8-tollise SiC epitaksiaalse ahju ja homoepitaksiaalse protsessi uurimine

Praegu on ränikarbiidi tööstus muutumas 150 mm (6 tolli) asemel 200 mm (8 tolli). Et rahuldada tööstuses kiireloomulist nõudlust suurte ja kvaliteetsete SiC homoepitaksiaalsete vahvlite järele, valmistati kodumaistel aluspindadel edukalt 150 mm ja 200 mm 4H-SiC homoepitaksiaalvahvlid, kasutades iseseisvalt välja töötatud 200 mm SiC epitaksiaalset kasvuseadet. Töötati välja 150 mm ja 200 mm jaoks sobiv homoepitaksiaalne protsess, mille puhul epitaksiaalne kasvukiirus võib olla suurem kui 60 μm/h. Kiire epitaksiaga vastamisel on epitaksiaalse vahvli kvaliteet suurepärane. 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalvahvlite paksuse ühtlust saab reguleerida 1,5% piires, kontsentratsiooni ühtlus on alla 3%, surmava defekti tihedus on alla 0,3 osakese/cm2 ja epitaksiaalse pinna kareduse ruutkeskmine Ra on alla 0,15 nm ja kõik põhiprotsessi indikaatorid on tööstuse kõrgtasemel.

Ränikarbiid (SiC) on üks kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide esindajatest. Sellel on kõrge läbilöögivälja tugevus, suurepärane soojusjuhtivus, suur elektronide küllastumise triivikiirus ja tugev kiirgustakistus. See on oluliselt laiendanud toiteseadmete energiatöötlusvõimsust ja suudab vastata järgmise põlvkonna jõuelektroonikaseadmete teenindusnõuetele suure võimsusega, väikese suurusega, kõrge temperatuuri, kõrge kiirguse ja muude äärmuslike tingimustega seadmete jaoks. See võib vähendada ruumi, vähendada energiatarbimist ja vähendada jahutusvajadust. See on toonud kaasa revolutsioonilised muudatused uutes energiasõidukites, raudteetranspordis, arukates võrkudes ja muudes valdkondades. Seetõttu on ränikarbiidist pooljuhte tunnustatud ideaalse materjalina, mis juhib järgmise põlvkonna suure võimsusega elektroonikaseadmeid. Viimastel aastatel on tänu riiklikule poliitilisele toetusele kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstuse arendamiseks Hiinas põhimõtteliselt lõppenud 150 mm ränikarbiidi seadmete tööstussüsteemi uurimis- ja arendustegevus ning ehitus ning tööstusketi turvalisus on põhimõtteliselt garanteeritud. Seetõttu on tööstuse fookus järk-järgult nihkunud kulude kontrollile ja tõhususe parandamisele. Nagu on näidatud tabelis 1, on 200 mm SiC-ga võrreldes 150 mm-ga kõrgem servakasutusaste ja üksikute vahvlikiipide toodangut saab suurendada umbes 1,8 korda. Pärast tehnoloogia küpsemist saab ühe kiibi tootmiskulusid vähendada 30%. 200 mm tehnoloogiline läbimurre on otsene vahend "kulude vähendamiseks ja tõhususe suurendamiseks" ning see on ka minu kodumaa pooljuhtide tööstuse võti "paralleelseks" või isegi "juhtimiseks".

Erinevalt Si-seadmete protsessist töödeldakse ja valmistatakse kõik SiC pooljuhttoiteseadmed, mille nurgakiviks on epitaksiaalsed kihid. Epitaksiaalplaadid on ränidioksiidi toiteseadmete olulised põhimaterjalid. Epitaksiaalse kihi kvaliteet määrab otseselt seadme tootlikkuse ja selle maksumus moodustab 20% kiibi tootmiskuludest. Seetõttu on epitaksiaalne kasv SiC toiteseadmete oluline vahelüli. Epitaksiaalse protsessi taseme ülempiir määratakse epitaksiaalseadmetega. Praegu on kodumaiste 150 mm SiC epitaksiaalseadmete lokaliseerimisaste suhteliselt kõrge, kuid üldine paigutus 200 mm jääb samal ajal rahvusvahelisest tasemest maha. Seetõttu tutvustatakse selles artiklis kodumaise kolmanda põlvkonna pooljuhtide tööstuse arendamiseks mõeldud suurte ja kvaliteetsete epitaksiaalmaterjalide tootmise pakiliste vajaduste ja kitsaskohtade lahendamiseks minu riigis edukalt välja töötatud 200 mm SiC epitaksiaalseadmeid, ja uurib epitaksiaalset protsessi. Optimeerides protsessi parameetreid, nagu protsessi temperatuur, kandegaasi voolukiirus, C/Si suhe jne, kontsentratsiooni ühtlus <3%, paksuse ebaühtlus <1,5%, karedus Ra <0,2 nm ja surmava defekti tihedus <0,3 osakest /cm2 saadakse 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalvahvlid koos isearendatud 200 mm ränikarbiidi epitaksiaalahjuga. Seadmete protsessitase suudab rahuldada kvaliteetse SiC toiteseadme ettevalmistamise vajadusi.

