8-palčna SiC epitaksialna peč in raziskava homoepitaksialnega procesa

Trenutno se industrija SiC spreminja s 150 mm (6 palcev) na 200 mm (8 palcev). Da bi zadostili nujnemu povpraševanju po velikih visokokakovostnih homoepitaksialnih rezinah SiC v industriji, so bile homoepitaksialne rezine 150 mm in 200 mm 4H-SiC uspešno pripravljene na domačih substratih z uporabo neodvisno razvite opreme za epitaksialno rast 200 mm SiC. Razvit je bil homoepitaksialni postopek, primeren za 150 mm in 200 mm, pri katerem je lahko epitaksialna hitrost rasti večja od 60 μm/h. Medtem ko ustreza hitri epitaksiji, je kakovost epitaksialnih rezin odlična. Enakomernost debeline 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin je mogoče nadzorovati znotraj 1,5 %, enakomernost koncentracije je manjša od 3 %, gostota smrtnih napak je manjša od 0,3 delcev/cm2, povprečna kvadratna vrednost hrapavosti epitaksialne površine Ra je manj kot 0,15 nm, vsi kazalniki osnovnega procesa pa so na napredni ravni industrije.

Silicijev karbid (SiC) je eden od predstavnikov polprevodniških materialov tretje generacije. Ima značilnosti visoke razgradne poljske jakosti, odlične toplotne prevodnosti, velike hitrosti odnašanja nasičenosti elektronov in močne odpornosti proti sevanju. Močno je razširil zmogljivost obdelave energije napajalnih naprav in lahko izpolni storitvene zahteve naslednje generacije močnostne elektronske opreme za naprave z veliko močjo, majhnostjo, visoko temperaturo, visokim sevanjem in drugimi ekstremnimi pogoji. Lahko zmanjša prostor, zmanjša porabo energije in zmanjša zahteve po hlajenju. Prinesel je revolucionarne spremembe v nova energetska vozila, železniški promet, pametna omrežja in druga področja. Zato so polprevodniki iz silicijevega karbida postali prepoznani kot idealen material, ki bo vodil naslednjo generacijo visokozmogljivih elektronskih naprav. V zadnjih letih so bili zaradi podpore nacionalne politike za razvoj polprevodniške industrije tretje generacije na Kitajskem v bistvu zaključeni raziskave, razvoj in izgradnja 150-mm SiC industrijskega sistema naprav, varnost industrijske verige pa je v osnovi zagotovljena. Zato se je fokus industrije postopoma preusmeril na nadzor stroškov in izboljšanje učinkovitosti. Kot je prikazano v tabeli 1, ima 200 mm SiC v primerjavi s 150 mm višjo stopnjo izkoriščenosti robov, proizvodnja čipov z enojno rezino pa se lahko poveča za približno 1,8-krat. Ko tehnologija dozori, se lahko proizvodni stroški enega samega čipa znižajo za 30 %. Tehnološki preboj 200 mm je neposredno sredstvo za "zmanjšanje stroškov in povečanje učinkovitosti", prav tako pa je ključno, da polprevodniška industrija moje države "teče vzporedno" ali celo "vodi".

Za razliko od postopka naprav Si so polprevodniške močnostne naprave SiC vse obdelane in pripravljene z epitaksialnimi plastmi kot temeljem. Epitaksialne rezine so bistveni osnovni materiali za napajalne naprave SiC. Kakovost epitaksialne plasti neposredno določa izkoristek naprave, njeni stroški pa predstavljajo 20 % stroškov izdelave čipa. Zato je epitaksialna rast bistvena vmesna povezava v močnostnih napravah SiC. Zgornjo mejo stopnje epitaksialnega postopka določa epitaksialna oprema. Trenutno je stopnja lokalizacije domače 150 mm SiC epitaksialne opreme razmeroma visoka, vendar splošna postavitev 200 mm hkrati zaostaja za mednarodno ravnjo. Zato, da bi rešili nujne potrebe in težave z ozkimi grli proizvodnje velikih, visokokakovostnih epitaksialnih materialov za razvoj domače polprevodniške industrije tretje generacije, ta članek predstavlja 200 mm SiC epitaksialno opremo, ki je bila uspešno razvita v moji državi, in proučuje epitaksialni proces. Z optimizacijo procesnih parametrov, kot so procesna temperatura, pretok nosilnega plina, razmerje C/Si itd., enakomernost koncentracije <3%, neenakomernost debeline <1,5%, hrapavost Ra <0,2 nm in gostota smrtnih napak <0,3 delcev /cm2 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin z lastno razvito 200 mm epitaksialno pečjo iz silicijevega karbida. Raven procesa opreme lahko zadovolji potrebe po visokokakovostni pripravi napajalne naprave SiC.

