Relau epitaxial 8-inci dan penyelidikan proses homoepitaxial

Pada masa ini, industri SIC berubah dari 150 mm (6 inci) hingga 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan segera untuk wafer homoepitaxial yang berkualiti tinggi dan berkualiti tinggi dalam industri, 150 mm dan 200 mm 4H-SIC homoepitaxial wafer berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial 200 mm SIC yang dibangunkan secara bebas. Proses homoepitaxial yang sesuai untuk 150 mm dan 200 mm telah dibangunkan, di mana kadar pertumbuhan epitaxial boleh lebih besar daripada 60 μm/j. Semasa memenuhi epitaxy berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaxial sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mm sic epitaxial wafer boleh dikawal dalam 1.5%, keseragaman kepekatan adalah kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan maut adalah kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan akar permukaan epitaxial RA rata -rata

Silicon Carbide (SIC) adalah salah satu wakil bahan semikonduktor generasi ketiga. Ia mempunyai ciri -ciri kekuatan medan pecahan yang tinggi, kekonduksian terma yang sangat baik, halaju drift ketepuan elektron yang besar, dan rintangan radiasi yang kuat. Ia telah banyak memperluaskan kapasiti pemprosesan tenaga peranti kuasa dan dapat memenuhi keperluan perkhidmatan dari peralatan elektronik kuasa generasi akan datang untuk peranti dengan kuasa tinggi, saiz kecil, suhu tinggi, radiasi tinggi dan keadaan ekstrem yang lain. Ia dapat mengurangkan ruang, mengurangkan penggunaan kuasa dan mengurangkan keperluan penyejukan. Ia telah membawa perubahan revolusioner kepada kenderaan tenaga baru, pengangkutan kereta api, grid pintar dan bidang lain. Oleh itu, semikonduktor silikon karbida telah diiktiraf sebagai bahan yang ideal yang akan memimpin generasi akan datang peranti elektronik kuasa tinggi. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, terima kasih kepada sokongan dasar kebangsaan untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga, penyelidikan dan pembangunan dan pembinaan sistem industri peranti 150 mm SIC pada dasarnya telah siap di China, dan keselamatan rantaian perindustrian pada dasarnya dijamin. Oleh itu, tumpuan industri secara beransur -ansur beralih kepada peningkatan kos dan peningkatan kecekapan. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, berbanding dengan 150 mm, 200 mm SIC mempunyai kadar penggunaan kelebihan yang lebih tinggi, dan output cip wafer tunggal boleh ditingkatkan kira -kira 1.8 kali. Selepas teknologi matang, kos pembuatan cip tunggal dapat dikurangkan sebanyak 30%. Kejayaan teknologi 200 mm adalah cara langsung untuk "mengurangkan kos dan peningkatan kecekapan", dan ia juga merupakan kunci untuk industri semikonduktor negara saya untuk "menjalankan selari" atau bahkan "memimpin".

Berbeza dengan proses peranti SI, peranti kuasa semikonduktor SIC semuanya diproses dan disediakan dengan lapisan epitaxial sebagai asas. Wafer epitaxial adalah bahan asas penting untuk peranti kuasa SIC. Kualiti lapisan epitaxial secara langsung menentukan hasil peranti, dan kosnya menyumbang 20% ​​daripada kos pembuatan cip. Oleh itu, pertumbuhan epitaxial adalah pautan perantaraan penting dalam peranti kuasa SIC. Had atas tahap proses epitaxial ditentukan oleh peralatan epitaxial. Pada masa ini, tahap penyetempatan peralatan epitaxial 150 mm domestik agak tinggi, tetapi susun atur keseluruhan 200 mm ketinggalan di belakang peringkat antarabangsa pada masa yang sama. Oleh itu, untuk menyelesaikan keperluan mendesak dan masalah kesesakan bagi pembuatan bahan epitaxial yang berkualiti tinggi untuk pembangunan industri semikonduktor generasi ketiga domestik, makalah ini memperkenalkan peralatan epitaxial 200 mm yang berjaya dibangunkan di negara saya, dan mengkaji proses epitaxial. Dengan mengoptimumkan parameter proses seperti suhu proses, kadar aliran gas pembawa, nisbah C/SI, dan lain-lain, keseragaman kepekatan <3%, ketebalan tidak seragam <1.5%, kekasaran RA <0.2 nm dan ketumpatan kecacatan maut diperoleh. Tahap proses peralatan dapat memenuhi keperluan penyediaan peranti kuasa SIC berkualiti tinggi.

1 eksperimen

1.1 Prinsip proses epitaxial SIC

Proses pertumbuhan homoepitaxial 4H-SIC terutamanya merangkumi 2 langkah utama, iaitu, suhu tinggi dalam situ dari substrat 4H-SIC dan proses pemendapan wap kimia homogen. Tujuan utama substrat in-situ etching adalah untuk menghapuskan kerosakan bawah permukaan substrat selepas menggilap wafer, cecair penggilap sisa, zarah dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom biasa boleh dibentuk pada permukaan substrat dengan etsa. Etching in-situ biasanya dijalankan dalam suasana hidrogen. Mengikut keperluan proses sebenar, sedikit gas tambahan juga boleh ditambah, seperti hidrogen klorida, propana, etilena atau silane. Suhu etsa hidrogen dalam situ biasanya melebihi 1 600 ℃, dan tekanan ruang tindak balas biasanya dikawal di bawah 2 × 104 PA semasa proses etsa.

