8 tuuman piikarbidiepitaksiaalinen uuni ja homoepitaksiaalinen prosessitutkimus

Tällä hetkellä piikarbiditeollisuus on muuttumassa 150 mm:stä (6 tuumasta) 200 mm:iin (8 tuumaa). Teollisuuden suurikokoisten, korkealaatuisten SiC homoepitaksiaalisten kiekkojen kiireelliseen kysyntään vastaamiseksi valmistettiin onnistuneesti 150 mm ja 200 mm 4H-SiC homoepitaksiaaliset kiekot kotimaisille alustoille itsenäisesti kehitetyllä 200 mm SiC epitaksiaalisella kasvulaitteistolla. Kehitettiin 150 mm ja 200 mm:lle sopiva homoepitaksiaalinen prosessi, jossa epitaksiaalinen kasvunopeus voi olla suurempi kuin 60 μm/h. Nopean epitaksian täyttäessä epitaksiaalisen kiekon laatu on erinomainen. 150 mm:n ja 200 mm:n SiC-epitaksiaalisten kiekkojen paksuuden tasaisuutta voidaan säätää 1,5 %:n sisällä, pitoisuuden tasaisuus on alle 3 %, fataalivirheen tiheys on alle 0,3 hiukkasta/cm2 ja epitaksiaalisen pinnan karheuden neliökeskiarvo Ra on alle 0,15 nm, ja kaikki ydinprosessiindikaattorit ovat alan edistyneellä tasolla.

Piikarbidi (SiC) on yksi kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalien edustajista. Sillä on korkea läpilyöntikentän voimakkuus, erinomainen lämmönjohtavuus, suuri elektronien kyllästymisnopeus ja vahva säteilyvastus. Se on laajentanut huomattavasti teholaitteiden energiankäsittelykapasiteettia ja voi täyttää seuraavan sukupolven tehoelektroniikkalaitteiden palveluvaatimukset laitteille, joissa on suuri teho, pieni koko, korkea lämpötila, korkea säteily ja muut äärimmäiset olosuhteet. Se voi vähentää tilaa, vähentää virrankulutusta ja vähentää jäähdytysvaatimuksia. Se on tuonut vallankumouksellisia muutoksia uusiin energiaajoneuvoihin, rautatieliikenteeseen, älykkäisiin verkkoihin ja muille aloille. Siksi piikarbidipuolijohteet on tunnustettu ihanteelliseksi materiaaliksi, joka johtaa seuraavan sukupolven suuritehoisia sähkölaitteita. Kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuuden kehittämisen kansallisen poliittisen tuen ansiosta 150 mm:n piikarbidin laiteteollisuusjärjestelmän tutkimus-, kehitys- ja rakentaminen on viime vuosina pääosin saatu päätökseen Kiinassa ja teollisuusketjun turvallisuus on periaatteessa taattu. Siksi alan painopiste on vähitellen siirtynyt kustannusten hallintaan ja tehokkuuden parantamiseen. Kuten taulukosta 1 näkyy, verrattuna 150 mm:iin, 200 mm:n SiC:llä on korkeampi reunan käyttöaste, ja yksittäisten kiekkosirujen tuotantoa voidaan lisätä noin 1,8-kertaiseksi. Teknologian kypsymisen jälkeen yhden sirun valmistuskustannuksia voidaan alentaa 30 %. 200 mm:n tekninen läpimurto on suora keino "vähentää kustannuksia ja lisätä tehokkuutta", ja se on myös kotimaani puolijohdeteollisuudelle avain "rinnakkaiselle" tai jopa "johtamiselle".

