Cuptor epitaxial SiC de 8 inchi și cercetarea procesului homoepitaxial

În prezent, industria SiC se transformă de la 150 mm (6 inchi) la 200 mm (8 inchi). Pentru a satisface cererea urgentă de napolitane homoepitaxiale SiC de dimensiuni mari și de înaltă calitate din industrie, napolitanele homoepitaxiale 4H-SiC de 150 mm și 200 mm au fost preparate cu succes pe substraturi domestice folosind echipamentele de creștere epitaxiale SiC de 200 mm dezvoltate independent. A fost dezvoltat un proces homoepitaxial potrivit pentru 150 mm și 200 mm, în care rata de creștere epitaxială poate fi mai mare de 60 μm/h. În timp ce îndeplinește epitaxia de mare viteză, calitatea plachetei epitaxiale este excelentă. Uniformitatea grosimii plachetelor epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm poate fi controlată cu 1,5%, uniformitatea concentrației este mai mică de 3%, densitatea defectului fatal este mai mică de 0,3 particule/cm2, iar pătratul mediu al rugozității suprafeței epitaxiale Ra este mai puțin de 0,15 nm, iar toți indicatorii de proces de bază sunt la nivelul avansat al industriei.

Carbura de siliciu (SiC) este unul dintre reprezentanții materialelor semiconductoare de a treia generație. Are caracteristici de intensitate mare a câmpului de defalcare, conductivitate termică excelentă, viteză mare de saturație a electronilor și rezistență puternică la radiații. A extins foarte mult capacitatea de procesare a energiei a dispozitivelor de putere și poate îndeplini cerințele de service ale următoarei generații de echipamente electronice de putere pentru dispozitive cu putere mare, dimensiuni mici, temperatură ridicată, radiații ridicate și alte condiții extreme. Poate reduce spațiul, reduce consumul de energie și reduce cerințele de răcire. A adus schimbări revoluționare în vehiculele cu energie nouă, transportul feroviar, rețelele inteligente și alte domenii. Prin urmare, semiconductorii cu carbură de siliciu au devenit recunoscuți ca materialul ideal care va conduce următoarea generație de dispozitive electronice de mare putere. În ultimii ani, datorită sprijinului politicii naționale pentru dezvoltarea industriei de semiconductori de a treia generație, cercetarea, dezvoltarea și construcția sistemului industrial de dispozitive SiC de 150 mm au fost practic finalizate în China, iar securitatea lanțului industrial a fost finalizată. a fost practic garantat. Prin urmare, accentul industriei s-a mutat treptat către controlul costurilor și îmbunătățirea eficienței. După cum se arată în Tabelul 1, în comparație cu 150 mm, 200 mm SiC are o rată de utilizare a marginilor mai mare, iar producția de cipuri simple wafer poate fi crescută de aproximativ 1,8 ori. După ce tehnologia se maturizează, costul de producție al unui singur cip poate fi redus cu 30%. Inovația tehnologică de 200 mm este un mijloc direct de „reducere a costurilor și creștere a eficienței” și este, de asemenea, cheia pentru ca industria semiconductoarelor din țara mea să „meargă în paralel” sau chiar să „conducă”.

Spre deosebire de procesul dispozitivului Si, dispozitivele de putere cu semiconductor SiC sunt toate procesate și pregătite cu straturi epitaxiale ca piatră de temelie. Placile epitaxiale sunt materiale de bază esențiale pentru dispozitivele de putere SiC. Calitatea stratului epitaxial determină în mod direct randamentul dispozitivului, iar costul acestuia reprezintă 20% din costul de fabricație a cipului. Prin urmare, creșterea epitaxială este o legătură intermediară esențială în dispozitivele de putere SiC. Limita superioară a nivelului procesului epitaxial este determinată de echipamentul epitaxial. În prezent, gradul de localizare al echipamentelor epitaxiale interne de 150 mm SiC este relativ ridicat, dar aspectul general de 200 mm rămâne în urmă la nivel internațional, în același timp. Prin urmare, pentru a rezolva nevoile urgente și problemele de blocaj ale producției de materiale epitaxiale de dimensiuni mari și de înaltă calitate pentru dezvoltarea industriei interne de semiconductori de a treia generație, această lucrare prezintă echipamentul epitaxial SiC de 200 mm dezvoltat cu succes în țara mea, și studiază procesul epitaxial. Prin optimizarea parametrilor procesului, cum ar fi temperatura procesului, debitul de gaz purtător, raportul C/Si etc., uniformitatea concentrației <3%, neuniformitatea grosimii <1,5%, rugozitatea Ra <0,2 nm și densitatea defectului fatal <0,3 particule Se obțin plachete epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm /cm2 cu cuptor epitaxial de carbură de siliciu autodezvoltat de 200 mm. Nivelul de proces al echipamentului poate satisface nevoile de pregătire a dispozitivelor de putere SiC de înaltă calitate.

