Furno epitaxial SIC de 8 polegadas e pesquisa de processo homoepitaxial

Atualmente, a indústria do SIC está se transformando de 150 mm (6 polegadas) a 200 mm (8 polegadas). Para atender à demanda urgente por bolachas homoepitaxiais de alta qualidade e alta qualidade na indústria, as bolachas homoepitaxiais de 150 mm e 200 mm 4H-SiC foram preparadas com sucesso em substratos domésticos usando equipamentos de crescimento epitaxial de 200 mm de forma independente. Foi desenvolvido um processo homoepitaxial adequado para 150 mm e 200 mm, no qual a taxa de crescimento epitaxial pode ser maior que 60 μm/h. Ao atender à epitaxia de alta velocidade, a qualidade da bolas epitaxial é excelente. A uniformidade da espessura de bolachas epitaxiais de 150 mm e 200 mm SiC pode ser controlada em 1,5%, a uniformidade da concentração é inferior a 3%, a densidade fatal de defeito é menor que 0,3 partículas/cm2 e os indicadores de riqueza de superfície epitaxial nivelados nivelados são de 0,15 nm, e todos os indicadores do processo são os indicadores avançados da superfície da superfície do nível mais avançado do indicador avançado da superfície da superfície do nível mais avançado do indicador avançado do processo.

O carboneto de silício (sic) é um dos representantes dos materiais semicondutores de terceira geração. Possui as características da alta resistência do campo de ruptura, excelente condutividade térmica, velocidade de desvio de saturação de elétrons grande e forte resistência à radiação. Ele expandiu bastante a capacidade de processamento de energia dos dispositivos de energia e pode atender aos requisitos de serviço da próxima geração de equipamentos eletrônicos de energia para dispositivos com alta potência, tamanho pequeno, alta temperatura, alta radiação e outras condições extremas. Pode reduzir o espaço, reduzir o consumo de energia e reduzir os requisitos de resfriamento. Trouxe mudanças revolucionárias a novos veículos de energia, transporte ferroviário, grades inteligentes e outros campos. Portanto, os semicondutores de carboneto de silício tornaram-se reconhecidos como o material ideal que liderará a próxima geração de dispositivos eletrônicos de alta potência. Nos últimos anos, graças ao apoio da política nacional para o desenvolvimento da indústria de semicondutores de terceira geração, a pesquisa e o desenvolvimento e a construção do sistema da indústria de dispositivos SIC de 150 mm foram basicamente concluídos na China, e a segurança da cadeia industrial foi basicamente garantida. Portanto, o foco da indústria mudou gradualmente para o controle de custos e a melhoria da eficiência. Conforme mostrado na Tabela 1, em comparação com 150 mm, o SiC 200 mm possui uma taxa de utilização de arestas mais alta, e a saída de chips de wafer única pode ser aumentada em cerca de 1,8 vezes. Depois que a tecnologia amadurece, o custo de fabricação de um único chip pode ser reduzido em 30%. O avanço tecnológico de 200 mm é um meio direto de "reduzir custos e aumentar a eficiência", e também é a chave para a indústria de semicondutores do meu país "correr paralelo" ou até "chumbo".

Diferentes do processo de dispositivo Si, os dispositivos de potência de semicondutores SiC são todos processados ​​e preparados com camadas epitaxiais como pedra angular. As bolachas epitaxiais são materiais básicos essenciais para dispositivos de energia SiC. A qualidade da camada epitaxial determina diretamente o rendimento do dispositivo e seu custo é responsável por 20% do custo de fabricação de chips. Portanto, o crescimento epitaxial é um link intermediário essencial nos dispositivos de potência SiC. O limite superior do nível do processo epitaxial é determinado pelo equipamento epitaxial. Atualmente, o grau de localização do equipamento epitaxial de 150 mm SIC doméstico é relativamente alto, mas o layout geral de 200 mm atrasa por trás do nível internacional ao mesmo tempo. Portanto, para resolver as necessidades urgentes e problemas de gargalo de material epitaxial de grande qualidade e de alta qualidade para o desenvolvimento da indústria de semicondutores de terceira geração doméstica, este artigo apresenta o equipamento epitaxial de 200 mM SiC desenvolvido com sucesso em meu país e estuda o processo epitaxial. By optimizing the process parameters such as process temperature, carrier gas flow rate, C/Si ratio, etc., the concentration uniformity <3%, thickness non-uniformity <1.5%, roughness Ra <0.2 nm and fatal defect density <0.3 particles/cm2 of 150 mm and 200 mm SiC epitaxial wafers with self-developed 200 mm silicon carbide epitaxial furnace are obtained. O nível do processo do equipamento pode atender às necessidades da preparação do dispositivo de energia SiC de alta qualidade.