Si-laiteprosessista poiketen kaikki SiC-puolijohdeteholaitteet prosessoidaan ja valmistetaan epitaksiaalisilla kerroksilla kulmakivenä. Epitaksiaaliset kiekot ovat olennaisia ​​perusmateriaaleja piikarbiditeholaitteille. Epitaksiaalikerroksen laatu määrää suoraan laitteen tuoton, ja sen hinta on 20 % sirun valmistuskustannuksista. Siksi epitaksiaalinen kasvu on olennainen välilinkki SiC-teholaitteissa. Epitaksisen prosessin tason yläraja määräytyy epitaksilaitteiston avulla. Tällä hetkellä kotimaisten 150 mm:n SiC-epitaksilaitteiden lokalisointiaste on suhteellisen korkea, mutta 200 mm:n kokonaisasetelma on samalla jäljessä kansainvälisestä tasosta. Siksi tässä artikkelissa esitellään kotimaassani onnistuneesti kehitetyt 200 mm:n piikarbidiepitaksiaalilaitteet, jotta voidaan ratkaista kiireelliset tarpeet ja pullonkaulaongelmat, jotka liittyvät suurikokoisten, korkealaatuisten epitaksimateriaalien valmistukseen kotimaisen kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuuden kehittämiseen. ja tutkii epitaksiaalista prosessia. Optimoimalla prosessiparametreja, kuten prosessin lämpötila, kantokaasun virtausnopeus, C/Si-suhde jne., konsentraation tasaisuus <3 %, paksuuden epätasaisuus <1,5 %, karheus Ra <0,2 nm ja tappavan vian tiheys <0,3 hiukkasta /cm2 saadaan 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalisia kiekkoja itsekehitetyllä 200 mm piikarbidiepitaksiaalisella uunilla. Laiteprosessitaso pystyy vastaamaan korkealaatuisen piikarbiditeholaitteiden valmistelun tarpeisiin.

1 Kokeilu

1.1 SiC epitaksiaaliprosessin periaate

4H-SiC-homoepitaksiaalinen kasvuprosessi sisältää pääasiassa 2 avainvaihetta, nimittäin 4H-SiC-substraatin korkean lämpötilan in situ -etsauksen ja homogeenisen kemiallisen höyrypinnoitusprosessin. Substraatin in situ -etsauksen päätarkoitus on poistaa alustan pintavauriot kiekkojen kiillotuksen jälkeen, jäännöskiillotusneste, hiukkaset ja oksidikerros, ja alustan pinnalle voidaan muodostaa säännöllinen atomiporrasrakenne syövyttämällä. In situ -etsaus suoritetaan yleensä vetyatmosfäärissä. Varsinaisten prosessivaatimusten mukaan voidaan lisätä myös pieni määrä apukaasua, kuten kloorivetyä, propaania, eteeniä tai silaania. In situ vetyetsauksen lämpötila on yleensä yli 1 600 ℃, ja reaktiokammion painetta ohjataan yleensä alle 2 × 104 Pa syövytysprosessin aikana.