1 Katsed

1.1 SiC epitaksiaalse protsessi põhimõte

4H-SiC homoepitaksiaalne kasvuprotsess sisaldab peamiselt kahte peamist etappi, nimelt 4H-SiC substraadi in situ söövitamist kõrgel temperatuuril ja homogeenset keemilist aurustamise-sadestamise protsessi. Substraadi in situ söövitamise põhieesmärk on eemaldada pärast vahvli poleerimist aluspinna kahjustused, poleerimisvedeliku jäägid, osakesed ja oksiidikiht ning söövitamise teel saab substraadi pinnale moodustada korrapärase aatomiastmelise struktuuri. In situ söövitamine toimub tavaliselt vesiniku atmosfääris. Vastavalt tegelikele protsessinõuetele võib lisada ka väikese koguse abigaasi, näiteks vesinikkloriidi, propaani, etüleeni või silaani. In situ vesiniku söövitamise temperatuur on üldiselt üle 1 600 ℃ ja reaktsioonikambri rõhku reguleeritakse söövitusprotsessi ajal tavaliselt alla 2 × 104 Pa.

Pärast substraadi pinna aktiveerimist in situ söövitamise teel siseneb see kõrge temperatuuriga keemilise aurustamise-sadestamise protsessi, st kasvuallikasse (nagu etüleen/propaan, TCS/silaan), dopinguallikasse (n-tüüpi dopinguallika lämmastik). , p-tüüpi dopinguallikas TMAl) ja abigaas, nagu vesinikkloriid, transporditakse reaktsioonikambrisse läbi suure kandegaasi (tavaliselt vesiniku) voolu. Pärast gaasi reageerimist kõrge temperatuuriga reaktsioonikambris reageerib osa lähteainest keemiliselt ja adsorbeerub vahvli pinnal ning moodustub ühekristalliline homogeenne 4H-SiC epitaksiaalkiht, millel on spetsiifiline dopingukontsentratsioon, eripaksus ja kõrgem kvaliteet. substraadi pinnale, kasutades mallina ühekristallilist 4H-SiC substraati. Pärast aastatepikkust tehnilist uurimist on 4H-SiC homoepitaksiaaltehnoloogia põhimõtteliselt küpsenud ja seda kasutatakse laialdaselt tööstuslikus tootmises. Maailmas kõige laialdasemalt kasutataval 4H-SiC homoepitaksiaalsel tehnoloogial on kaks tüüpilist omadust: (1) teljevälise (kristallitasandi <0001> suhtes, kristalli suuna <11-20> suunas) kasutamine kaldu lõigatud substraadina. malli, sadestatakse substraadile astmelise voolu kasvurežiimi kujul kõrge puhtusastmega ühekristalliline 4H-SiC epitaksiaalne kiht ilma lisanditeta. Varajane 4H-SiC homoepitaksiaalne kasv kasutas kasvuks positiivset kristallsubstraati, st <0001> Si tasapinda. Aatomiastmete tihedus positiivse kristallsubstraadi pinnal on madal ja terrassid laiad. Kahemõõtmeline tuumade moodustumine on epitaksiprotsessi käigus lihtne, et moodustada 3C-kristalli SiC (3C-SiC). Teljevälise lõikamise teel saab 4H-SiC <0001> substraadi pinnale viia suure tihedusega kitsa terrassi laiusega aatomiastmeid ja adsorbeeritud prekursor võib pinna difusiooni kaudu suhteliselt madala pinnaenergiaga tõhusalt jõuda aatomiastme asendisse. . Etapil on prekursori aatomi/molekulaarse rühma sidumispositsioon ainulaadne, nii et astmelise voolu kasvurežiimis võib epitaksiaalne kiht suurepäraselt pärida substraadi Si-C kahe aatomikihi virnastamisjärjestuse, moodustades sama kristalliga üksikkristalli. faasi substraadina. (2) Kiire epitaksiaalne kasv saavutatakse kloori sisaldava räniallika sisseviimisega. Tavalistes ränikarbiidi keemilise aurustamise-sadestamise süsteemides on peamised kasvuallikad silaan ja propaan (või etüleen). Kasvukiiruse suurendamise protsessis kasvuallika voolukiiruse suurendamise teel, kuna ränikomponendi tasakaaluline osarõhk kasvab jätkuvalt, on homogeense gaasifaasi tuumastamise teel lihtne moodustada räni klastreid, mis vähendab oluliselt räni komponendi kasutusmäära. räni allikas. Räni klastrite moodustumine piirab oluliselt epitaksiaalse kasvu kiiruse paranemist. Samal ajal võivad räni klastrid häirida astmelise voolu kasvu ja põhjustada defektide tekkimist. Homogeense gaasifaasi tuumade moodustumise vältimiseks ja epitaksiaalse kasvukiiruse suurendamiseks on klooripõhiste räniallikate kasutuselevõtt praegu 4H-SiC epitaksiaalse kasvukiiruse suurendamise peamine meetod.