1 experimentos

1.1 Princípio do processo epitaxial sic

O processo de crescimento homoepitaxial 4H-SIC inclui principalmente 2 etapas principais, a saber, a gravação in situ de alta temperatura do substrato 4H-SiC e o processo de deposição de vapor químico homogêneo. O principal objetivo da gravação no substrato é remover o dano do subsolo do substrato após o polimento da bolas, o líquido de polimento residual, as partículas e a camada de óxido e uma estrutura de etapa atômica regular pode ser formada na superfície do substrato por gravação. A gravura in situ é geralmente realizada em uma atmosfera de hidrogênio. De acordo com os requisitos reais do processo, também pode ser adicionada uma pequena quantidade de gás auxiliar, como cloreto de hidrogênio, propano, etileno ou silano. A temperatura da gravação no hidrogênio in situ está geralmente acima de 1 600 ℃, e a pressão da câmara de reação geralmente é controlada abaixo de 2 × 104 pA durante o processo de gravação.

After the substrate surface is activated by in-situ etching, it enters the high-temperature chemical vapor deposition process, that is, the growth source (such as ethylene/propane, TCS/silane), doping source (n-type doping source nitrogen, p-type doping source TMAl), and auxiliary gas such as hydrogen chloride are transported to the reaction chamber through a large flow of carrier gás (geralmente hidrogênio). Depois que o gás reage na câmara de reação de alta temperatura, parte do precursor reage quimicamente e adsorve na superfície da wafer, e uma camada epitaxial homogênea 4H-SIC de cristal única com uma concentração de doping específica, espessura específica e maior qualidade é formada na superfície do substrato usando o único cristal. Após anos de exploração técnica, a tecnologia homoepitaxial 4H-SIC basicamente amadureceu e é amplamente utilizada na produção industrial. A tecnologia homoepitaxial 4H-SIC mais amplamente utilizada no mundo tem duas características típicas: (1) usando um eixo fora do eixo (em relação ao plano de cristal <0001>, em direção à direção de corte oblíqua <11-20>. O crescimento homoepitaxial 4H-SiC inicial utilizou um substrato de cristal positivo, ou seja, o plano <0001> Si para o crescimento. A densidade das etapas atômicas na superfície do substrato de cristal positivo é baixo e os terraços são amplos. O crescimento bidimensional da nucleação é fácil de ocorrer durante o processo de epitaxia para formar 3C Crystal SiC (3C-SIC). Ao corte fora do eixo, as etapas atômicas de largura de alta densidade e alta densidade podem ser introduzidas na superfície do substrato 4H-SiC <0001>, e o precursor adsorvido pode atingir efetivamente a posição da etapa atômica com energia de superfície relativamente baixa através da difusão da superfície. Na etapa, a posição de ligação do átomo/grupo molecular precursor é única; portanto, no modo de crescimento do fluxo de etapas, a camada epitaxial pode herdar perfeitamente a sequência de empilhamento de camada atômica dupla Si-C do substrato para formar um único cristal com a mesma fase de cristal que o substrato. (2) O crescimento epitaxial de alta velocidade é alcançado com a introdução de uma fonte de silício contendo cloro. Nos sistemas convencionais de deposição de vapor químico SIC, o silano e o propano (ou etileno) são as principais fontes de crescimento. No processo de aumentar a taxa de crescimento, aumentando a taxa de fluxo da fonte de crescimento, à medida que a pressão parcial do equilíbrio do componente de silício continua aumentando, é fácil formar grupos de silício por nucleação de fase gasosa homogênea, o que reduz significativamente a taxa de utilização da fonte de silício. A formação de aglomerados de silício limita muito a melhoria da taxa de crescimento epitaxial. Ao mesmo tempo, os aglomerados de silício podem perturbar o crescimento do fluxo de etapas e causar nucleação de defeitos. Para evitar a nucleação homogênea da fase gasosa e aumentar a taxa de crescimento epitaxial, a introdução de fontes de silício à base de cloro é atualmente o método convencional para aumentar a taxa de crescimento epitaxial de 4H-SIC.