Kun alustan pinta on aktivoitu in situ -etsauksella, se siirtyy korkean lämpötilan kemialliseen höyrypinnoitusprosessiin, eli kasvulähteeseen (kuten eteeni/propaani, TCS/silaani), seostuslähteeseen (n-tyypin seostuslähdetyppi , p-tyyppinen seostuslähde TMAl) ja apukaasu, kuten kloorivety, kuljetetaan reaktiokammioon suuren kantokaasuvirran (yleensä vety) kautta. Kun kaasu reagoi korkean lämpötilan reaktiokammiossa, osa prekursorista reagoi kemiallisesti ja adsorboituu kiekon pintaan, jolloin muodostuu yksikiteinen homogeeninen 4H-SiC epitaksiaalinen kerros, jolla on tietty seostuspitoisuus, ominaispaksuus ja korkeampi laatu. substraatin pinnalle käyttämällä yksikiteistä 4H-SiC-substraattia mallineena. Vuosien teknisen tutkimuksen jälkeen 4H-SiC-homoepitaksiaalinen tekniikka on periaatteessa kypsynyt ja sitä käytetään laajalti teollisessa tuotannossa. Maailman laajimmin käytetyllä 4H-SiC-homoepitaksiaalisella tekniikalla on kaksi tyypillistä ominaisuutta: (1) Käyttämällä akselin ulkopuolista (suhteessa <0001> kidetasoon, kohti <11-20> kidesuuntaa) vinosti leikattua alustaa. template, erittäin puhdas yksikiteinen 4H-SiC epitaksiaalinen kerros ilman epäpuhtauksia kerrostetaan substraatille vaihevirtauskasvutilan muodossa. Varhaisessa 4H-SiC:n homoepitaksiaalisessa kasvussa käytettiin positiivista kidesubstraattia, eli <0001> Si-tasoa kasvuun. Positiivisen kidealustan pinnalla olevien atomiaskelmien tiheys on pieni ja terassit leveät. Kaksiulotteinen nukleaatiokasvu on helppo tapahtua epitaksiprosessin aikana, jolloin muodostuu 3C-kiteinen SiC (3C-SiC). Akselin ulkopuolisella leikkauksella 4H-SiC <0001> -substraatin pinnalle voidaan tuoda tiheitä, kapeita terassin leveitä atomiaskeleita ja adsorboitu prekursori voi tehokkaasti saavuttaa atomiaskelaseman suhteellisen alhaisella pintaenergialla pintadiffusion kautta. . Vaiheessa esiasteatomin/molekyyliryhmän sidoskohta on ainutlaatuinen, joten vaihevirtauskasvutilassa epitaksiaalinen kerros voi täydellisesti periä substraatin Si-C-kaksoisatomikerroksen pinoamissekvenssin muodostaen yksittäiskiteen, jossa on sama kide. faasi substraattina. (2) Nopea epitaksiaalinen kasvu saavutetaan lisäämällä klooria sisältävää piilähdettä. Perinteisissä piikarbidin kemiallisissa höyrypinnoitusjärjestelmissä silaani ja propaani (tai eteeni) ovat tärkeimmät kasvun lähteet. Kun kasvunopeutta nostetaan kasvattamalla kasvulähteen virtausnopeutta, piikomponentin tasapainon osapaineen kasvaessa edelleen, on helppo muodostaa piiklustereita homogeenisella kaasufaasin ydintämisellä, mikä vähentää merkittävästi piikomponentin käyttöastetta. piin lähde. Piiklustereiden muodostuminen rajoittaa suuresti epitaksiaalisen kasvunopeuden paranemista. Samanaikaisesti piiklusterit voivat häiritä askelvirtauksen kasvua ja aiheuttaa vikoja. Homogeenisen kaasufaasin nukleoitumisen välttämiseksi ja epitaksiaalisen kasvunopeuden lisäämiseksi klooripohjaisten piilähteiden käyttöönotto on tällä hetkellä yleisin menetelmä 4H-SiC:n epitaksiaalisen kasvunopeuden lisäämiseksi.

1,2 200 mm (8 tuuman) piikarbidin epitaksilaitteisto ja prosessiolosuhteet

Kaikki tässä asiakirjassa kuvatut kokeet suoritettiin 150/200 mm (6/8 tuuman) yhteensopivalla monoliittisella vaakasuuntaisella kuumaseinämäisellä SiC-epitaksiaalisella laitteistolla, jonka 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation oli itsenäisesti kehittänyt. Epitaksiaalinen uuni tukee täysin automaattista kiekkojen lataamista ja purkamista. Kuvio 1 on kaaviokuva epitaksiaalilaitteiston reaktiokammion sisäisestä rakenteesta. Kuten kuvasta 1 näkyy, reaktiokammion ulkoseinä on kvartsikello, jossa on vesijäähdytteinen välikerros, ja kellon sisäpuoli on korkean lämpötilan reaktiokammio, joka koostuu lämpöeristetystä hiilihuovasta, erittäin puhtaasta. erityinen grafiittiontelo, grafiittikaasulla kelluva pyörivä alusta jne. Koko kvartsikello on peitetty sylinterimäisellä induktiokelalla, ja kellon sisällä olevaa reaktiokammiota lämmitetään sähkömagneettisesti keskitaajuisella induktiovirtalähteellä. Kuten kuvassa 1 (b) esitetään, kantokaasu, reaktiokaasu ja seostuskaasu virtaavat kaikki kiekon pinnan läpi vaakasuorana laminaarivirtauksena reaktiokammion ylävirrasta reaktiokammion alavirtaan ja poistuvat pyrstöstä. kaasupää. Tasaisuuden varmistamiseksi kiekon sisällä ilmakelluvan pohjan kantamaa kiekkoa pyöritetään aina prosessin aikana.