1,2 200 mm (8-tolline) SiC epitaksiaalseadmed ja protsessi tingimused

Kõik selles artiklis kirjeldatud katsed viidi läbi 150/200 mm (6/8-tollise) ühilduva monoliitse horisontaalse kuumseina SiC epitaksiaalseadmega, mille on sõltumatult välja töötanud Hiina elektroonikatehnoloogia instituut 48. Epitaksiaalne ahi toetab täisautomaatset vahvlite laadimist ja mahalaadimist. Joonisel 1 on skemaatiline diagramm epitaksiaalseadme reaktsioonikambri sisestruktuurist. Nagu on näidatud joonisel 1, on reaktsioonikambri välissein vesijahutusega vahekihiga kvartskell ja kella sisemus on kõrge temperatuuriga reaktsioonikamber, mis koosneb kõrge puhtusastmega soojusisolatsioonist süsiniku vildist. spetsiaalne grafiidiõõnsus, grafiitgaasiga ujuv pöörlev alus jne. Kogu kvartskell on kaetud silindrilise induktsioonpooliga ning kella sees olevat reaktsioonikambrit soojendatakse elektromagnetiliselt keskmise sagedusega induktsioontoiteallikaga. Nagu on näidatud joonisel fig 1 (b), voolavad kandegaas, reaktsioonigaas ja dopinggaas läbi vahvli pinna horisontaalse laminaarse vooluna reaktsioonikambrist ülesvoolu reaktsioonikambri allavoolu ja väljuvad sabast. gaasi ots. Vahvli konsistentsi tagamiseks pööratakse õhkujuva aluse poolt kantud vahvlit protsessi ajal alati.

Katses kasutatud substraat on Shanxi Shuoke Crystal toodetud kaubanduslik 150 mm, 200 mm (6 tolli, 8 tolli) <1120> suunaga 4° nurgast kõrvalekalduv juhtiv n-tüüpi 4H-SiC kahepoolne poleeritud SiC substraat. Protsessi katses kasutatakse peamiste kasvuallikatena triklorosilaani (SiHCl3, TCS) ja etüleeni (C2H4), nende hulgas räniallikana ja süsinikuallikana kasutatakse vastavalt TCS-i ja C2H4, kõrge puhtusastmega lämmastikku (N2) aga n- tüüpi dopinguallikas ning vesinikku (H2) kasutatakse lahjendusgaasina ja kandegaasina. Epitaksiaalse protsessi temperatuurivahemik on 1 600 ~ 1 660 ℃, protsessi rõhk on 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ja H2 kandegaasi voolukiirus on 100 - 140 l/min.

1.3 Epitaksiaalplaatide testimine ja iseloomustamine

Epitaksiaalse kihi paksuse ja dopingu kontsentratsiooni keskmise ja jaotuse iseloomustamiseks kasutati Fourier infrapuna spektromeetrit (seadmetootja Thermalfisher, mudel iS50) ja elavhõbeda sondi kontsentratsiooni testrit (seadmetootja Semilab, mudel 530L); epitaksiaalse kihi iga punkti paksus ja dopingukontsentratsioon määrati, võttes punktid piki diameetri joont, mis lõikuvad peamise võrdlusserva normaalset joont 45 ° nurga all vahvli keskel, eemaldades 5 mm serva. 150 mm vahvli puhul võeti 9 punkti mööda ühe läbimõõduga joont (kaks diameetrit olid üksteisega risti) ja 200 mm vahvli puhul 21 punkti, nagu on näidatud joonisel 2. Aatomjõu mikroskoop (seadme tootja Bruker, mudel Dimension Icon) kasutati 30 μm × 30 μm alade valimiseks epitaksiaalse vahvli keskosas ja servapiirkonnas (5 mm servade eemaldamine), et testida epitaksiaalse kihi pinnakaredust; epitaksiaalse kihi defekte mõõdeti iseloomustamiseks pinnadefektide testriga (seadmetootja China Electronics Kefenghua, mudel Mars 4410 pro).

