál, který povede další generaci výkonných elektronických zařízení. V posledních letech byl v Číně díky podpoře národní politiky pro rozvoj polovodičového průmyslu třetí generace v podstatě dokončen výzkum, vývoj a konstrukce průmyslového systému zařízení SiC 150 mm a zabezpečení průmyslového řetězce byla v podstatě zaručena. Proto se těžiště průmyslu postupně přesunulo na kontrolu nákladů a zvyšování efektivity. Jak je uvedeno v tabulce 1, ve srovnání se 150 mm má 200 mm SiC vyšší míru využití hrany a výkon jednotlivých plátkových čipů lze zvýšit asi 1,8krát. Poté, co technologie uzraje, mohou být výrobní náklady na jeden čip sníženy o 30 %. Technologický průlom 200 mm je přímým prostředkem ke „snížení nákladů a zvýšení účinnosti“ a je také klíčem k tomu, aby polovodičový průmysl mé země „běžel paralelně“ nebo dokonce „vedl“.

Na rozdíl od procesu Si zařízení jsou všechna SiC polovodičová výkonová zařízení zpracována a připravena s epitaxními vrstvami jako základním kamenem. Epitaxní destičky jsou základními základními materiály pro napájecí zařízení SiC. Kvalita epitaxní vrstvy přímo určuje výtěžnost zařízení a jeho náklady tvoří 20 % výrobních nákladů čipu. Proto je epitaxní růst nezbytným mezičlánkem v SiC napájecích zařízeních. Horní hranice úrovně epitaxního procesu je určena epitaxním zařízením. V současné době je stupeň lokalizace domácích 150mm SiC epitaxních zařízení poměrně vysoký, ale celkové uspořádání 200mm zároveň zaostává za mezinárodní úrovní. Abychom vyřešili naléhavé potřeby a problémy s úzkým hrdlem výroby velkorozměrových a vysoce kvalitních epitaxních materiálů pro rozvoj domácího průmyslu polovodičů třetí generace, tento článek představuje 200mm epitaxní zařízení SiC úspěšně vyvinuté v mé zemi, a studuje epitaxní proces. Optimalizací procesních parametrů, jako je teplota procesu, průtok nosného plynu, poměr C/Si atd., stejnoměrnost koncentrace <3 %, nerovnoměrnost tloušťky <1,5 %, drsnost Ra <0,2 nm a hustota fatálních defektů <0,3 částic Získají se 150 mm a 200 mm SiC epitaxní destičky/cm2 s vlastní 200 mm epitaxní pecí z karbidu křemíku. Úroveň procesu zařízení může splňovat potřeby vysoce kvalitní přípravy napájecích zařízení SiC.

1 Experimenty

1.1 Princip epitaxního procesu SiC

Proces homoepitaxního růstu 4H-SiC zahrnuje především 2 klíčové kroky, jmenovitě vysokoteplotní in-situ leptání substrátu 4H-SiC a proces homogenní chemické depozice z par. Hlavním účelem leptání substrátu in situ je odstranit podpovrchové poškození substrátu po leštění plátků, zbytkovou leštící kapalinu, částice a vrstvu oxidu a na povrchu substrátu lze leptáním vytvořit pravidelnou atomární krokovou strukturu. Leptání in situ se obvykle provádí ve vodíkové atmosféře. Podle aktuálních požadavků procesu lze také přidat malé množství pomocného plynu, jako je chlorovodík, propan, ethylen nebo silan. Teplota in-situ vodíkového leptání je obecně nad 1 600 °C a tlak v reakční komoře je obecně řízen pod 2 x 104 Pa během procesu leptání.