1.2 200 mm (8 polegadas) Equipamentos epitaxiais e condições de processo

Os experimentos descritos neste artigo foram todos conduzidos em um equipamento monolítico compatível de 150/200 mm (6/8 de polegada) da parede quente horizontal da parede quente SIC, desenvolvida independentemente pelo 48º Instituto de China Electronics Technology Group Corporation. O forno epitaxial suporta carregamento e descarregamento totalmente automáticos de wafer. A Figura 1 é um diagrama esquemático da estrutura interna da câmara de reação do equipamento epitaxial. Como mostrado na Figura 1, a parede externa da câmara de reação é uma campainha de quartzo com um intercalador refrigerado a água, e o interior da campainha é uma câmara de reação de alta temperatura, que é composta por isolamento térmico de carbono, o belô de alta pureza é uma cavidade de grafite de grafite, a bola de ar grafite, etc. por uma fonte de alimentação de indução de frequência média. Como mostrado na Figura 1 (b), o gás transportador, o gás de reação e o gás doping fluem, todos fluem através da superfície da wafer em um fluxo laminar horizontal do upstream da câmara de reação para o jusante da câmara de reação e são descarregados da extremidade do gás traseiro. Para garantir a consistência dentro da bolacha, a bolacha transportada pela base flutuante de ar é sempre girada durante o processo.

O substrato usado no experimento é um comercial de 150 mm, 200 mm (6 polegadas, 8 polegadas) <1120> Direção 4 ° O ângulo de ângulo de ângulo N 4H-SiC de 4H-SiC de ângulo de ângulo 4H substrato SiC polido produzido pelo cristal Shanxi Shuoke. O triclorosilano (SIHCL3, TCS) e etileno (C2H4) são usados ​​como as principais fontes de crescimento no experimento de processo, entre as quais os TCs e C2H4 são usados ​​como fonte de silício e fonte de carbono, respectivamente, o nitrogênio de alta pureza (N2) é usado como o DOPE de N-Type, e o hidrogênio (H2) é usado como o carro de Di-Type, e hidrogênio (H2) (H2) (H2) é usado como o Dro-Dobing de N-Type. A faixa de temperatura do processo epitaxial é de 1 600 ~ 1 660 ℃, a pressão do processo é 8 × 103 ~ 12 × 103 pA e a taxa de fluxo de gás portador H2 é de 100 ～ 140 l/min.

1.3 Teste e caracterização de bolas epitaxiais

O espectrômetro de infravermelho de Fourier (Térmico do fabricante de equipamentos, modelo IS50) e testador de concentração da sonda de mercúrio (Semilab do fabricante de equipamentos, Modelo 530L) foram usados ​​para caracterizar a média e a distribuição da espessura da camada epitaxial e da concentração de doping; A espessura e a concentração de doping de cada ponto na camada epitaxial foram determinadas levando pontos ao longo da linha de diâmetro que cruzava a linha normal da borda de referência principal a 45 ° no centro da bolacha com remoção de 5 mm de borda. Para uma bolsa de 150 mm, 9 pontos foram levados ao longo de uma linha de diâmetro único (dois diâmetros eram perpendiculares um ao outro) e, para uma bolacha de 200 mm, 21 pontos foram tomados, como mostra a Figura 2. Um Microscópio de Força Atômica (Microscópio de Equipamento) e o Modelo de Modelo e a Área de Borda e a Área de 5 μm µm µm) (Mods Fabrican Bruker, o Ícone de Dimensão do Modelo) foi usado 30 μm μm μm de 30 μm. a rugosidade da superfície da camada epitaxial; Os defeitos da camada epitaxial foram medidos usando um testador de defeitos de superfície (fabricante do equipamento China Electronics Kefenghua, Modelo Mars 4410 Pro) para caracterização.

