8-инчова SiC епитаксиална пещ и изследване на хомоепитаксиален процес

В момента индустрията на SiC се трансформира от 150 mm (6 инча) на 200 mm (8 инча). За да се отговори на спешното търсене на големи, висококачествени SiC хомоепитаксиални пластини в индустрията, 150 mm и 200 mm 4H-SiC хомоепитаксиални пластини бяха успешно подготвени върху домашни субстрати с помощта на независимо разработеното 200 mm SiC епитаксиално оборудване за растеж. Разработен е хомоепитаксиален процес, подходящ за 150 mm и 200 mm, при който скоростта на епитаксиален растеж може да бъде по-голяма от 60 μm/h. Докато отговаря на високоскоростната епитаксия, качеството на епитаксиалната пластина е отлично. Еднаквостта на дебелината на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини може да се контролира в рамките на 1,5%, еднородността на концентрацията е по-малка от 3%, фаталната плътност на дефекта е по-малка от 0,3 частици/cm2, а епитаксиалната грапавост на повърхността е средно квадратна Ra е по-малко от 0,15 nm и всички основни показатели на процеса са на напредналото ниво на индустрията.

Силициевият карбид (SiC) е един от представителите на полупроводниковите материали от трето поколение. Той има характеристиките на висока сила на пробивното поле, отлична топлопроводимост, голяма скорост на дрейф на насищане на електрони и силна устойчивост на радиация. Той значително разшири капацитета за обработка на енергия на силови устройства и може да отговори на изискванията за обслужване на следващото поколение силови електронни устройства за устройства с висока мощност, малък размер, висока температура, висока радиация и други екстремни условия. Може да намали пространството, консумацията на енергия и изискванията за охлаждане. Той донесе революционни промени в новите енергийни превозни средства, железопътния транспорт, интелигентните мрежи и други области. Следователно полупроводниците от силициев карбид са признати за идеалния материал, който ще доведе до следващото поколение мощни електронни устройства с висока мощност. През последните години, благодарение на подкрепата на националната политика за развитието на полупроводниковата индустрия от трето поколение, научноизследователската и развойна дейност и изграждането на 150 mm SiC система за индустрията на устройствата бяха основно завършени в Китай и сигурността на индустриалната верига е е основно гарантирано. Поради това фокусът на индустрията постепенно се измества към контрол на разходите и подобряване на ефективността. Както е показано в таблица 1, в сравнение със 150 mm, 200 mm SiC има по-висока степен на използване на ръба и изходът на единични пластинови чипове може да се увеличи с около 1,8 пъти. След като технологията узрее, производствените разходи за един чип могат да бъдат намалени с 30%. Технологичният пробив от 200 mm е пряко средство за „намаляване на разходите и повишаване на ефективността“ и също така е ключът за полупроводниковата индустрия в моята страна да „работи паралелно“ или дори да „води“.

За разлика от процеса на Si устройство, SiC полупроводниковите силови устройства се обработват и подготвят с епитаксиални слоеве като крайъгълен камък. Епитаксиалните пластини са основни основни материали за SiC захранващи устройства. Качеството на епитаксиалния слой пряко определя добива на устройството, а цената му възлиза на 20% от разходите за производство на чипа. Следователно, епитаксиалният растеж е съществена междинна връзка в захранващите устройства на SiC. Горната граница на нивото на епитаксиалния процес се определя от епитаксиалното оборудване. Понастоящем степента на локализация на вътрешното 150 mm SiC епитаксиално оборудване е относително висока, но цялостното оформление от 200 mm изостава от международното ниво в същото време. Ето защо, за да се решат спешните нужди и проблемите с тесните места на производството на епитаксиални материали с голям размер, високо качество за развитието на вътрешната полупроводникова индустрия от трето поколение, тази статия представя 200 mm SiC епитаксиално оборудване, успешно разработено в моята страна, и изучава епитаксиалния процес. Чрез оптимизиране на параметрите на процеса като температура на процеса, скорост на потока на газ-носител, съотношение C/Si и др., еднородността на концентрацията <3%, неравномерността на дебелината <1,5%, грапавостта Ra <0,2 nm и плътността на фаталните дефекти <0,3 частици /cm2 от 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини със собственоразработена 200 mm силициево-карбидна епитаксиална пещ са получени. Нивото на процеса на оборудване може да отговори на нуждите от висококачествена подготовка на захранващо устройство от SiC.