1 Poskusi

1.1 Princip epitaksialnega postopka SiC

Postopek homoepitaksialne rasti 4H-SiC v glavnem vključuje 2 ključna koraka, in sicer visokotemperaturno in situ jedkanje substrata 4H-SiC in postopek homogenega kemičnega naparjevanja. Glavni namen jedkanja substrata na kraju samem je odstraniti podpovršinsko poškodbo substrata po poliranju rezin, ostanke polirne tekočine, delcev in oksidne plasti, z jedkanjem pa se na površini substrata lahko oblikuje običajna atomska stopničasta struktura. Jedkanje na mestu se običajno izvaja v atmosferi vodika. Glede na dejanske zahteve postopka se lahko doda tudi majhna količina pomožnega plina, kot je vodikov klorid, propan, etilen ali silan. Temperatura jedkanja z vodikom in situ je na splošno nad 1600 ℃, tlak v reakcijski komori pa je med postopkom jedkanja na splošno nadzorovan pod 2 × 104 Pa.

Ko je površina substrata aktivirana z jedkanjem in situ, vstopi v postopek visokotemperaturnega nanašanja s kemično paro, to je vir rasti (kot je etilen/propan, TCS/silan), vir dopinga (vir n-tipa doping dušik , dopirni vir p-tipa TMAl) in pomožni plin, kot je vodikov klorid, se prenašata v reakcijsko komoro skozi velik tok nosilnega plina (običajno vodika). Ko plin reagira v visokotemperaturni reakcijski komori, del prekurzorja kemično reagira in se adsorbira na površini rezine, pri čemer nastane enokristalna homogena epitaksialna plast 4H-SiC s specifično koncentracijo dopinga, specifično debelino in višjo kakovostjo. na površini substrata z uporabo monokristalnega substrata 4H-SiC kot šablone. Po letih tehničnega raziskovanja je homoepitaksialna tehnologija 4H-SiC v bistvu dozorela in se široko uporablja v industrijski proizvodnji. Najpogosteje uporabljena homoepitaksialna tehnologija 4H-SiC na svetu ima dve značilni značilnosti: (1) uporabo substrata s poševnim rezanjem zunaj osi (glede na <0001> kristalno ravnino, v smeri <11-20> kristala). šablono, je visoko čista monokristalna 4H-SiC epitaksialna plast brez nečistoč nanesena na podlago v obliki stopenjskega načina rasti. Zgodnja homoepitaksialna rast 4H-SiC je za rast uporabljala pozitivni kristalni substrat, to je ravnino <0001> Si. Gostota atomskih stopnic na površini pozitivnega kristalnega substrata je nizka, terase pa široke. Med postopkom epitaksije se zlahka pojavi dvodimenzionalna rast nukleacije, da se tvori 3C kristal SiC (3C-SiC). Z rezanjem zunaj osi je mogoče na površino substrata 4H-SiC <0001> uvesti atomske korake visoke gostote z ozko terase širine in adsorbirani prekurzor lahko učinkovito doseže položaj atomskega koraka z relativno nizko površinsko energijo s površinsko difuzijo . Na stopnji je vezni položaj prekurzorskega atoma/molekularne skupine edinstven, tako da lahko v stopenjskem načinu rasti epitaksialna plast popolnoma podeduje zaporedje zlaganja dvojne atomske plasti Si-C substrata, da tvori enojni kristal z istim kristalom fazo kot substrat. (2) Hitra epitaksialna rast je dosežena z uvedbo vira silicija, ki vsebuje klor. V običajnih sistemih kemičnega naparjevanja SiC sta glavna vira rasti silan in propan (ali etilen). V procesu povečanja stopnje rasti s povečanjem stopnje pretoka vira rasti, ko se ravnovesni parcialni tlak silicijeve komponente še naprej povečuje, je enostavno oblikovati silicijeve grozde s homogeno nukleacijo plinske faze, kar znatno zmanjša stopnjo izkoriščenosti vir silicija. Tvorba silicijevih grozdov močno omejuje izboljšanje epitaksialne stopnje rasti. Hkrati lahko silicijevi grozdi motijo ​​​​rast stopenjskega toka in povzročijo nukleacijo napak. Da bi se izognili homogeni nukleaciji plinske faze in povečali epitaksialno stopnjo rasti, je uvedba virov silicija na osnovi klora trenutno glavna metoda za povečanje epitaksialne stopnje rasti 4H-SiC.