Poté, co je povrch substrátu aktivován leptáním in-situ, vstupuje do procesu vysokoteplotní chemické depozice z par, tj. zdroj růstu (jako je ethylen/propan, TCS/silan), zdroj dopingu (zdroj dopingu typu n dusík , dopingový zdroj typu p TMAl) a pomocný plyn, jako je chlorovodík, jsou dopravovány do reakční komory velkým proudem nosného plynu (obvykle vodíku). Po reakci plynu ve vysokoteplotní reakční komoře část prekurzoru chemicky reaguje a adsorbuje se na povrchu plátku a vzniká monokrystalická homogenní 4H-SiC epitaxní vrstva se specifickou koncentrací dopingu, specifickou tloušťkou a vyšší kvalitou. na povrchu substrátu s použitím monokrystalického substrátu 4H-SiC jako šablony. Po letech technického zkoumání homoepitaxní technologie 4H-SiC v podstatě dospěla a je široce používána v průmyslové výrobě. Nejrozšířenější homoepitaxní technologie 4H-SiC na světě má dvě typické vlastnosti: (1) Použití šikmo řezaného substrátu jako substrátu mimo osu (vzhledem k rovině krystalu <0001> směrem ke směru krystalu <11-20>). templátu je na substrát nanesena vysoce čistá monokrystalická 4H-SiC epitaxní vrstva bez nečistot ve formě krokového růstového režimu. Časný homoepitaxiální růst 4H-SiC používal pro růst pozitivní krystalový substrát, tj. rovinu <0001> Si. Hustota atomárních kroků na povrchu kladného krystalového substrátu je nízká a terasy jsou široké. Během epitaxního procesu za vzniku 3C krystalu SiC (3C-SiC) snadno dochází k dvourozměrnému růstu nukleace. Mimoosým řezáním lze na povrch substrátu 4H-SiC <0001> zavést atomové kroky s vysokou hustotou a úzkou terasovou šířkou a adsorbovaný prekurzor může účinně dosáhnout polohy atomárního kroku s relativně nízkou povrchovou energií prostřednictvím povrchové difúze . V kroku je vazebná poloha prekurzorový atom/molekulární skupina jedinečná, takže v režimu růstu krokového toku může epitaxní vrstva dokonale zdědit sekvenci vrstvení dvouatomové vrstvy Si-C substrátu za vzniku jediného krystalu se stejným krystalem. fázi jako substrát. (2) Vysokorychlostního epitaxního růstu je dosaženo zavedením zdroje křemíku obsahujícího chlór. V konvenčních systémech chemické depozice SiC jsou hlavními zdroji růstu silan a propan (nebo etylen). V procesu zvyšování rychlosti růstu zvýšením průtokové rychlosti zdroje růstu, jak se rovnovážný parciální tlak křemíkové složky stále zvyšuje, je snadné vytvářet křemíkové shluky homogenní nukleací v plynné fázi, což výrazně snižuje míru využití křemíku. zdroj křemíku. Tvorba křemíkových shluků značně omezuje zlepšení rychlosti epitaxního růstu. Současně mohou křemíkové shluky narušit růst skokového toku a způsobit nukleaci defektů. Aby se zabránilo homogenní nukleaci v plynné fázi a zvýšila se rychlost epitaxního růstu, zavedení zdrojů křemíku na bázi chlóru je v současné době hlavní metodou ke zvýšení rychlosti epitaxního růstu 4H-SiC.

1,2 200 mm (8 palců) SiC epitaxní zařízení a podmínky procesu

Experimenty popsané v tomto dokumentu byly všechny provedeny na 150/200 mm (6/8 palce) kompatibilním monolitickém horizontálním SiC epitaxním zařízení s horkou stěnou nezávisle vyvinutém 48. institutem China Electronics Technology Group Corporation. Epitaxní pec podporuje plně automatické vkládání a odebírání plátků. Obrázek 1 je schematický diagram vnitřní struktury reakční komory epitaxního zařízení. Jak je znázorněno na obrázku 1, vnější stěna reakční komory je křemenný zvon s vodou chlazenou mezivrstvou a vnitřek zvonu je vysokoteplotní reakční komora, která se skládá z tepelně izolační uhlíkové plsti, vysoce čisté speciální grafitová dutina, grafitový plyn plovoucí rotační základna atd. Celý křemenný zvon je pokryt válcovou indukční cívkou a reakční komora uvnitř zvonu je elektromagneticky vyhřívána středofrekvenčním indukčním zdrojem. Jak je znázorněno na obrázku 1 (b), nosný plyn, reakční plyn a dotovací plyn všechny proudí skrz povrch plátku v horizontálním laminárním toku z horní části reakční komory do dolní části reakční komory a jsou vypouštěny z ocasu. plynový konec. Aby byla zajištěna konzistence v plátku, plátek nesený vzduchovou plovoucí základnou se během procesu vždy otáčí.

Substrát použitý v experimentu je komerční 150 mm, 200 mm (6 palců, 8 palců) směr <1120> 4° mimoúhelně vodivý n-typ 4H-SiC oboustranně leštěný SiC substrát vyrobený Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilan (SiHCl3, TCS) a ethylen (C2H4) jsou použity jako hlavní růstové zdroje v procesním experimentu, z nichž TCS a C2H4 jsou použity jako zdroj křemíku a zdroj uhlíku, jako n- se používá vysoce čistý dusík (N2). typu dopingového zdroje a vodík (H2) se používá jako ředicí plyn a nosný plyn. Rozsah epitaxních procesních teplot je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesní tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa a průtok nosného plynu H2 je 100–140 l/min.

