8 colių SiC epitaksinės krosnies ir homoepitaksinio proceso tyrimai

Šiuo metu SiC pramonė keičiasi nuo 150 mm (6 colių) iki 200 mm (8 colių). Siekiant patenkinti neatidėliotiną didelio dydžio, aukštos kokybės SiC homoepitaksinių plokštelių poreikį pramonėje, 150 mm ir 200 mm 4H-SiC homoepitaksinės plokštelės buvo sėkmingai paruoštos ant buitinių substratų, naudojant savarankiškai sukurtą 200 mm SiC epitaksinio auginimo įrangą. Sukurtas 150 mm ir 200 mm tinkamas homoepitaksinis procesas, kurio metu epitaksinis augimo greitis gali būti didesnis nei 60 μm/val. Nors atitinka didelės spartos epitaksiją, epitaksinės plokštelės kokybė yra puiki. 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių storio vienodumas gali būti kontroliuojamas 1,5 %, koncentracijos vienodumas yra mažesnis nei 3 %, mirtino defekto tankis yra mažesnis nei 0,3 dalelės/cm2, o epitaksinio paviršiaus šiurkštumo vidutinis kvadratinis Ra yra mažesnis nei 0,15 nm, o visi pagrindiniai proceso rodikliai yra pažangaus pramonės lygio.

Silicio karbidas (SiC) yra vienas iš trečiosios kartos puslaidininkinių medžiagų atstovų. Jis pasižymi dideliu skilimo lauko stiprumu, puikiu šilumos laidumu, dideliu elektronų prisotinimo dreifo greičiu ir dideliu atsparumu spinduliuotei. Tai labai išplėtė galios įrenginių energijos apdorojimo pajėgumus ir gali patenkinti naujos kartos galios elektroninės įrangos, skirtos didelės galios, mažo dydžio, aukštos temperatūros, didelės spinduliuotės ir kitų ekstremalių sąlygų prietaisams, aptarnavimo reikalavimus. Tai gali sumažinti erdvę, sumažinti energijos suvartojimą ir sumažinti aušinimo poreikį. Tai atnešė revoliucinius pokyčius naujose energetinėse transporto priemonėse, geležinkelių transporte, išmaniuosiuose tinkluose ir kitose srityse. Todėl silicio karbido puslaidininkiai buvo pripažinti kaip ideali medžiaga, kuri taps naujos kartos didelės galios elektroninių prietaisų pagrindu. Pastaraisiais metais dėl nacionalinės politikos paramos trečiosios kartos puslaidininkių pramonės plėtrai Kinijoje iš esmės buvo baigti 150 mm SiC įrenginių pramonės sistemos tyrimai, plėtra ir statyba, o pramonės grandinės saugumas buvo užtikrintas. iš esmės buvo garantuotas. Todėl pramonės dėmesys palaipsniui perėjo į sąnaudų kontrolę ir efektyvumo didinimą. Kaip parodyta 1 lentelėje, palyginti su 150 mm, 200 mm SiC turi didesnį kraštų panaudojimo koeficientą, o vienos plokštelės lustų išeiga gali būti padidinta maždaug 1,8 karto. Technologijai subrendus, vieno lusto gamybos sąnaudos gali būti sumažintos 30%. Technologinis 200 mm proveržis yra tiesioginė priemonė „sumažinti sąnaudas ir padidinti efektyvumą“, be to, mano šalies puslaidininkių pramonė gali „eiti lygiagrečiai“ ar net „pirmauti“.

Skirtingai nuo Si įrenginio proceso, visi SiC puslaidininkiniai galios įrenginiai yra apdorojami ir paruošiami naudojant epitaksinius sluoksnius kaip kertinį akmenį. Epitaksinės plokštelės yra pagrindinės SiC maitinimo įrenginių medžiagos. Epitaksinio sluoksnio kokybė tiesiogiai lemia įrenginio išeigą, o jo kaina sudaro 20% lusto gamybos sąnaudų. Todėl epitaksinis augimas yra esminė tarpinė SiC maitinimo įrenginių grandis. Viršutinė epitaksinio proceso lygio riba nustatoma epitaksine įranga. Šiuo metu buitinės 150 mm SiC epitaksinės įrangos lokalizacijos laipsnis yra gana aukštas, tačiau bendras 200 mm išdėstymas atsilieka nuo tarptautinio lygio. Todėl, siekiant išspręsti neatidėliotinus didelių, aukštos kokybės epitaksinių medžiagų gamybos poreikius ir problemas, skirtas vidaus trečiosios kartos puslaidininkių pramonės plėtrai, šiame darbe pristatoma mano šalyje sėkmingai sukurta 200 mm SiC epitaksinė įranga, ir tiria epitaksinį procesą. Optimizuojant proceso parametrus, tokius kaip proceso temperatūra, nešančiųjų dujų srautas, C/Si santykis ir kt., koncentracijos vienodumas <3%, storio netolygumas <1,5%, šiurkštumas Ra <0,2 nm ir mirtino defekto tankis <0,3 dalelių /cm2 gaunamos 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinės plokštelės su savaime sukurta 200 mm silicio karbido epitaksine krosnele. Įrangos proceso lygis gali patenkinti aukštos kokybės SiC maitinimo įrenginio paruošimo poreikius.