1.2 200 mm (8-palčna) SiC epitaksialna oprema in procesni pogoji

Vsi poskusi, opisani v tem dokumentu, so bili izvedeni na 150/200 mm (6/8-palčni) združljivi monolitni horizontalni vroče stenski SiC epitaksialni opremi, ki jo je neodvisno razvil 48. inštitut Kitajske Electronics Technology Group Corporation. Epitaksialna peč podpira popolnoma samodejno polnjenje in praznjenje rezin. Slika 1 je shematski diagram notranje strukture reakcijske komore epitaksialne opreme. Kot je prikazano na sliki 1, je zunanja stena reakcijske komore kremenčev zvon z vodno hlajenim vmesnim slojem, notranjost zvona pa je visokotemperaturna reakcijska komora, ki je sestavljena iz toplotnoizolacijskega ogljikovega filca visoke čistosti. posebna grafitna votlina, grafitno plinsko lebdeča vrtljiva osnova itd. Celoten kvarčni zvon je prekrit s cilindrično indukcijsko tuljavo, reakcijska komora znotraj zvona pa je elektromagnetno ogrevana s srednjefrekvenčnim indukcijskim virom energije. Kot je prikazano na sliki 1 (b), tečejo nosilni plin, reakcijski plin in dopirni plin skozi površino rezine v vodoravnem laminarnem toku od zgornjega toka reakcijske komore do spodnjega dela reakcijske komore in se odvajajo iz repa plinski konec. Da bi zagotovili konsistenco v rezini, se rezina, ki jo nosi zračna lebdeča podlaga, med postopkom vedno vrti.

Substrat, uporabljen v poskusu, je komercialni 150 mm, 200 mm (6 palcev, 8 palcev) <1120> smeri 4° izven kota prevodnega n-tipa 4H-SiC dvostransko poliranega SiC substrata, ki ga proizvaja Shanxi Shuoke Crystal. Triklorosilan (SiHCl3, TCS) in etilen (C2H4) sta uporabljena kot glavna vira rasti v procesnem poskusu, med katerimi sta TCS in C2H4 uporabljena kot vir silicija oziroma vir ogljika, dušik visoke čistosti (N2) pa je uporabljen kot n- vir dopinga, vodik (H2) pa se uporablja kot plin za redčenje in nosilni plin. Temperaturno območje epitaksialnega procesa je 1 600 ~ 1 660 ℃, procesni tlak je 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, hitrost pretoka nosilnega plina H2 pa je 100 ~ 140 L/min.

1.3 Testiranje in karakterizacija epitaksialnih rezin

Fourierjev infrardeči spektrometer (proizvajalec opreme Thermalfisher, model iS50) in merilnik koncentracije živega srebra (proizvajalec opreme Semilab, model 530L) sta bila uporabljena za karakterizacijo srednje vrednosti in porazdelitve debeline epitaksialne plasti in koncentracije dopinga; debelina in koncentracija dopinga vsake točke v epitaksialni plasti sta bili določeni tako, da se vzamejo točke vzdolž črte premera, ki seka normalno črto glavnega referenčnega roba pri 45° v središču rezine s 5 mm odstranitvijo roba. Za 150 mm rezino je bilo vzetih 9 točk vzdolž ene premerne črte (dva premera sta bila pravokotna drug na drugega), za 200 mm rezino pa 21 točk, kot je prikazano na sliki 2. Mikroskop na atomsko silo (proizvajalec opreme) Bruker, model Dimension Icon) je bil uporabljen za izbiro območij velikosti 30 μm × 30 μm v osrednjem območju in območju robov (5 mm odstranitev robov) epitaksialne rezine za testiranje hrapavosti površine epitaksialne plasti; napake epitaksialne plasti so bile za karakterizacijo izmerjene s testerjem površinskih napak (proizvajalec opreme China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro).