1.3 Testování a charakterizace epitaxních plátků

Fourierův infračervený spektrometr (výrobce zařízení Thermalfisher, model iS50) a tester koncentrace rtuťové sondy (výrobce zařízení Semilab, model 530L) byly použity k charakterizaci průměru a distribuce tloušťky epitaxní vrstvy a koncentrace dopingu; tloušťka a koncentrace dopingu každého bodu v epitaxní vrstvě byly stanoveny odebráním bodů podél čáry průměru protínající normální čáru hlavního referenčního okraje pod úhlem 45° ve středu plátku s odstraněním okraje 5 mm. U 150mm waferu bylo odebráno 9 bodů podél přímky s jedním průměrem (dva průměry byly na sebe kolmé) a pro 200mm wafer bylo odebráno 21 bodů, jak je znázorněno na obrázku 2. Mikroskop atomární síly (výrobce zařízení Bruker, model Dimension Icon) byl použit k výběru oblastí 30 um x 30 um ve středové oblasti a oblasti okraje (odstranění okraje 5 mm) epitaxního plátku pro testování drsnosti povrchu epitaxní vrstvy; defekty epitaxní vrstvy byly měřeny pomocí testeru povrchových defektů (výrobce zařízení China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) pro charakterizaci.

2 Experimentální výsledky a diskuse

2.1 Tloušťka a rovnoměrnost epitaxní vrstvy

Tloušťka epitaxní vrstvy, koncentrace dopingu a jednotnost jsou jedním ze základních ukazatelů pro posuzování kvality epitaxních plátků. Přesně kontrolovatelná tloušťka, koncentrace dopingu a stejnoměrnost v waferu jsou klíčem k zajištění výkonu a konzistence SiC výkonových zařízení a tloušťka epitaxní vrstvy a stejnoměrnost dopingové koncentrace jsou také důležitým základem pro měření procesní schopnosti epitaxního zařízení.

Obrázek 3 ukazuje rovnoměrnost tloušťky a distribuční křivku 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků. Z obrázku je vidět, že křivka distribuce tloušťky epitaxní vrstvy je symetrická kolem středu destičky. Doba epitaxního procesu je 600 s, průměrná tloušťka epitaxní vrstvy 150 mm epitaxního plátku je 10,89 μm a rovnoměrnost tloušťky je 1,05 %. Výpočtem je rychlost epitaxního růstu 65,3 μm/h, což je typická úroveň rychlého epitaxního procesu. Při stejné době epitaxního procesu je tloušťka epitaxní vrstvy 200 mm epitaxního plátku 10,10 μm, stejnoměrnost tloušťky je v rámci 1,36 % a celková rychlost růstu je 60,60 μm/h, což je o něco méně než 150 mm epitaxní růst hodnotit. Je to proto, že dochází ke zjevným ztrátám na cestě, když zdroj křemíku a zdroj uhlíku proudí z horní části reakční komory přes povrch plátku do dolní části reakční komory a plocha plátku 200 mm je větší než 150 mm. Plyn proudí povrchem 200mm waferu na delší vzdálenost a zdrojového plynu spotřebovaného cestou je více. Za podmínky, že se plátek stále otáčí, je celková tloušťka epitaxní vrstvy tenčí, takže rychlost růstu je pomalejší. Celkově je rovnoměrnost tloušťky 150 mm a 200 mm epitaxních plátků vynikající a procesní schopnost zařízení může splňovat požadavky vysoce kvalitních zařízení.

2.2 Koncentrace a uniformita dopingu epitaxní vrstvy

Obrázek 4 ukazuje rovnoměrnost koncentrace dopingu a distribuci křivky 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků. Jak je vidět z obrázku, křivka distribuce koncentrace na epitaxním plátku má zjevnou symetrii vzhledem ke středu plátku. Rovnoměrnost koncentrace dopingu u 150 mm a 200 mm epitaxních vrstev je 2,80 %, respektive 2,66 %, což lze kontrolovat v rozmezí 3 %, což je vynikající úroveň mezi mezinárodními podobnými zařízeními. Křivka dopingové koncentrace epitaxní vrstvy je rozložena ve tvaru "W" podél směru průměru, který je dán hlavně průtokovým polem horizontální horkostěnné epitaxní pece, protože směr proudění vzduchu horizontální vzduchové epitaxní růstové pece je od konec vstupu vzduchu (proti proudu) a vytéká z konce po proudu v laminárním proudění přes povrch plátku; protože rychlost "podélného vyčerpání" zdroje uhlíku (C2H4) je vyšší než u zdroje křemíku (TCS), když se plátek otáčí, skutečný C/Si na povrchu plátku postupně klesá od okraje k střed (zdroj uhlíku ve středu je menší), podle "teorie konkurenčních pozic" C a N se koncentrace dopingu ve středu destičky směrem k okraji postupně snižuje. Aby se dosáhlo vynikající stejnoměrnosti koncentrace, přidává se okraj N2 jako kompenzace během epitaxního procesu, aby se zpomalil pokles koncentrace dopingu od středu k okraji, takže konečná křivka koncentrace dopingu má tvar "W".