1 Eksperimentai

1.1 SiC epitaksinio proceso principas

4H-SiC homoepitaksinis augimo procesas daugiausia apima 2 pagrindinius etapus, būtent 4H-SiC substrato ėsdinimą aukštoje temperatūroje in situ ir homogeninį cheminį nusodinimą garais. Pagrindinis substrato in situ ėsdinimo tikslas yra pašalinti pagrindo paviršiaus pažeidimus po plokštelinio poliravimo, poliravimo skysčio likučius, daleles ir oksido sluoksnį, o ėsdinant ant pagrindo paviršiaus gali būti suformuota taisyklinga atominė pakopinė struktūra. In situ ėsdinimas paprastai atliekamas vandenilio atmosferoje. Atsižvelgiant į faktinius proceso reikalavimus, taip pat galima pridėti nedidelį kiekį pagalbinių dujų, tokių kaip vandenilio chloridas, propanas, etilenas arba silanas. Vandenilio ėsdinimo in situ temperatūra paprastai yra aukštesnė nei 1 600 ℃, o ėsdinimo proceso metu reakcijos kameros slėgis paprastai kontroliuojamas žemiau 2 × 104 Pa.

Po to, kai substrato paviršius suaktyvinamas in situ ėsdinimo būdu, jis patenka į aukštos temperatūros cheminio nusodinimo garais procesą, ty į augimo šaltinį (pvz., etileną / propaną, TCS / silaną), dopingo šaltinį (n-tipo dopingo šaltinio azotą). , p-tipo legiravimo šaltinis TMAl) ir pagalbinės dujos, tokios kaip vandenilio chloridas, transportuojamos į reakcijos kamerą per didelį nešančiųjų dujų (dažniausiai vandenilio) srautą. Dujoms sureaguojus aukštos temperatūros reakcijos kameroje, dalis pirmtako chemiškai reaguoja ir adsorbuojasi ant plokštelės paviršiaus ir susidaro vieno kristalo homogeninis 4H-SiC epitaksinis sluoksnis, turintis specifinę dopingo koncentraciją, specifinį storį ir aukštesnę kokybę. ant pagrindo paviršiaus naudojant vienkristalinį 4H-SiC substratą kaip šabloną. Po daugelio metų techninių tyrinėjimų 4H-SiC homoepitaksinė technologija iš esmės subrendo ir plačiai naudojama pramoninėje gamyboje. Plačiausiai pasaulyje naudojama 4H-SiC homoepitaksinė technologija turi dvi tipines charakteristikas: (1) Naudojant ne ašį (palyginus su <0001> kristalo plokštuma, link <11-20> kristalo krypties) įstrižai pjūvio substratą kaip šabloną, didelio grynumo vieno kristalo 4H-SiC epitaksinis sluoksnis be priemaišų yra nusodinamas ant substrato laipsniško srauto augimo režimu. Ankstyvajam 4H-SiC homoepitaksiniam augimui buvo naudojamas teigiamas kristalų substratas, ty <0001> Si plokštuma augimui. Atominių žingsnių tankis teigiamo kristalo substrato paviršiuje yra mažas, o terasos plačios. Epitaksijos proceso metu lengvai atsiranda dvimatis branduolių augimas, kad susidarytų 3C kristalinis SiC (3C-SiC). Pjaunant ne ašį, ant 4H-SiC <0001> substrato paviršiaus gali būti įvedamos didelio tankio siauros terasos pločio atominės pakopos, o adsorbuotas pirmtakas per paviršiaus difuziją gali efektyviai pasiekti atominės pakopos padėtį su santykinai maža paviršiaus energija. . Žingsnyje pirmtako atomo/molekulinės grupės jungties padėtis yra unikali, todėl laipsniško srauto augimo režimu epitaksinis sluoksnis gali puikiai paveldėti pagrindo Si-C dvigubo atominio sluoksnio klojimo seką, kad susidarytų vienas kristalas su tuo pačiu kristalu. fazė kaip substratas. (2) Greitas epitaksinis augimas pasiekiamas įvedant chloro turintį silicio šaltinį. Įprastose SiC cheminio garų nusodinimo sistemose pagrindiniai augimo šaltiniai yra silanas ir propanas (arba etilenas). Didinant augimo greitį didinant augimo šaltinio srautą, nes silicio komponento pusiausvyros dalinis slėgis ir toliau didėja, nesunku suformuoti silicio grupes homogeninės dujų fazės branduolio būdu, o tai žymiai sumažina silicio komponento panaudojimo greitį. silicio šaltinis. Silicio grupių susidarymas labai riboja epitaksinio augimo greičio gerinimą. Tuo pačiu metu silicio klasteriai gali sutrikdyti žingsnio srauto augimą ir sukelti defektų susidarymą. Siekiant išvengti homogeninės dujų fazės branduolių susidarymo ir padidinti epitaksinio augimo greitį, chloro pagrindu pagamintų silicio šaltinių įvedimas šiuo metu yra pagrindinis metodas, skirtas padidinti 4H-SiC epitaksinį augimo greitį.