2 Eksperimentalni rezultati in razprava

2.1 Debelina in enakomernost epitaksialne plasti

Debelina epitaksialne plasti, koncentracija dopinga in enakomernost so eden od ključnih kazalcev za presojo kakovosti epitaksialnih rezin. Natančno nadzorovana debelina, koncentracija dopinga in enakomernost znotraj rezine so ključnega pomena za zagotavljanje delovanja in konsistentnosti močnostnih naprav SiC, debelina epitaksialne plasti in enakomernost koncentracije dopinga pa sta tudi pomembni osnovi za merjenje procesne zmogljivosti epitaksialne opreme.

Slika 3 prikazuje enakomernost debeline in krivuljo porazdelitve 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin. Iz slike je razvidno, da je krivulja porazdelitve debeline epitaksialne plasti simetrična glede na središčno točko rezine. Čas epitaksialnega postopka je 600 s, povprečna debelina epitaksialne plasti 150 mm epitaksialne rezine je 10,89 μm, enakomernost debeline pa 1,05 %. Po izračunu je hitrost epitaksialne rasti 65,3 μm/h, kar je tipična raven hitrega epitaksialnega procesa. Pri istem času epitaksialnega postopka je debelina epitaksialne plasti 200 mm epitaksialne rezine 10,10 μm, enakomernost debeline je znotraj 1,36 %, skupna stopnja rasti pa 60,60 μm/h, kar je nekoliko nižje od 150 mm epitaksialne rasti. stopnja. To je zato, ker obstaja očitna izguba na poti, ko vir silicija in vir ogljika tečeta od zgornjega dela reakcijske komore skozi površino rezin do spodnjega dela reakcijske komore in je območje rezin 200 mm večje od 150 mm. Plin teče skozi površino 200 mm rezine na daljšo razdaljo, izvorni plin, porabljen na poti, pa je večji. Pod pogojem, da se rezina še naprej vrti, je skupna debelina epitaksialne plasti tanjša, zato je stopnja rasti počasnejša. Na splošno je enotnost debeline 150 mm in 200 mm epitaksialnih rezin odlična, procesna zmogljivost opreme pa lahko izpolni zahteve visokokakovostnih naprav.

2.2 Koncentracija in enakomernost dopinga epitaksialne plasti

Slika 4 prikazuje enakomernost koncentracije dopinga in porazdelitev krivulje 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin. Kot je razvidno iz slike, ima krivulja porazdelitve koncentracije na epitaksialni rezini očitno simetrijo glede na središče rezine. Enotnost koncentracije dopinga 150 mm in 200 mm epitaksialnih plasti je 2,80 % oziroma 2,66 %, kar je mogoče nadzorovati znotraj 3 %, kar je odlična raven med mednarodno podobno opremo. Krivulja koncentracije dopinga epitaksialne plasti je porazdeljena v obliki črke "W" vzdolž smeri premera, ki je v glavnem določena s poljem toka vodoravne epitaksialne peči z vročo steno, ker je smer zračnega toka vodoravne epitaksialne rastne peči z zračnim tokom od vstopnega konca zraka (navzgor) in izteka iz spodnjega konca v laminarnem toku skozi površino rezine; ker je stopnja "sproti izčrpavanja" vira ogljika (C2H4) višja kot stopnja vira silicija (TCS), ko se rezina vrti, se dejanski C/Si na površini rezine postopoma zmanjšuje od roba do središče (vir ogljika v središču je manjši), se po "teoriji konkurenčnega položaja" C in N koncentracija dopinga v središču rezine postopoma zmanjšuje proti robu. Da bi dosegli odlično enakomernost koncentracije, je rob N2 dodan kot kompenzacija med epitaksialnim postopkom, da se upočasni zmanjševanje koncentracije dopinga od središča proti robu, tako da ima končna krivulja koncentracije dopinga obliko "W".