Kokeessa käytetty substraatti on kaupallinen 150 mm, 200 mm (6 tuumaa, 8 tuumaa) <1120> suuntainen 4° kulmasta poikkeava johtava n-tyypin 4H-SiC kaksipuolinen kiillotettu piikarbidisubstraatti, jota valmistaa Shanxi Shuoke Crystal. Trikloorisilaania (SiHCl3, TCS) ja eteeniä (C2H4) käytetään pääasiallisina kasvulähteinä prosessikokeessa, joista TCS:ää ja C2H4:ää käytetään piin lähteenä ja C2H4:ää vastaavasti, erittäin puhdasta typpeä (N2) käytetään n- tyyppistä dopinglähdettä, ja vetyä (H2) käytetään laimennuskaasuna ja kantokaasuna. Epitaksiaalinen prosessilämpötila-alue on 1 600 ~ 1 660 ℃, prosessipaine on 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa ja H2-kantokaasun virtausnopeus on 100 - 140 l/min.

1.3 Epitaksiaalisten kiekkojen testaus ja karakterisointi

Fourier-infrapunaspektrometriä (laitevalmistaja Thermalfisher, malli iS50) ja elohopeanetsin konsentraatiomittaria (laitevalmistaja Semilab, malli 530L) käytettiin karakterisoimaan epitaksiaalisen kerrospaksuuden ja dopingpitoisuuden keskiarvo ja jakauma; kunkin pisteen paksuus ja seostuspitoisuus epitaksiaalisessa kerroksessa määritettiin ottamalla halkaisijaviivaa pitkin pisteitä, jotka leikkaavat päävertailureunan normaalin linjan 45°:ssa kiekon keskellä 5 mm:n reunan poiston jälkeen. 150 mm:n kiekosta otettiin 9 pistettä yhtä halkaisijaviivaa pitkin (kaksi halkaisijaa olivat kohtisuorassa toisiinsa nähden) ja 200 mm:n kiekosta 21 pistettä, kuten kuvassa 2. Atomivoimamikroskooppi (laitteen valmistaja) Bruker, malli Dimension Icon) käytettiin valitsemaan 30 μm × 30 μm alueita epitaksiaalisen kiekon keskialueelta ja reuna-alueelta (5 mm:n reunan poisto) epitaksiaalisen kerroksen pinnan karheuden testaamiseksi; epitaksiaalikerroksen viat mitattiin karakterisointia varten pintavikojen testaajalla (laitevalmistaja China Electronics Kefenghua, malli Mars 4410 pro).

2 Kokeen tulokset ja keskustelu

2.1 Epitaksiaalikerroksen paksuus ja tasaisuus

Epitaksiaalisen kerroksen paksuus, dopingpitoisuus ja tasaisuus ovat yksi keskeisistä indikaattoreista arvioitaessa epitaksiaalisten kiekkojen laatua. Tarkasti säädettävä paksuus, seostuspitoisuus ja tasaisuus kiekon sisällä ovat avainasemassa piikarbidin teholaitteiden suorituskyvyn ja yhtenäisyyden varmistamisessa, ja epitaksisen kerroksen paksuus ja seostuspitoisuuden tasaisuus ovat myös tärkeitä perusteita epitaksiaalisten laitteiden prosessikyvyn mittaamisessa.