2 resultados experimentais e discussão

2.1 espessura e uniformidade da camada epitaxial

A espessura da camada epitaxial, a concentração de doping e a uniformidade são um dos indicadores principais para julgar a qualidade das bolachas epitaxiais. A espessura com precisão, a concentração e a uniformidade do doping dentro da bolacha são a chave para garantir o desempenho e a consistência dos dispositivos de potência SiC, e a espessura da camada epitaxial e a uniformidade da concentração de doping também são bases importantes para medir a capacidade do processo de equipamentos epitaxiais.

A Figura 3 mostra a curva de uniformidade e distribuição de espessura de bolachas epitaxiais de 150 mm e 200 mm SiC. Pode -se ver pela figura que a curva de distribuição da espessura da camada epitaxial é simétrica sobre o ponto central da bolacha. O tempo de processo epitaxial é de 600 s, a espessura média da camada epitaxial da bolacha epitaxial de 150 mM é de 10,89 μm e a uniformidade da espessura é de 1,05%. Por cálculo, a taxa de crescimento epitaxial é de 65,3 μm/h, que é um nível típico de processo epitaxial rápido. No mesmo tempo de processo epitaxial, a espessura da camada epitaxial da bolacha epitaxial de 200 mM é de 10,10 μm, a uniformidade da espessura está dentro de 1,36%e a taxa geral de crescimento é de 60,60 μm/h, o que é ligeiramente menor que a taxa de crescimento epitaxial de 150 mM. Isso ocorre porque há uma perda óbvia ao longo do caminho quando a fonte de silício e a fonte de carbono fluem do upstream da câmara de reação através da superfície da wafer até a a jusante da câmara de reação, e a área de 200 mm de wafer é maior que os 150 mm. O gás flui pela superfície da bolacha de 200 mm por uma distância mais longa, e o gás de origem consumido ao longo do caminho é mais. Sob a condição de que a bolacha continue girando, a espessura geral da camada epitaxial é mais fina, portanto a taxa de crescimento é mais lenta. No geral, a uniformidade da espessura de bolachas epitaxiais de 150 mm e 200 mm é excelente, e a capacidade do processo do equipamento pode atender aos requisitos de dispositivos de alta qualidade.

2.2 Concentração de dopagem e uniformidade da camada epitaxial

A Figura 4 mostra a uniformidade da concentração de doping e a distribuição da curva de bolachas epitaxiais de 150 mm e 200 mm SiC. Como pode ser visto na figura, a curva de distribuição de concentração na bolacha epitaxial tem simetria óbvia em relação ao centro da bolacha. A uniformidade da concentração de doping das camadas epitaxiais de 150 mm e 200 mm é de 2,80% e 2,66%, respectivamente, que podem ser controladas em 3%, o que é um excelente nível entre equipamentos semelhantes internacionais. A curva de concentração de dopagem da camada epitaxial é distribuída em forma de "W" ao longo da direção do diâmetro, que é determinada principalmente pelo campo de fluxo do forno epitaxial da parede quente horizontal, porque a direção do fluxo de ar da laminado na extremidade do ar na extremidade da extremidade da extremidade (a linha superior) e da lâmpada de fluxo de ar; na lâmpada, a extremidade da extremidade da extremidade (a linha superior) e a lâmpada na extremidade da extremidade da extremidade) e a corrente de ar; Como a taxa de "depleção ao longo do caminho" da fonte de carbono (C2H4) é maior que a da fonte de silício (TCS), quando o wafer gira, o C/Si real na superfície da bolacha diminui gradualmente da borda para o centro (a fonte do carbono no centro é menor, de acordo com a "teoria da posição competitiva" de C e N, a doação de bolo no centro do centro. Para obter excelente uniformidade de concentração, a borda N2 é adicionada como compensação durante o processo epitaxial para diminuir a diminuição da concentração de doping do centro para a borda, de modo que a curva final de concentração de doping apresente uma forma "W".