1 Експерименти

1.1 Принцип на епитаксиалния процес на SiC

Процесът на хомоепитаксиален растеж на 4H-SiC включва главно 2 ключови стъпки, а именно високотемпературно ецване на място на 4H-SiC субстрат и хомогенен процес на химическо отлагане на пари. Основната цел на ецването на субстрата на място е да се отстранят подповърхностните повреди на субстрата след полиране на пластини, остатъчна полираща течност, частици и оксиден слой и чрез ецване върху повърхността на субстрата може да се образува правилна атомна стъпкова структура. Офортването на място обикновено се извършва във водородна атмосфера. Според действителните изисквания на процеса може да се добави и малко количество спомагателен газ, като хлороводород, пропан, етилен или силан. Температурата на in situ водородно ецване обикновено е над 1 600 ℃, а налягането в реакционната камера обикновено се контролира под 2 × 104 Pa по време на процеса на ецване.

След като повърхността на субстрата се активира чрез ецване на място, тя навлиза в процеса на високотемпературно химическо отлагане на пари, тоест източникът на растеж (като етилен/пропан, TCS/силан), допинг източник (n-тип допинг източник азот , p-тип източник на допинг TMAl), и спомагателен газ като хлороводород се транспортират до реакционната камера чрез голям поток от носещ газ (обикновено водород). След като газът реагира във високотемпературната реакционна камера, част от прекурсора реагира химически и се адсорбира върху повърхността на вафлата и се образува монокристален хомогенен 4H-SiC епитаксиален слой със специфична концентрация на допинг, специфична дебелина и по-високо качество върху повърхността на субстрата, използвайки монокристалния 4H-SiC субстрат като шаблон. След години на техническо изследване, 4H-SiC хомоепитаксиалната технология е основно узряла и се използва широко в индустриалното производство. Най-широко използваната 4H-SiC хомоепитаксиална технология в света има две типични характеристики: (1) Използване на субстрат извън оста (по отношение на <0001> кристалната равнина, към <11-20> посоката на кристала) косо изрязан субстрат като шаблон, монокристален 4H-SiC епитаксиален слой с висока чистота без примеси се отлага върху субстрата под формата на режим на растеж на стъпков поток. Ранният хомоепитаксиален растеж на 4H-SiC използва положителен кристален субстрат, тоест <0001> Si равнината за растеж. Плътността на атомните стъпала на повърхността на положителния кристален субстрат е ниска и терасите са широки. Двуизмерният нуклеационен растеж е лесен за възникване по време на процеса на епитаксия, за да се образува 3C кристал SiC (3C-SiC). Чрез рязане извън оста, атомни стъпала с висока плътност и ширина на тясна тераса могат да бъдат въведени на повърхността на 4H-SiC <0001> субстрата и адсорбираният прекурсор може ефективно да достигне позицията на атомното стъпало с относително ниска повърхностна енергия чрез повърхностна дифузия . На етапа позицията на свързване на прекурсорния атом/молекулна група е уникална, така че в режима на нарастване на стъпковия поток епитаксиалният слой може перфектно да наследи последователността на подреждане на двоен атомен слой Si-C на субстрата, за да образува единичен кристал със същия кристал фаза като субстрат. (2) Високоскоростен епитаксиален растеж се постига чрез въвеждане на източник на силиций, съдържащ хлор. В конвенционалните системи за химическо отлагане на SiC, силанът и пропанът (или етиленът) са основните източници на растеж. В процеса на увеличаване на скоростта на растеж чрез увеличаване на скоростта на потока на източника на растеж, тъй като равновесното парциално налягане на силициевия компонент продължава да се увеличава, е лесно да се образуват силициеви клъстери чрез хомогенно образуване на газова фаза, което значително намалява степента на използване на източник на силиций. Образуването на силициеви клъстери значително ограничава подобряването на скоростта на епитаксиален растеж. В същото време силициевите клъстери могат да нарушат растежа на стъпковия поток и да причинят зараждане на дефекти. За да се избегне хомогенна нуклеация на газова фаза и да се увеличи скоростта на епитаксиален растеж, въвеждането на източници на силиций на основата на хлор в момента е основният метод за увеличаване на скоростта на епитаксиален растеж на 4H-SiC.