1 Experimente

1.1 Principiul procesului epitaxial SiC

Procesul de creștere homoepitaxială 4H-SiC include în principal 2 pași cheie, și anume, gravarea in situ la temperatură înaltă a substratului 4H-SiC și procesul de depunere chimică omogenă în vapori. Scopul principal al gravării in-situ a substratului este de a elimina deteriorarea de sub suprafață a substratului după lustruirea plachetelor, lichidul de lustruire rezidual, particulele și stratul de oxid, iar pe suprafața substratului se poate forma o structură atomică obișnuită prin gravare. Gravarea in situ este de obicei efectuată într-o atmosferă de hidrogen. În conformitate cu cerințele actuale ale procesului, se poate adăuga și o cantitate mică de gaz auxiliar, cum ar fi acid clorhidric, propan, etilenă sau silan. Temperatura de gravare in situ cu hidrogen este în general peste 1 600 ℃, iar presiunea camerei de reacție este în general controlată sub 2 x 104 Pa în timpul procesului de gravare.

După ce suprafața substratului este activată prin gravare in situ, aceasta intră în procesul de depunere chimică în vapori la temperatură înaltă, adică sursa de creștere (cum ar fi etilenă/propan, TCS/silan), sursa de dopaj (sursa de dopaj de tip n azot). , sursa de dopaj de tip p TMAl) și gazul auxiliar, cum ar fi clorura de hidrogen, sunt transportate în camera de reacție printr-un flux mare de gaz purtător (de obicei hidrogen). După ce gazul reacționează în camera de reacție la temperatură înaltă, o parte a precursorului reacționează chimic și se adsorbe pe suprafața plachetei și se formează un strat epitaxial omogen 4H-SiC monocristal, cu o concentrație specifică de dopaj, grosime specifică și calitate superioară. pe suprafața substratului folosind substratul monocristal 4H-SiC ca șablon. După ani de explorări tehnice, tehnologia homoepitaxială 4H-SiC sa maturizat practic și este utilizată pe scară largă în producția industrială. Cea mai utilizată tehnologie homoepitaxială 4H-SiC din lume are două caracteristici tipice: (1) Utilizarea unui substrat în afara axei (față de planul cristalin <0001>, spre direcția cristalului <11-20>) ca substrat tăiat oblic. șablon, un strat epitaxial 4H-SiC monocristal de înaltă puritate fără impurități este depus pe substrat sub forma unui mod de creștere în trepte. Creșterea homoepitaxială timpurie 4H-SiC a folosit un substrat de cristal pozitiv, adică planul <0001> Si pentru creștere. Densitatea treptelor atomice pe suprafața substratului de cristal pozitiv este scăzută, iar terasele sunt largi. Creșterea bidimensională a nucleației este ușor să apară în timpul procesului de epitaxie pentru a forma SiC cristalin 3C (3C-SiC). Prin tăierea în afara axei, pe suprafața substratului 4H-SiC <0001> pot fi introduși trepte atomice de înaltă densitate, cu lățime de terasă îngustă, iar precursorul adsorbit poate ajunge efectiv la poziția de treaptă atomică cu energie de suprafață relativ scăzută prin difuzie la suprafață . La pas, poziția de legare a atomului precursor/grupului molecular este unică, astfel încât în ​​modul de creștere a fluxului în trepte, stratul epitaxial poate moșteni perfect secvența de stivuire a stratului atomic dublu Si-C a substratului pentru a forma un singur cristal cu același cristal. faza ca substrat. (2) Creșterea epitaxială de mare viteză se realizează prin introducerea unei surse de siliciu care conține clor. În sistemele convenționale de depunere chimică în vapori SiC, silanul și propanul (sau etilena) sunt principalele surse de creștere. În procesul de creștere a ratei de creștere prin creșterea debitului sursei de creștere, pe măsură ce presiunea parțială de echilibru a componentei de siliciu continuă să crească, este ușor să se formeze clustere de siliciu prin nucleare omogenă în fază gazoasă, ceea ce reduce semnificativ rata de utilizare a sursă de siliciu. Formarea clusterelor de siliciu limitează foarte mult îmbunătățirea ratei de creștere epitaxiale. În același timp, clusterele de siliciu pot perturba creșterea fluxului în trepte și pot provoca nuclearea defectelor. Pentru a evita nuclearea omogenă în fază gazoasă și pentru a crește rata de creștere epitaxială, introducerea surselor de siliciu pe bază de clor este în prezent metoda principală de creștere a ratei de creștere epitaxiale a 4H-SiC.