2.3 Defeitos da camada epitaxial

Além da espessura e da concentração de doping, o nível de controle de defeito da camada epitaxial também é um parâmetro núcleo para medir a qualidade das bolachas epitaxiais e um importante indicador da capacidade do processo do equipamento epitaxial. Embora o SBD e o MOSFET tenham requisitos diferentes para defeitos, defeitos mais óbvios da morfologia da superfície, como defeitos de queda, defeitos do triângulo, defeitos de cenoura e defeitos de cometa, são definidos como defeitos assassinos para dispositivos SBD e MOSFET. A probabilidade de falha de chips contendo esses defeitos é alta; portanto, controlar o número de defeitos assassinos é extremamente importante para melhorar o rendimento dos chips e reduzir os custos. A Figura 5 mostra a distribuição de defeitos assassinos de bolachas epitaxiais de 150 mm e 200 mm SiC. Sob a condição de que não haja desequilíbrio óbvio na relação C/SI, defeitos de cenoura e defeitos do cometa podem ser basicamente eliminados, enquanto defeitos de queda e defeitos do triângulo estão relacionados ao controle de limpeza durante a operação de equipamentos epitaxiais, o nível de impureza das peças de grafite na câmara de reação e a qualidade do subsato. Na Tabela 2, podemos ver que a densidade fatal de defeito de 150 mm e as bolachas epitaxiais de 200 mm pode ser controlada dentro de 0,3 partículas/cm2, o que é um excelente nível para o mesmo tipo de equipamento. O nível fatal de controle de densidade de defeitos de 150 mm de wafer epitaxial é melhor que o da bolacha epitaxial de 200 mm. Isso ocorre porque o processo de preparação do substrato de 150 mm é mais maduro que o de 200 mm, a qualidade do substrato é melhor e o nível de controle de impureza da câmara de reação de grafite de 150 mm é melhor.

2.4 A rugosidade da superfície epitaxial de wafer

A Figura 6 mostra as imagens AFM da superfície de 150 mm e as bolachas epitaxiais de 200 mm SiC. As can be seen from the figure, the surface root mean square roughness Ra of 150 mm and 200 mm epitaxial wafers is 0.129 nm and 0.113 nm respectively, and the surface of the epitaxial layer is smooth, without obvious macro-step aggregation phenomenon, which indicates that the growth of the epitaxial layer always maintains the step flow growth mode during the entire epitaxial process, and no step aggregation occurs. Pode-se observar que a camada epitaxial com uma superfície lisa pode ser obtida em substratos de 150 mm e 200 mm de ângulo de baixo ângulo usando o processo de crescimento epitaxial otimizado.

3. Conclusões

As bolachas homoepitaxiais de 150 mm e 200 mm 4H foram preparadas com sucesso em substratos domésticos usando o equipamento de crescimento epitaxial de 200 mm SiC auto-desenvolvido e um processo homoepitaxial adequado para 150 mm e 200 mm foi desenvolvido. A taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 μm/h. Ao atender ao requisito de epitaxia de alta velocidade, a qualidade da wafer epitaxial é excelente. A uniformidade da espessura de bolachas epitaxiais de 150 mm e 200 mm SiC pode ser controlada dentro de 1,5%, a uniformidade da concentração é inferior a 3%, a densidade fatal de defeito é menor que 0,3 partículas/cm2 e a raiz da raiz da rugosidade da superfície epitaxial é menor que 0,15 nm. Os indicadores do processo principal das bolachas epitaxiais estão no nível avançado do setor.

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