1.2 200 мм (8 инча) SiC епитаксиално оборудване и условия на процеса

Всички експерименти, описани в тази статия, бяха проведени на 150/200 mm (6/8-инча) съвместимо монолитно хоризонтално горещо стено SiC епитаксиално оборудване, независимо разработено от 48-ия институт на China Electronics Technology Group Corporation. Епитаксиалната пещ поддържа напълно автоматично зареждане и разтоварване на пластини. Фигура 1 е схематична диаграма на вътрешната структура на реакционната камера на епитаксиалното оборудване. Както е показано на фигура 1, външната стена на реакционната камера е кварцова камбана с водно охлаждан междинен слой, а вътрешността на камбаната е високотемпературна реакционна камера, която е съставена от термоизолационен въглероден филц с висока чистота специална графитна кухина, плаваща въртяща се основа с графитен газ и т.н. Цялата кварцова камбана е покрита с цилиндрична индукционна намотка, а реакционната камера вътре в камбаната се нагрява електромагнитно от средночестотно индукционно захранване. Както е показано на фигура 1 (b), газът носител, реакционният газ и газът за добавка протичат през повърхността на пластината в хоризонтален ламинарен поток от горната част на реакционната камера към долната част на реакционната камера и се изпускат от опашката газов край. За да се осигури консистенция във вафлата, вафлата, носена от въздушната плаваща основа, винаги се върти по време на процеса.

Субстратът, използван в експеримента, е комерсиален 150 mm, 200 mm (6 инча, 8 инча) <1120> посока 4° извън ъгъл проводящ n-тип 4H-SiC двустранно полиран SiC субстрат, произведен от Shanxi Shuoke Crystal. Трихлоросилан (SiHCl3, TCS) и етилен (C2H4) се използват като основни източници на растеж в експеримента на процеса, сред които TCS и C2H4 се използват съответно като източник на силиций и източник на въглерод, азот с висока чистота (N2) се използва като n- тип източник на допинг, а водородът (H2) се използва като газ за разреждане и газ носител. Температурният диапазон на епитаксиалния процес е 1 600 ~ 1 660 ℃, налягането на процеса е 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, а скоростта на потока на носещия газ H2 е 100 ~ 140 L/min.

1.3 Тестване и характеризиране на епитаксиална пластина

Инфрачервен спектрометър на Фурие (производител на оборудване Thermalfisher, модел iS50) и тестер за концентрация на живачна сонда (производител на оборудване Semilab, модел 530L) бяха използвани за характеризиране на средната стойност и разпределението на дебелината на епитаксиалния слой и концентрацията на допинг; дебелината и концентрацията на допинг на всяка точка в епитаксиалния слой бяха определени чрез вземане на точки по линията на диаметъра, пресичаща нормалната линия на основния референтен ръб при 45° в центъра на пластината с 5 mm отстраняване на ръба. За пластина от 150 mm бяха взети 9 точки по една линия с диаметър (два диаметъра бяха перпендикулярни един на друг), а за пластина от 200 mm бяха взети 21 точки, както е показано на Фигура 2. Атомно-силов микроскоп (производител на оборудването Bruker, модел Dimension Icon) се използва за избиране на 30 μm × 30 μm области в централната зона и зоната на ръба (5 mm отстраняване на ръба) на епитаксиалната пластина, за да се тества повърхностната грапавост на епитаксиалния слой; дефектите на епитаксиалния слой бяха измерени с помощта на тестер за повърхностни дефекти (производител на оборудване China Electronics Kefenghua, модел Mars 4410 pro) за характеризиране.