1.2 Echipament epitaxial SiC de 200 mm (8 inchi) și condiții de proces

Experimentele descrise în această lucrare au fost toate efectuate pe un echipament epitaxial SiC cu perete fierbinte orizontal monolit compatibil de 150/200 mm (6/8 inchi), dezvoltat independent de Institutul 48 din China Electronics Technology Group Corporation. Cuptorul epitaxial acceptă încărcarea și descărcarea complet automată a plachetelor. Figura 1 este o diagramă schematică a structurii interne a camerei de reacție a echipamentului epitaxial. După cum se arată în figura 1, peretele exterior al camerei de reacție este un clopot de cuarț cu un strat intermediar răcit cu apă, iar interiorul clopotului este o cameră de reacție la temperatură înaltă, care este compusă din pâslă de carbon izolatoare termică, de înaltă puritate. cavitate specială din grafit, bază rotativă plutitoare cu gaz de grafit etc. Întregul clopot de cuarț este acoperit cu o bobină de inducție cilindrică, iar camera de reacție din interiorul clopotului este încălzită electromagnetic printr-o sursă de inducție de frecvență medie. După cum se arată în Figura 1 (b), gazul purtător, gazul de reacție și gazul dopant curg toate prin suprafața plachetei într-un flux laminar orizontal din amonte de camera de reacție în aval de camera de reacție și sunt descărcate din coadă. capăt de gaz. Pentru a asigura consistența în plachetă, napolitana transportată de baza plutitoare cu aer este întotdeauna rotită în timpul procesului.

Substratul utilizat în experiment este un substrat comercial de 150 mm, 200 mm (6 inchi, 8 inchi) <1120> direcție 4° conductiv de tip n 4H-SiC, lustruit cu două fețe, produs de Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilanul (SiHCl3, TCS) și etilena (C2H4) sunt utilizate ca surse principale de creștere în experimentul de proces, printre care TCS și C2H4 sunt utilizate ca sursă de siliciu și, respectiv, sursă de carbon, azotul de înaltă puritate (N2) este utilizat ca n- tip sursă de dopaj, iar hidrogenul (H2) este utilizat ca gaz de diluție și gaz purtător. Intervalul de temperatură a procesului epitaxial este de 1 600 ~ 1 660 ℃, presiunea procesului este de 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, iar debitul gazului purtător H2 este de 100 ~ 140 L/min.

1.3 Testarea și caracterizarea plachetelor epitaxiale

Spectrometrul cu infraroșu Fourier (producător de echipamente Thermalfisher, model iS50) și tester de concentrație a sondei de mercur (producător de echipamente Semilab, model 530L) au fost utilizate pentru a caracteriza media și distribuția grosimii stratului epitaxial și concentrația de dopaj; grosimea și concentrația de dopaj a fiecărui punct din stratul epitaxial au fost determinate prin luarea punctelor de-a lungul liniei de diametru care intersectează linia normală a marginii principale de referință la 45° la centrul plachetei cu îndepărtarea marginii de 5 mm. Pentru o napolitană de 150 mm, 9 puncte au fost luate de-a lungul unei singure linii de diametru (două diametre au fost perpendiculare unul pe celălalt), iar pentru o napolitană de 200 mm, au fost luate 21 de puncte, așa cum se arată în Figura 2. Un microscop cu forță atomică (producător de echipament). Bruker, model Dimension Icon) a fost utilizat pentru a selecta zone de 30 μm × 30 μm în zona centrală și zona de margine (înlăturarea marginii de 5 mm) a plachetei epitaxiale pentru a testa rugozitatea suprafeței stratului epitaxial; defectele stratului epitaxial au fost măsurate folosind un tester de defecte de suprafață (producător de echipamente China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) pentru caracterizare.