1,2 200 mm (8 colių) SiC epitaksinė įranga ir proceso sąlygos

Visi šiame dokumente aprašyti eksperimentai buvo atlikti naudojant 150/200 mm (6/8 colių) suderinamą monolitinę horizontalią karštosios sienelės SiC epitaksinę įrangą, kurią nepriklausomai sukūrė 48-asis Kinijos elektronikos technologijų grupės institutas. Epitaksinė krosnis palaiko visiškai automatinį plokštelių pakrovimą ir iškrovimą. 1 paveiksle yra epitaksinės įrangos reakcijos kameros vidinės struktūros schema. Kaip parodyta 1 paveiksle, reakcijos kameros išorinė sienelė yra kvarcinis varpas su vandeniu aušinamu tarpiniu sluoksniu, o varpo vidus yra aukštos temperatūros reakcijos kamera, sudaryta iš didelio grynumo termoizoliacinio anglies veltinio. speciali grafito ertmė, grafito dujomis plūduriuojantis besisukantis pagrindas ir kt.. Visas kvarcinis varpas yra padengtas cilindrine indukcine rite, o varpo viduje esanti reakcijos kamera elektromagnetiškai šildoma vidutinio dažnio indukciniu maitinimo šaltiniu. Kaip parodyta 1 paveiksle (b), nešančiosios dujos, reakcijos dujos ir dopingo dujos teka per plokštelės paviršių horizontaliu sluoksniu nuo reakcijos kameros prieš srovę iki reakcijos kameros pasroviui ir išleidžiamos iš uodegos. dujų galas. Siekiant užtikrinti plokštelės vientisumą, oru plaukiojančio pagrindo vaflė proceso metu visada sukasi.

Eksperimente naudojamas komercinis 150 mm, 200 mm (6 colių, 8 colių) <1120> krypties 4° kampu laidus n tipo 4H-SiC dvipusis poliruotas SiC substratas, pagamintas Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorsilanas (SiHCl3, TCS) ir etilenas (C2H4) naudojami kaip pagrindiniai augimo šaltiniai proceso eksperimente, tarp kurių TCS ir C2H4 naudojami atitinkamai kaip silicio ir anglies šaltinis, didelio grynumo azotas (N2) naudojamas kaip n- tipo legiravimo šaltinis, o vandenilis (H2) naudojamas kaip skiedimo dujos ir nešančiosios dujos. Epitaksinio proceso temperatūros diapazonas yra 1 600 ~ 1 660 ℃, proceso slėgis yra 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, o H2 nešančiųjų dujų srautas yra 100–140 l/min.

1.3 Epitaksinės plokštelės bandymas ir apibūdinimas

Epitaksinio sluoksnio storio ir dopingo koncentracijos vidurkiui ir pasiskirstymui charakterizuoti naudotas Furjė infraraudonųjų spindulių spektrometras (įrangos gamintojas Thermalfisher, modelis iS50) ir gyvsidabrio zondo koncentracijos testeris (įrangos gamintojas Semilab, modelis 530L); Kiekvieno epitaksinio sluoksnio taško storis ir dopingo koncentracija buvo nustatyti imant taškus išilgai skersmens linijos, kertančios normalią pagrindinio atskaitos krašto liniją 45° kampu plokštelės centre, pašalinus 5 mm kraštą. 150 mm plokštelei paimti 9 taškai išilgai vieno skersmens linijos (du skersmenys buvo vienas kitam statmenai), o 200 mm plokštelei – 21 taškas, kaip parodyta 2 pav. Atominės jėgos mikroskopas (įrangos gamintojas Bruker, model Dimension Icon) buvo naudojamas 30 μm × 30 μm plotams epitaksinės plokštelės centre ir krašto srityje (5 mm kraštų pašalinimas) parinkti epitaksinio sluoksnio paviršiaus šiurkštumui patikrinti; epitaksinio sluoksnio defektai išmatuoti apibūdinimui naudojant paviršiaus defektų testerį (įrangos gamintojas China Electronics Kefenghua, modelis Mars 4410 pro).