2 Експериментални резултати и дискусия

2.1 Дебелина и еднородност на епитаксиалния слой

Дебелината на епитаксиалния слой, концентрацията на допинг и еднородността са едни от основните показатели за оценка на качеството на епитаксиалните пластини. Прецизно контролируемата дебелина, концентрацията на допинг и еднородността в пластината са ключът към осигуряването на производителност и последователност на SiC захранващите устройства, а дебелината на епитаксиалния слой и еднородността на концентрацията на допинг също са важни основи за измерване на способността на процеса на епитаксиалното оборудване.

Фигура 3 показва равномерността на дебелината и кривата на разпределение на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини. От фигурата може да се види, че кривата на разпределение на дебелината на епитаксиалния слой е симетрична спрямо централната точка на пластината. Времето на епитаксиалния процес е 600 s, средната дебелина на епитаксиалния слой на 150 mm епитаксиална пластина е 10,89 μm, а равномерността на дебелината е 1,05%. Чрез изчисление скоростта на епитаксиален растеж е 65,3 μm/h, което е типично ниво на бърз епитаксиален процес. При същото време на епитаксиален процес, дебелината на епитаксиалния слой на 200 mm епитаксиална пластина е 10,10 μm, равномерността на дебелината е в рамките на 1,36%, а общата скорост на растеж е 60,60 μm/h, което е малко по-ниско от 150 mm епитаксиален растеж скорост. Това е така, защото има очевидна загуба по пътя, когато източникът на силиций и източникът на въглерод протичат от горната част на реакционната камера през повърхността на пластината към долната част на реакционната камера, а площта на пластината от 200 mm е по-голяма от 150 mm. Газът тече през повърхността на 200 mm пластина за по-дълго разстояние, а изходният газ, изразходван по пътя, е повече. При условие, че пластината продължава да се върти, общата дебелина на епитаксиалния слой е по-тънка, така че скоростта на растеж е по-бавна. Като цяло, еднаквостта на дебелината на епитаксиалните пластини от 150 mm и 200 mm е отлична и способността за обработка на оборудването може да отговори на изискванията на висококачествени устройства.

2.2 Концентрация и еднородност на легиране на епитаксиален слой

Фигура 4 показва равномерността на концентрацията на допинг и разпределението на кривата на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини. Както може да се види от фигурата, кривата на разпределение на концентрацията върху епитаксиалната пластина има очевидна симетрия спрямо центъра на пластината. Еднородността на концентрацията на допинг на епитаксиалните слоеве от 150 mm и 200 mm е съответно 2,80% и 2,66%, което може да се контролира в рамките на 3%, което е отлично ниво сред подобно международно оборудване. Кривата на концентрация на допинг на епитаксиалния слой е разпределена във форма "W" по посока на диаметъра, което се определя главно от полето на потока на епитаксиалната пещ с хоризонтална гореща стена, тъй като посоката на въздушния поток на пещта за епитаксиален растеж на хоризонталния въздушен поток е от края на входа за въздух (нагоре) и изтича от края надолу по течението в ламинарен поток през повърхността на вафлата; тъй като скоростта на "изчерпване по пътя" на източника на въглерод (C2H4) е по-висока от тази на източника на силиций (TCS), когато пластината се върти, действителното C/Si на повърхността на пластината постепенно намалява от ръба до центъра (източникът на въглерод в центъра е по-малък), според "теорията на конкурентната позиция" на C и N, концентрацията на допинг в центъра на пластината постепенно намалява към ръба. За да се получи отлична еднородност на концентрацията, ръбът N2 се добавя като компенсация по време на епитаксиалния процес, за да се забави намаляването на концентрацията на допинг от центъра към ръба, така че крайната крива на концентрация на допинг да има "W" форма.