2 Rezultate experimentale și discuții

2.1 Grosimea și uniformitatea stratului epitaxial

Grosimea stratului epitaxial, concentrația de dopaj și uniformitatea sunt unul dintre indicatorii de bază pentru evaluarea calității plachetelor epitaxiale. Grosimea controlabilă cu precizie, concentrația de dopaj și uniformitatea în plachetă sunt cheia pentru a asigura performanța și consistența dispozitivelor de putere SiC, iar grosimea stratului epitaxial și uniformitatea concentrației de dopaj sunt, de asemenea, baze importante pentru măsurarea capacității de proces a echipamentelor epitaxiale.

Figura 3 prezintă uniformitatea grosimii și curba de distribuție a plachetelor epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm. Din figură se poate observa că curba de distribuție a grosimii stratului epitaxial este simetrică față de punctul central al plachetei. Timpul procesului epitaxial este de 600 s, grosimea medie a stratului epitaxial a plachetei epitaxiale de 150 mm este de 10,89 μm, iar uniformitatea grosimii este de 1,05%. Prin calcul, rata de creștere epitaxială este de 65,3 μm/h, care este un nivel tipic de proces epitaxial rapid. În același timp de proces epitaxial, grosimea stratului epitaxial al plachetei epitaxiale de 200 mm este de 10,10 μm, uniformitatea grosimii este de 1,36%, iar rata de creștere globală este de 60,60 μm/h, care este puțin mai mică decât creșterea epitaxială de 150 mm. rata. Acest lucru se datorează faptului că există o pierdere evidentă pe parcurs atunci când sursa de siliciu și sursa de carbon curg din amonte de camera de reacție prin suprafața plachetei în aval de camera de reacție, iar aria plachetei de 200 mm este mai mare decât cea de 150 mm. Gazul curge prin suprafața plachetei de 200 mm pe o distanță mai mare, iar gazul sursă consumat pe parcurs este mai mare. Cu condiția ca napolitana să se rotească în continuare, grosimea totală a stratului epitaxial este mai subțire, astfel încât rata de creștere este mai lentă. În general, uniformitatea grosimii plachetelor epitaxiale de 150 mm și 200 mm este excelentă, iar capacitatea de proces a echipamentului poate îndeplini cerințele dispozitivelor de înaltă calitate.

2.2 Concentrația și uniformitatea dopajului stratului epitaxial

Figura 4 prezintă uniformitatea concentrației de dopaj și distribuția curbei a plachetelor epitaxiale de 150 mm și 200 mm SiC. După cum se poate observa din figură, curba de distribuție a concentrației pe placheta epitaxială are o simetrie evidentă față de centrul plachetei. Uniformitatea concentrației de dopaj a straturilor epitaxiale de 150 mm și 200 mm este de 2,80% și, respectiv, 2,66%, ceea ce poate fi controlat cu 3%, ceea ce reprezintă un nivel excelent în rândul echipamentelor similare internaționale. Curba concentrației de dopaj a stratului epitaxial este distribuită în formă de „W” de-a lungul direcției diametrului, care este determinată în principal de câmpul de curgere al cuptorului epitaxial orizontal cu perete fierbinte, deoarece direcția fluxului de aer a cuptorului de creștere epitaxial a fluxului de aer orizontal este de la capătul de intrare a aerului (în amonte) și curge din capătul din aval într-un flux laminar prin suprafața plachetei; deoarece rata de „epuizare de-a lungul drumului” a sursei de carbon (C2H4) este mai mare decât cea a sursei de siliciu (TCS), atunci când placheta se rotește, C/Si real de pe suprafața plachetei scade treptat de la margine la centru (sursa de carbon din centru este mai mică), conform „teoriei poziției competitive” a lui C și N, concentrația de dopaj în centrul plachetei scade treptat spre margine. Pentru a obține o uniformitate excelentă a concentrației, marginea N2 este adăugată ca compensare în timpul procesului epitaxial pentru a încetini scăderea concentrației de dopaj de la centru la margine, astfel încât curba finală a concentrației de dopaj să prezinte o formă „W”.