Kuvassa 3 on 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalisten kiekkojen paksuuden tasaisuus ja jakautumiskäyrä. Kuvasta voidaan nähdä, että epitaksiaalinen kerrospaksuuden jakautumiskäyrä on symmetrinen kiekon keskipisteen suhteen. Epitaksinen prosessiaika on 600 s, 150 mm:n epitaksiaalisen kiekon keskimääräinen epitaksiaalikerroksen paksuus on 10,89 μm ja paksuuden tasaisuus on 1,05 %. Laskennallisesti epitaksiaalinen kasvunopeus on 65,3 μm/h, mikä on tyypillinen nopea epitaksiaalinen prosessitaso. Samalla epitaksiaalisella prosessiajalla 200 mm:n epitaksiaalisen kiekon epitaksiaalinen kerrospaksuus on 10,10 μm, paksuuden tasaisuus on 1,36 %:n sisällä ja kokonaiskasvunopeus on 60,60 μm/h, mikä on hieman pienempi kuin 150 mm:n epitaksiaalinen kasvu. korko. Tämä johtuu siitä, että matkan varrella tapahtuu ilmeistä menetystä, kun piilähde ja hiilen lähde virtaavat reaktiokammion ylävirrasta kiekon pinnan kautta reaktiokammion alavirtaan, ja 200 mm kiekon pinta-ala on suurempi kuin 150 mm. Kaasu virtaa 200 mm:n kiekon pinnan läpi pidemmän matkan, ja matkan varrella kulutettua lähdekaasua on enemmän. Sillä ehdolla, että kiekko jatkaa pyörimistä, epitaksiaalikerroksen kokonaispaksuus on ohuempi, joten kasvunopeus on hitaampi. Kaiken kaikkiaan 150 mm:n ja 200 mm:n epitaksiaalisten kiekkojen paksuuden tasaisuus on erinomainen ja laitteiston prosessikyky täyttää korkealaatuisten laitteiden vaatimukset.

2.2 Epitaksiaalikerroksen seostuspitoisuus ja tasaisuus

Kuvassa 4 esitetään seostuspitoisuuden tasaisuus ja käyräjakauma 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalisilla kiekoilla. Kuten kuvasta voidaan nähdä, pitoisuusjakaumakäyrällä epitaksiaalisella kiekolla on ilmeinen symmetria kiekon keskustaan ​​nähden. 150 mm:n ja 200 mm:n epitaksiaalisten kerrosten dopingpitoisuuden tasaisuus on 2,80 % ja 2,66 %, mikä on säädettävissä 3 %:n sisällä, mikä on erinomainen taso kansainvälisten vastaavien laitteiden joukossa. Epitaksikerroksen seostuspitoisuuskäyrä on jakautunut "W"-muotoon halkaisijan suunnassa, jonka pääosin määrittää vaakasuuntaisen kuumaseinämäisen epitaksiaalisen uunin virtauskenttä, koska vaakasuuntaisen ilmavirran epitaksiaalisen kasvuuunin ilmavirran suunta on ilman sisääntulopää (ylävirtaan) ja virtaa ulos alavirran päästä laminaarisessa virtauksessa kiekon pinnan läpi; koska hiilen lähteen (C2H4) matkan varrella kuluva nopeus on korkeampi kuin piilähteen (TCS), kiekon pyöriessä todellinen C/Si kiekon pinnalla pienenee vähitellen reunasta keskipiste (keskellä oleva hiilenlähde on pienempi), C:n ja N:n "kilpailevan aseman teorian" mukaan dopingpitoisuus kiekon keskellä vähenee vähitellen reunaa kohti. Erinomaisen konsentraatiotasaisuuden saavuttamiseksi reuna N2 lisätään kompensaatioksi epitaksiaalisessa prosessissa dopingpitoisuuden vähenemisen hidastamiseksi keskustasta reunaan, jolloin lopullinen seostuspitoisuuskäyrä on "W"-muotoinen.