2 Katsetulemused ja arutelu

2.1 Epitaksiaalse kihi paksus ja ühtlus

Epitaksiaalse kihi paksus, dopingu kontsentratsioon ja ühtlus on üks peamisi näitajaid epitaksiaalsete vahvlite kvaliteedi hindamisel. Täpselt kontrollitav paksus, dopingu kontsentratsioon ja ühtlus vahvli sees on SiC toiteseadmete jõudluse ja järjepidevuse tagamise võti ning epitaksiaalse kihi paksus ja dopingu kontsentratsiooni ühtlus on samuti olulised alused epitaksiaalseadmete protsessivõime mõõtmisel.

Joonisel 3 on näidatud 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalplaatide paksuse ühtlus ja jaotuskõver. Jooniselt on näha, et epitaksiaalne kihi paksuse jaotuskõver on sümmeetriline vahvli keskpunkti suhtes. Epitaksiaalse protsessi aeg on 600 s, 150 mm epitaksiaalse vahvli keskmine epitaksiaalse kihi paksus on 10,89 μm ja paksuse ühtlus on 1,05%. Arvutuste kohaselt on epitaksiaalne kasvukiirus 65, 3 μm / h, mis on tüüpiline kiire epitaksiaalse protsessi tase. Sama epitaksiaalse protsessi ajal on 200 mm epitaksiaalse vahvli epitaksiaalse kihi paksus 10, 10 μm, paksuse ühtlus on 1, 36% ja üldine kasvukiirus on 60, 60 μm / h, mis on veidi madalam kui 150 mm epitaksiaalne kasv. määra. Selle põhjuseks on ilmselge kadu, kui räniallikas ja süsinikuallikas voolavad reaktsioonikambri ülesvoolust läbi vahvlipinna reaktsioonikambri allavoolu ja 200 mm vahvli pindala on suurem kui 150 mm. Gaas voolab läbi 200 mm vahvli pinna pikema vahemaa ning lähtegaasi kulub teekonnal rohkem. Tingimusel, et vahvel jätkab pöörlemist, on epitaksiaalse kihi üldine paksus õhem, seega on kasvukiirus aeglasem. Üldiselt on 150 mm ja 200 mm epitaksiaalplaatide paksuse ühtlus suurepärane ning seadmete protsessivõime vastab kvaliteetsete seadmete nõuetele.

2.2 Epitaksiaalse kihi dopingu kontsentratsioon ja ühtlus

Joonisel 4 on näidatud 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalplaatide dopingukontsentratsiooni ühtlus ja kõvera jaotus. Nagu jooniselt näha, on epitaksiaalplaadi kontsentratsiooni jaotuskõveral plaadi keskpunkti suhtes ilmne sümmeetria. 150 mm ja 200 mm epitaksiaalsete kihtide dopingukontsentratsiooni ühtlus on vastavalt 2,80% ja 2,66%, mida saab kontrollida 3% piires, mis on rahvusvaheliste sarnaste seadmete seas suurepärane tase. Epitaksiaalse kihi dopingukontsentratsiooni kõver jaotub "W"-kujuliselt piki läbimõõdu suunda, mille määrab peamiselt horisontaalse kuumseina epitaksiaalahju vooluväli, kuna horisontaalse õhuvoolu epitaksiaalse kasvuahju õhuvoolu suund on alates õhu sisselaskeots (ülesvoolu) ja voolab allavoolu otsast laminaarse vooluna läbi vahvli pinna; kuna süsinikuallika (C2H4) "teel kahanemise" kiirus on kõrgem kui räniallika (TCS) oma, väheneb vahvli pöörlemisel tegelik C/Si vahvli pinnal järk-järgult servast kuni keskosa (keskmes on süsinikuallikat vähem), C ja N "konkurentsipositsiooni teooria" kohaselt väheneb dopingu kontsentratsioon vahvli keskel järk-järgult serva suunas. Suurepärase kontsentratsiooni ühtluse saavutamiseks lisatakse epitaksiaalprotsessi ajal kompensatsioonina serv N2, et aeglustada dopingu kontsentratsiooni vähenemist keskelt servani, nii et lõplik dopingukontsentratsiooni kõver kujutab endast "W" kuju.