2 Eksperimento rezultatai ir diskusija

2.1 Epitaksinio sluoksnio storis ir vienodumas

Epitaksinio sluoksnio storis, dopingo koncentracija ir vienodumas yra vienas iš pagrindinių rodiklių, leidžiančių įvertinti epitaksinių plokštelių kokybę. Tiksliai kontroliuojamas storis, dopingo koncentracija ir vienodumas plokštelėje yra raktas į SiC maitinimo įrenginių veikimą ir nuoseklumą, o epitaksinio sluoksnio storis ir dopingo koncentracijos vienodumas taip pat yra svarbūs epitaksinės įrangos proceso pajėgumų matavimo pagrindai.

3 paveiksle parodytas 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių storio vienodumas ir pasiskirstymo kreivė. Iš paveikslo matyti, kad epitaksinio sluoksnio storio pasiskirstymo kreivė yra simetriška plokštelės centro taškui. Epitaksinio proceso laikas yra 600 s, vidutinis 150 mm epitaksinės plokštelės epitaksinio sluoksnio storis yra 10,89 μm, o storio vienodumas yra 1,05%. Skaičiuojant, epitaksinio augimo greitis yra 65,3 μm/h, o tai yra tipiškas greito epitaksinio proceso lygis. Taikant tą patį epitaksinio proceso laiką, 200 mm epitaksinės plokštelės epitaksinio sluoksnio storis yra 10,10 μm, storio vienodumas yra 1,36%, o bendras augimo greitis yra 60,60 μm / h, o tai yra šiek tiek mažesnis nei 150 mm epitaksinis augimas. norma. Taip yra todėl, kad kai silicio šaltinis ir anglies šaltinis teka iš reakcijos kameros prieš srovę per plokštelės paviršių į pasroviui nuo reakcijos kameros, o 200 mm plokštelės plotas yra didesnis nei 150 mm. Dujos teka per 200 mm plokštelės paviršių ilgesnį atstumą, o pakeliui sunaudojama daugiau šaltinių dujų. Esant sąlygai, kad plokštelė nuolat sukasi, bendras epitaksinio sluoksnio storis yra plonesnis, todėl augimo greitis yra lėtesnis. Apskritai 150 mm ir 200 mm epitaksinių plokštelių storio vienodumas yra puikus, o įrangos apdorojimo galimybės gali atitikti aukštos kokybės prietaisų reikalavimus.

2.2 Epitaksinio sluoksnio dopingo koncentracija ir vienodumas

4 paveiksle parodytas 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių dopingo koncentracijos vienodumas ir kreivės pasiskirstymas. Kaip matyti iš paveikslo, koncentracijos pasiskirstymo kreivė ant epitaksinės plokštelės turi akivaizdžią simetriją plokštelės centro atžvilgiu. 150 mm ir 200 mm epitaksinių sluoksnių dopingo koncentracijos vienodumas yra atitinkamai 2,80% ir 2,66%, o tai gali būti kontroliuojama per 3%, o tai yra puikus lygis tarp tarptautinės panašios įrangos. Epitaksinio sluoksnio dopingo koncentracijos kreivė pasiskirsto "W" forma išilgai skersmens krypties, kurią daugiausia lemia horizontalios karštos sienelės epitaksinės krosnies srauto laukas, nes horizontalaus oro srauto epitaksinio augimo krosnies oro srauto kryptis yra nuo oro įleidimo galas (prieš srovę) ir iš pasrovinio galo laminariniu srautu išteka per plokštelės paviršių; kadangi anglies šaltinio (C2H4) „išeikvojimo“ greitis yra didesnis nei silicio šaltinio (TCS), kai plokštelė sukasi, tikrasis C/Si ant plokštelės paviršiaus palaipsniui mažėja nuo krašto iki centras (anglies šaltinis centre yra mažesnis), pagal C ir N "konkurencinės padėties teoriją" dopingo koncentracija plokštelės centre palaipsniui mažėja link krašto. Norint gauti puikų koncentracijos vienodumą, epitaksinio proceso metu kaip kompensacija pridedama kraštas N2, kad sulėtintų dopingo koncentracijos mažėjimą nuo centro iki krašto, kad galutinė dopingo koncentracijos kreivė būtų „W“ formos.