2.3 Defecte ale stratului epitaxial

În plus față de grosime și concentrație de dopaj, nivelul de control al defectelor stratului epitaxial este, de asemenea, un parametru de bază pentru măsurarea calității plachetelor epitaxiale și un indicator important al capacității de proces a echipamentului epitaxial. Deși SBD și MOSFET au cerințe diferite pentru defecte, defecte mai evidente de morfologie a suprafeței, cum ar fi defecte de picătură, defecte de triunghi, defecte de morcov și defecte de cometă sunt definite ca defecte ucigașe pentru dispozitivele SBD și MOSFET. Probabilitatea de defectare a cipurilor care conțin aceste defecte este mare, astfel încât controlul numărului de defecte ucigașe este extrem de important pentru îmbunătățirea randamentului cipurilor și reducerea costurilor. Figura 5 prezintă distribuția defectelor ucigașe ale plachetelor epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm. Cu condiția să nu existe un dezechilibru evident în raportul C/Si, defectele morcovului și defectele cometei pot fi practic eliminate, în timp ce defectele de picătură și defectele triunghiulare sunt legate de controlul curățeniei în timpul funcționării echipamentelor epitaxiale, nivelul de impurități al grafitului. părțile din camera de reacție și calitatea substratului. Din Tabelul 2, putem vedea că densitatea defectelor fatale a plachetelor epitaxiale de 150 mm și 200 mm poate fi controlată în 0,3 particule/cm2, ceea ce este un nivel excelent pentru același tip de echipament. Nivelul de control al densității defectelor fatale al plachetei epitaxiale de 150 mm este mai bun decât al plăcii epitaxiale de 200 mm. Acest lucru se datorează faptului că procesul de pregătire a substratului de 150 mm este mai matur decât cel de 200 mm, calitatea substratului este mai bună, iar nivelul de control al impurităților din camera de reacție din grafit de 150 mm este mai bun.

2.4 Rugozitatea suprafeței plachetei epitaxiale

Figura 6 prezintă imaginile AFM ale suprafeței plachetelor epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm. După cum se poate observa din figură, rugozitatea pătrată medie a rădăcinii suprafeței Ra a plachetelor epitaxiale de 150 mm și 200 mm este de 0,129 nm și, respectiv, 0,113 nm, iar suprafața stratului epitaxial este netedă, fără fenomenul evident de agregare în macro-etape, care indică faptul că creșterea stratului epitaxial menține întotdeauna modul de creștere a fluxului în trepte pe parcursul întregului proces epitaxial și nu are loc nicio agregare în trepte. Se poate observa că stratul epitaxial cu o suprafață netedă poate fi obținut pe substraturi cu unghi mic de 150 mm și 200 mm prin utilizarea procesului de creștere epitaxială optimizat.

3. Concluzii

Placile homoepitaxiale 4H-SiC de 150 mm și 200 mm au fost preparate cu succes pe substraturi domestice utilizând echipamentul de creștere epitaxială SiC de 200 mm auto-dezvoltat și a fost dezvoltat un proces homoepitaxial adecvat pentru 150 mm și 200 mm. Rata de creștere epitaxială poate fi mai mare de 60 μm/h. În timp ce îndeplinește cerințele de epitaxie de mare viteză, calitatea plachetei epitaxiale este excelentă. Uniformitatea grosimii plachetelor epitaxiale SiC de 150 mm și 200 mm poate fi controlată cu 1,5%, uniformitatea concentrației este mai mică de 3%, densitatea defectului fatal este mai mică de 0,3 particule/cm2, iar pătratul mediu al rugozității suprafeței epitaxiale Ra este mai mică de 0,15 nm. Indicatorii de bază de proces ai plachetelor epitaxiale sunt la nivel avansat în industrie.

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

VeTek Semiconductor este un producător chinez profesionist dePlafon acoperit cu CVD SiC, Duza de acoperire CVD SiC, șiInel de intrare pentru acoperire SiC.  VeTek Semiconductor se angajează să ofere soluții avansate pentru diverse produse SiC Wafer pentru industria semiconductoarelor.

Daca esti interesatCuptor epitaxial SiC de 8 inchi și proces homoepitaxial, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați direct.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com