2.3 Napake epitaksialne plasti

Poleg debeline in koncentracije dopinga je stopnja nadzora napak epitaksialne plasti tudi ključni parameter za merjenje kakovosti epitaksialnih rezin in pomemben pokazatelj procesne zmogljivosti epitaksialne opreme. Čeprav imata SBD in MOSFET različne zahteve glede napak, so bolj očitne napake površinske morfologije, kot so napake padca, napake trikotnika, napake korenčka in napake kometa, opredeljene kot ubijalske napake za naprave SBD in MOSFET. Verjetnost okvare čipov, ki vsebujejo te napake, je velika, zato je nadzor nad številom uničevalnih napak izjemno pomemben za izboljšanje izkoristka čipov in zmanjšanje stroškov. Slika 5 prikazuje porazdelitev uničevalnih napak 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin. Pod pogojem, da ni očitnega neravnovesja v razmerju C/Si, je mogoče v bistvu odpraviti napake korenčka in kometne napake, medtem ko so napake pri padcu in trikotne napake povezane s kontrolo čistosti med delovanjem epitaksialne opreme, stopnjo nečistoče grafita deli v reakcijski komori in kakovost substrata. Iz tabele 2 lahko vidimo, da je mogoče nadzorovati gostoto smrtnih napak pri epitaksialnih rezinah 150 mm in 200 mm znotraj 0,3 delcev/cm2, kar je odlična raven za isto vrsto opreme. Raven nadzora gostote usodnih napak pri 150 mm epitaksialni rezini je boljša kot pri 200 mm epitaksialni rezini. To je zato, ker je postopek priprave substrata 150 mm zrelejši od postopka priprave 200 mm, kakovost substrata je boljša in stopnja nadzora nečistoč 150 mm grafitne reakcijske komore je boljša.

2.4 Hrapavost površine epitaksialne rezine

Slika 6 prikazuje AFM slike površine 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin. Kot je razvidno iz slike, je povprečna kvadratna hrapavost površine Ra epitaksialnih rezin 150 mm in 200 mm 0,129 nm oziroma 0,113 nm, površina epitaksialne plasti pa je gladka, brez očitnega pojava agregacije v makro korakih, ki kaže, da rast epitaksialne plasti vedno ohranja način rasti stopenjskega toka med celotnim epitaksialnim procesom in ne pride do stopenjske agregacije. Vidimo lahko, da je epitaksialno plast z gladko površino mogoče dobiti na 150 mm in 200 mm podlagah z majhnim kotom z uporabo optimiziranega postopka epitaksialne rasti.

3. Sklepi

150 mm in 200 mm 4H-SiC homoepitaksialne rezine so bile uspešno pripravljene na domačih podlagah z uporabo lastnorazvite 200 mm SiC epitaksialne rastne opreme in razvit je bil homoepitaksialni postopek, primeren za 150 mm in 200 mm. Hitrost epitaksialne rasti je lahko večja od 60 μm/h. Medtem ko izpolnjuje zahteve po hitri epitaksiji, je kakovost epitaksialnih rezin odlična. Enakomernost debeline 150 mm in 200 mm SiC epitaksialnih rezin je mogoče nadzorovati znotraj 1,5 %, enakomernost koncentracije je manjša od 3 %, gostota smrtnih napak je manjša od 0,3 delcev/cm2, povprečna kvadratna vrednost hrapavosti epitaksialne površine Ra je manj kot 0,15 nm. Osnovni procesni kazalniki epitaksialnih rezin so na napredni ravni v industriji.

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

VeTek Semiconductor je profesionalni kitajski proizvajalecStrop s prevleko iz CVD SiC, Šoba za prevleko CVD SiC, inVhodni obroč s prevleko SiC.  VeTek Semiconductor je zavezan zagotavljanju naprednih rešitev za različne izdelke SiC Wafer za industrijo polprevodnikov.

Če vas zanima8-palčna SiC epitaksialna peč in homoepitaksialni postopek, se obrnite neposredno na nas.

Mob.: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-pošta: anny@veteksemi.com