2.3 Epitaksinio sluoksnio defektai

Be storio ir dopingo koncentracijos, epitaksinio sluoksnio defektų kontrolės lygis taip pat yra pagrindinis parametras matuojant epitaksinių plokštelių kokybę ir svarbus epitaksinės įrangos proceso pajėgumo rodiklis. Nors SBD ir MOSFET keliami skirtingi reikalavimai defektams, akivaizdesni paviršiaus morfologijos defektai, tokie kaip kritimo defektai, trikampio defektai, morkų defektai ir kometos defektai, yra apibrėžiami kaip SBD ir MOSFET įrenginių žudantys defektai. Šių defektų turinčių lustų gedimo tikimybė yra didelė, todėl žudikų defektų skaičiaus kontrolė yra itin svarbi siekiant pagerinti lustų išeigą ir sumažinti išlaidas. 5 paveiksle parodytas 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių žudikų defektų pasiskirstymas. Jei nėra akivaizdaus C/Si santykio disbalanso, morkų ir kometų defektai gali būti iš esmės pašalinti, o kritimo defektai ir trikampio defektai yra susiję su švaros kontrole eksploatuojant epitaksinę įrangą, grafito priemaišų lygį. dalys reakcijos kameroje ir substrato kokybė. Iš 2 lentelės matome, kad mirtinų 150 mm ir 200 mm epitaksinių plokštelių defektų tankis gali būti kontroliuojamas 0,3 dalelių/cm2 ribose, o tai yra puikus lygis to paties tipo įrangai. Mirtinas 150 mm epitaksinės plokštelės defektų tankio kontrolės lygis yra geresnis nei 200 mm epitaksinės plokštelės. Taip yra todėl, kad 150 mm substrato paruošimo procesas yra brandesnis nei 200 mm, substrato kokybė yra geresnė, o 150 mm grafito reakcijos kameros priemaišų kontrolės lygis yra geresnis.

2.4 Epitaksinės plokštelės paviršiaus šiurkštumas

6 paveiksle pavaizduoti 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių paviršiaus AFM vaizdai. Kaip matyti iš paveikslo, 150 mm ir 200 mm epitaksinių plokštelių paviršiaus vidutinis kvadratinis šiurkštumas Ra yra atitinkamai 0,129 nm ir 0,113 nm, o epitaksinio sluoksnio paviršius yra lygus, be akivaizdaus makropakopinio agregacijos reiškinio, kuris rodo, kad epitaksinio sluoksnio augimas visada palaiko žingsnio srauto augimo režimą viso epitaksinio proceso metu ir nevyksta žingsnių agregacija. Matyti, kad naudojant optimizuotą epitaksinio augimo procesą, epitaksinis sluoksnis su lygiu paviršiumi gali būti gaunamas ant 150 mm ir 200 mm žemo kampo substratų.

3. Išvados

150 mm ir 200 mm 4H-SiC homoepitaksinės plokštelės buvo sėkmingai paruoštos ant buitinių substratų naudojant pačių sukurtą 200 mm SiC epitaksinio auginimo įrangą ir sukurtas homoepitaksinis procesas, tinkamas 150 mm ir 200 mm. Epitaksinis augimo greitis gali būti didesnis nei 60 μm/val. Nors ir atitinka didelės spartos epitaksijos reikalavimus, epitaksinės plokštelės kokybė yra puiki. 150 mm ir 200 mm SiC epitaksinių plokštelių storio vienodumas gali būti kontroliuojamas 1,5 %, koncentracijos vienodumas yra mažesnis nei 3 %, mirtino defekto tankis yra mažesnis nei 0,3 dalelės/cm2, o epitaksinio paviršiaus šiurkštumo kvadrato vidurkis Ra yra mažesnis nei 0,15 nm. Pagrindiniai epitaksinių plokštelių proceso rodikliai yra aukščiausio lygio pramonėje.

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

VeTek Semiconductor yra profesionalus Kinijos gamintojasCVD SiC dengtos lubos, CVD SiC dangos antgalis, irSiC dangos įleidimo žiedas.  „VeTek Semiconductor“ yra įsipareigojusi teikti pažangius sprendimus įvairiems SiC Wafer gaminiams puslaidininkių pramonei.

Jei jus domina8 colių SiC epitaksinė krosnis ir homoepitaksinis procesas, nedvejodami susisiekite su mumis tiesiogiai.

Mob.: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

paštas: anny@veteksemi.com