2.3 Defekty epitaxní vrstvy

Kromě tloušťky a koncentrace dopingu je úroveň kontroly defektů epitaxní vrstvy také klíčovým parametrem pro měření kvality epitaxních plátků a důležitým ukazatelem procesní schopnosti epitaxního zařízení. Ačkoli SBD a MOSFET mají různé požadavky na defekty, zjevnější defekty morfologie povrchu, jako jsou kapkové defekty, trojúhelníkové defekty, mrkvové defekty a defekty komet, jsou definovány jako zabijácké defekty pro zařízení SBD a MOSFET. Pravděpodobnost selhání čipů obsahujících tyto defekty je vysoká, takže kontrola počtu zabijáckých defektů je extrémně důležitá pro zlepšení výtěžnosti čipu a snížení nákladů. Obrázek 5 ukazuje rozložení zabijáckých defektů 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků. Za podmínky, že nedochází ke zjevné nerovnováze v poměru C/Si, lze v zásadě eliminovat vady mrkve a vady komet, zatímco vady kapky a vady trojúhelníku souvisejí s kontrolou čistoty během provozu epitaxního zařízení, úrovní nečistot grafitu části v reakční komoře a kvalitu substrátu. Z tabulky 2 můžeme vidět, že hustotu fatálních defektů 150 mm a 200 mm epitaxních plátků lze regulovat v rozmezí 0,3 částic/cm2, což je vynikající úroveň pro stejný typ zařízení. Úroveň kontroly hustoty fatálních defektů u 150 mm epitaxního plátku je lepší než u 200 mm epitaxního plátku. Důvodem je to, že proces přípravy 150 mm substrátu je vyzrálejší než proces 200 mm, kvalita substrátu je lepší a úroveň kontroly nečistot 150 mm grafitové reakční komory je lepší.

2.4 Drsnost povrchu epitaxního plátku

Obrázek 6 ukazuje snímky AFM povrchu 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků. Jak je vidět z obrázku, střední kvadratická drsnost povrchu Ra 150 mm a 200 mm epitaxních plátků je 0,129 nm, respektive 0,113 nm, a povrch epitaxní vrstvy je hladký, bez zjevného makrokrokového agregačního jevu, který ukazuje, že růst epitaxní vrstvy vždy zachovává režim stupňovitého průtoku během celého epitaxního procesu a nedochází k žádné stupňovité agregaci. Je vidět, že epitaxní vrstvu s hladkým povrchem lze získat na substrátech s nízkým úhlem 150 mm a 200 mm pomocí optimalizovaného procesu epitaxního růstu.

3. Závěry

150 mm a 200 mm homoepitaxiální destičky 4H-SiC byly úspěšně připraveny na domácích substrátech pomocí vlastního 200 mm zařízení pro epitaxní růst SiC a byl vyvinut homoepitaxiální proces vhodný pro 150 mm a 200 mm. Rychlost epitaxního růstu může být vyšší než 60 μm/h. Při splnění požadavku na vysokorychlostní epitaxi je kvalita epitaxního plátku vynikající. Rovnoměrnost tloušťky 150 mm a 200 mm SiC epitaxních plátků lze řídit v rozmezí 1,5 %, stejnoměrnost koncentrace je menší než 3 %, hustota fatálních defektů je menší než 0,3 částic/cm2 a střední kvadratická hodnota drsnosti epitaxního povrchu Ra je menší než 0,15 nm. Hlavní procesní indikátory epitaxních plátků jsou na pokročilé úrovni v průmyslu.

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

VeTek Semiconductor je profesionální čínský výrobceStrop potažený CVD SiC, CVD SiC povlakovací tryskaaVstupní kroužek povlaku SiC.  VeTek Semiconductor se zavazuje poskytovat pokročilá řešení pro různé produkty SiC Wafer pro polovodičový průmysl.

Pokud vás zajímá8palcová SiC epitaxní pec a homoepitaxní proces, neváhejte nás kontaktovat přímo.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com