2.3 Epitaksiaalikerroksen viat

Paksuuden ja dopingpitoisuuden lisäksi epitaksiaalisten kerrosten vikojen hallinnan taso on myös keskeinen parametri epitaksiaalisten kiekkojen laadun mittaamisessa ja tärkeä indikaattori epitaksiaalisten laitteiden prosessikyvystä. Vaikka SBD:llä ja MOSFET:llä on erilaiset vaatimukset virheille, selvemmät pinnan morfologiset viat, kuten pudotusvirheet, kolmiovirheet, porkkanavirheet ja komeettavirheet, määritellään tappaviksi SBD- ja MOSFET-laitteiden viaksi. Näitä vikoja sisältävien lastujen rikkoutumisen todennäköisyys on suuri, joten tappavien vikojen määrän hallinta on erittäin tärkeää haketuoton parantamiseksi ja kustannusten vähentämiseksi. Kuvassa 5 on esitetty 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalisten kiekkojen tappajavikojen jakautuminen. Edellyttäen, että C/Si-suhteessa ei ole ilmeistä epätasapainoa, porkkanavirheet ja komeettavirheet voidaan periaatteessa eliminoida, kun taas pudotusvirheet ja kolmiovirheet liittyvät puhtauden hallintaan epitaksiaalisten laitteiden käytön aikana, grafiitin epäpuhtausaste. osat reaktiokammiossa ja substraatin laatu. Taulukosta 2 nähdään, että 150 mm ja 200 mm epitaksiaalisten kiekkojen kohtalokasta vikatiheyttä voidaan säätää 0,3 hiukkasen/cm2 sisällä, mikä on erinomainen taso samantyyppisille laitteille. 150 mm:n epitaksiaalisen kiekon kohtalokas vikatiheyden hallintataso on parempi kuin 200 mm:n epitaksiaalisen kiekon. Tämä johtuu siitä, että 150 mm:n substraatin valmistusprosessi on kypsempi kuin 200 mm:n, substraatin laatu on parempi ja 150 mm:n grafiitin reaktiokammion epäpuhtauksien hallintataso on parempi.

2.4 Epitaksiaalisen kiekon pinnan karheus

Kuvassa 6 on AFM-kuvat 150 mm ja 200 mm SiC epitaksiaalisten kiekkojen pinnasta. Kuten kuvasta voidaan nähdä, 150 mm:n ja 200 mm:n epitaksiaalisten kiekkojen pintakeskiarvokarheus Ra on vastaavasti 0,129 nm ja 0,113 nm, ja epitaksikerroksen pinta on sileä, ilman ilmeistä makrovaiheen aggregaatioilmiötä, mikä ilmaisee, että epitaksiaalikerroksen kasvu säilyttää aina askelvirtauskasvumoodin koko epitaksiaalisen prosessin ajan, eikä askelaggregaatiota tapahdu. Voidaan nähdä, että epitaksiaalinen kerros, jolla on sileä pinta, voidaan saada 150 mm ja 200 mm matalakulmaisille substraateille käyttämällä optimoitua epitaksiaalista kasvuprosessia.

3. Johtopäätökset

150 mm ja 200 mm 4H-SiC homoepitaksiaaliset kiekot valmistettiin onnistuneesti kotimaisille substraateille käyttämällä itse kehitettyä 200 mm SiC epitaksiaalista kasvatuslaitteistoa ja kehitettiin homoepitaksiaalinen prosessi, joka soveltuu 150 mm ja 200 mm:lle. Epitaksiaalinen kasvunopeus voi olla suurempi kuin 60 μm/h. Vaikka se täyttää nopean epitaksivaatimuksen, epitaksiaalisen kiekon laatu on erinomainen. 150 mm:n ja 200 mm:n SiC-epitaksiaalisten kiekkojen paksuuden tasaisuutta voidaan säätää 1,5 %:n sisällä, pitoisuuden tasaisuus on alle 3 %, fataalivirheen tiheys on alle 0,3 hiukkasta/cm2 ja epitaksiaalisen pinnan karheuden neliökeskiarvo Ra on alle 0,15 nm. Epitaksiaalisten kiekkojen ydinprosessi-indikaattorit ovat alan edistyneellä tasolla.

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

VeTek Semiconductor on ammattimainen kiinalainen valmistajaCVD SiC päällystetty katto, CVD SiC -pinnoitesuutin, jaSiC-pinnoitteen tulorengas.  VeTek Semiconductor on sitoutunut tarjoamaan edistyneitä ratkaisuja erilaisille SiC Wafer -tuotteille puolijohdeteollisuudelle.

Jos olet kiinnostunut8 tuuman SiC epitaksiaalinen uuni ja homoepitaksiaalinen prosessi, ota rohkeasti yhteyttä suoraan meihin.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

Sähköposti: anny@veteksemi.com