2.3 Дефекти на епитаксиалния слой

В допълнение към дебелината и концентрацията на допинг, нивото на контрол на дефектите на епитаксиалния слой също е основен параметър за измерване на качеството на епитаксиалните пластини и важен показател за способността на процеса на епитаксиалното оборудване. Въпреки че SBD и MOSFET имат различни изисквания за дефекти, по-очевидните дефекти на морфологията на повърхността като капкови дефекти, триъгълни дефекти, дефекти на моркова и кометни дефекти се определят като убийствени дефекти за SBD и MOSFET устройства. Вероятността от повреда на чипове, съдържащи тези дефекти, е висока, така че контролирането на броя на дефектите убийци е изключително важно за подобряване на добива на чипове и намаляване на разходите. Фигура 5 показва разпределението на убийствените дефекти на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини. При условие, че няма очевиден дисбаланс в съотношението C/Si, дефектите на моркова и кометните дефекти могат да бъдат основно елиминирани, докато дефектите на капки и триъгълните дефекти са свързани с контрола на чистотата по време на работа на епитаксиалното оборудване, нивото на примеси на графита части в реакционната камера и качеството на субстрата. От таблица 2 можем да видим, че плътността на фаталните дефекти на епитаксиални пластини от 150 mm и 200 mm може да се контролира в рамките на 0,3 частици/cm2, което е отлично ниво за същия тип оборудване. Нивото на контрол на плътността на фаталните дефекти на 150 mm епитаксиална пластина е по-добро от това на 200 mm епитаксиална пластина. Това е така, защото процесът на подготовка на 150 mm субстрат е по-зрял от този на 200 mm, качеството на субстрата е по-добро и нивото на контрол на примесите в 150 mm графитна реакционна камера е по-добро.

2.4 Грапавост на повърхността на епитаксиална пластина

Фигура 6 показва AFM изображения на повърхността на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини. Както може да се види от фигурата, повърхностната средноквадратична грапавост Ra на 150 mm и 200 mm епитаксиални пластини е съответно 0,129 nm и 0,113 nm, а повърхността на епитаксиалния слой е гладка, без очевиден феномен на агрегиране на макростъпка, който показва, че растежът на епитаксиалния слой винаги поддържа режима на растеж на стъпковия поток по време на целия епитаксиален процес и не настъпва стъпково агрегиране. Може да се види, че епитаксиалният слой с гладка повърхност може да бъде получен върху 150 mm и 200 mm субстрати с нисък ъгъл чрез използване на оптимизиран процес на епитаксиален растеж.

3. Изводи

150 mm и 200 mm 4H-SiC хомоепитаксиални пластини бяха успешно приготвени върху домашни субстрати с помощта на самостоятелно разработеното 200 mm SiC епитаксиално оборудване за растеж и беше разработен хомоепитаксиален процес, подходящ за 150 mm и 200 mm. Скоростта на епитаксиален растеж може да бъде по-голяма от 60 μm/h. Докато отговаря на изискването за високоскоростна епитаксия, качеството на епитаксиалната пластина е отлично. Еднаквостта на дебелината на 150 mm и 200 mm SiC епитаксиални пластини може да се контролира в рамките на 1,5%, еднородността на концентрацията е по-малка от 3%, фаталната плътност на дефекта е по-малка от 0,3 частици/cm2, а епитаксиалната грапавост на повърхността е средно квадратна Ra е по-малко от 0,15 nm. Основните показатели на процеса на епитаксиалните пластини са на най-високото ниво в индустрията.

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

VeTek Semiconductor е професионален китайски производител наТаван с CVD SiC покритие, Дюза за CVD SiC покритие, иВходен пръстен със SiC покритие.  VeTek Semiconductor се ангажира да предоставя усъвършенствани решения за различни SiC Wafer продукти за полупроводниковата индустрия.

Ако се интересувате от8-инчова SiC епитаксиална пещ и хомоепитаксиален процес, моля не се колебайте да се свържете директно с нас.

Моб.: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

Имейл: anny@veteksemi.com