2.3 Epitaksiaalse kihi defektid

Lisaks paksusele ja dopingu kontsentratsioonile on epitaksiaalkihi defektide kontrolli tase ka põhiparameeter epitaksiaalplaatide kvaliteedi mõõtmisel ja oluline näitaja epitaksiaalseadmete protsessivõimekuse kohta. Kuigi SBD-l ja MOSFET-il on defektide suhtes erinevad nõuded, määratletakse SBD- ja MOSFET-seadmete tapmisdefektidena ilmsemad pinnamorfoloogilised vead, nagu kukkumisdefektid, kolmnurga defektid, porgandidefektid ja komeedi defektid. Neid defekte sisaldavate kiipide rikke tõenäosus on suur, seega on tapvate defektide arvu kontrollimine äärmiselt oluline kiibi saagise parandamiseks ja kulude vähendamiseks. Joonisel 5 on kujutatud 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalsete vahvlite tapvate defektide jaotus. Tingimusel, et C/Si vahekorras puudub ilmselge tasakaalustamatus, saab porgandi defektid ja komeedi defektid põhimõtteliselt kõrvaldada, kukkumisdefektid ja kolmnurga defektid aga on seotud puhtuse kontrolliga epitaksiaalseadmete töötamise ajal, grafiidi lisanditasemega. osad reaktsioonikambris ja substraadi kvaliteet. Tabelist 2 näeme, et 150 mm ja 200 mm epitaksiaalvahvlite saatusliku defekti tihedust saab kontrollida 0,3 osakese/cm2 piires, mis on sama tüüpi seadmete jaoks suurepärane tase. 150 mm epitaksiaalplaadi surmava defekti tiheduse kontrolli tase on parem kui 200 mm epitaksiaalsel vahvlil. Selle põhjuseks on asjaolu, et 150 mm substraadi ettevalmistusprotsess on küpsem kui 200 mm, substraadi kvaliteet on parem ja 150 mm grafiidi reaktsioonikambri lisandite kontrolli tase on parem.

2.4 Epitaksiaalse vahvli pinna karedus

Joonisel 6 on kujutatud AFM-kujutised 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalplaatide pinnalt. Nagu jooniselt näha, on 150 mm ja 200 mm epitaksiaalvahvlite pinna ruutkeskmine karedus Ra vastavalt 0,129 ja 0,113 nm ning epitaksiaalse kihi pind on sile, ilma ilmse makroastmelise agregatsiooni nähtuseta, mis näitab, et epitaksiaalse kihi kasv säilitab kogu epitaksiaalse protsessi jooksul alati astmelise voolu kasvurežiimi ja astmelist agregatsiooni ei toimu. On näha, et optimeeritud epitaksiaalse kasvu protsessi abil saab sileda pinnaga epitaksiaalse kihi 150 mm ja 200 mm madala nurga all olevatele aluspindadele.

3. Järeldused

150 mm ja 200 mm 4H-SiC homoepitaksiaalsed vahvlid valmistati edukalt kodumaistel aluspindadel, kasutades oma väljatöötatud 200 mm SiC epitaksiaalset kasvuseadet ning töötati välja 150 mm ja 200 mm jaoks sobiv homoepitaksiaalne protsess. Epitaksiaalne kasvukiirus võib olla suurem kui 60 μm/h. Kuigi see vastab kiirele epitakseerimise nõudele, on epitaksiaalse vahvli kvaliteet suurepärane. 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalvahvlite paksuse ühtlust saab reguleerida 1,5% piires, kontsentratsiooni ühtlus on alla 3%, surmava defekti tihedus on alla 0,3 osakese/cm2 ja epitaksiaalse pinna kareduse ruutkeskmine Ra on vähem kui 0,15 nm. Epitaksiaalplaatide põhiprotsessinäitajad on tööstuses kõrgtasemel.

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

VeTek Semiconductor on professionaalne Hiina tootjaCVD SiC kaetud lagi, CVD SiC katteotsikjaSiC katte sisselaskerõngas.  VeTek Semiconductor on pühendunud täiustatud lahenduste pakkumisele erinevatele SiC Wafer toodetele pooljuhtide tööstusele.

Kui olete huvitatud8-tolline SiC epitaksiaalne ahi ja homoepitaksiaalne protsess, võtke meiega otse ühendust.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-post: anny@veteksemi.com