Selepas permukaan substrat diaktifkan oleh etching in-situ, ia memasuki proses pemendapan wap kimia suhu tinggi, iaitu sumber pertumbuhan (seperti etilena/propana, TCS/silane), sumber doping chambi, melalui aliran besar gas pembawa (biasanya hidrogen). Selepas gas bertindak balas dalam ruang tindak balas suhu tinggi, sebahagian daripada prekursor bertindak balas secara kimia dan adsorbs pada permukaan wafer, dan satu lapisan epitaxial homogen tunggal dengan kepekatan doping spesifik, ketebalan spesifik, dan kualiti yang lebih tinggi dibentuk pada permukaan substrat. Selepas bertahun-tahun penerokaan teknikal, teknologi homoepitaxial 4H-SIC pada dasarnya matang dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran perindustrian. Teknologi homoepitaxial 4H-SIC yang paling banyak digunakan di dunia mempunyai dua ciri biasa: (1) Menggunakan paksi luar (berbanding dengan pesawat kristal <0001> ke arah substrat pemotongan crystal. Pertumbuhan homoepitaxial awal 4H-SIC menggunakan substrat kristal yang positif, iaitu, <0001> Si Plane untuk pertumbuhan. Ketumpatan langkah -langkah atom pada permukaan substrat kristal positif adalah rendah dan teres luas. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah berlaku semasa proses epitaxy untuk membentuk 3C Crystal SIC (3C-SIC). Dengan pemotongan luar paksi, ketumpatan tinggi, langkah-langkah atom lebar teres sempit boleh diperkenalkan di permukaan substrat 4H-SIC <0001>, dan prekursor yang terserap dapat mencapai kedudukan langkah atom dengan tenaga permukaan yang agak rendah melalui penyebaran permukaan. Pada langkah, kedudukan ikatan kumpulan atom/molekul prekursor adalah unik, jadi dalam mod pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaxial dapat mewarisi lapisan atom Si-C double yang menyusun urutan substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan fasa kristal yang sama seperti substrat. (2) Pertumbuhan epitaxial berkelajuan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandungi klorin. Dalam sistem pemendapan wap kimia konvensional, silane dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses meningkatkan kadar pertumbuhan dengan meningkatkan kadar aliran sumber pertumbuhan, kerana tekanan separa keseimbangan komponen silikon terus meningkat, mudah untuk membentuk kluster silikon oleh nukleus fasa gas homogen, yang dengan ketara mengurangkan kadar penggunaan sumber silikon. Pembentukan kluster silikon sangat membatasi peningkatan kadar pertumbuhan epitaxial. Pada masa yang sama, kelompok silikon boleh mengganggu pertumbuhan aliran langkah dan menyebabkan kecacatan nukleus. Untuk mengelakkan nukleasi fasa gas homogen dan meningkatkan kadar pertumbuhan epitaxial, pengenalan sumber silikon berasaskan klorin kini merupakan kaedah arus perdana untuk meningkatkan kadar pertumbuhan epitaxial 4H-SIC.

1.2 200 mm (8 inci) peralatan epitaxial dan keadaan proses

Eksperimen-eksperimen yang diterangkan dalam makalah ini semuanya dijalankan pada 150/200 mm (6/8 inci) yang serasi monolitik Hot Hot Wall Equipment Epitaxial Equipment yang dibangunkan secara bebas oleh Institut 48 Institut China Electronics Technology Group Corporation. Relau epitaxial menyokong pemuatan dan pemunggahan wafer automatik sepenuhnya. Rajah 1 adalah gambarajah skematik struktur dalaman ruang tindak balas peralatan epitaxial. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dinding luar ruang tindak balas adalah loceng kuarza dengan interlayer yang disejukkan air, dan bahagian dalam loceng adalah ruang reaksi suhu tinggi, yang terdiri daripada karbon penebat haba yang dirasakan, rongga grafit yang tinggi, dan lain-lain. Elektromagnetik dipanaskan oleh bekalan kuasa induksi frekuensi sederhana. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), gas pembawa, gas reaksi, dan gas doping semua mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar mendatar dari hulu ruang tindak balas ke hiliran ruang tindak balas dan dilepaskan dari ujung gas ekor. Untuk memastikan konsistensi dalam wafer, wafer yang dibawa oleh pangkalan terapung udara sentiasa diputar semasa proses.

Substrat yang digunakan dalam eksperimen ini adalah komersial 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> Arah 4 ° Off-Sudut konduktif N-jenis 4H-SIC substrat SIC dua sisi yang dihasilkan oleh Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilane (SIHCL3, TCS) dan etilena (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam eksperimen proses, di antaranya TCS dan C2H4 digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen yang tinggi (N2) digunakan sebagai doping yang digunakan, dan hydrogen). Julat suhu proses epitaxial ialah 1 600 ~ 1 660 ℃, tekanan proses adalah 8 × 103 ~ 12 × 103 PA, dan kadar aliran gas pembawa H2 adalah 100 ～ 140 L/min.

1.3 Ujian dan pencirian wafer epitaxial

Spektrometer inframerah Fourier (pengeluar peralatan Thermalfisher, Model IS50) dan penguji kepekatan probe merkuri (pengeluar peralatan semilab, model 530L) digunakan untuk mencirikan min dan pengedaran ketebalan lapisan epitaxial dan kepekatan doping; Ketebalan dan kepekatan doping setiap titik dalam lapisan epitaxial ditentukan dengan mengambil titik di sepanjang garis diameter yang merentasi garis normal tepi rujukan utama pada 45 ° di tengah wafer dengan penyingkiran tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, 9 mata diambil sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter berserenjang antara satu sama lain), dan untuk wafer 200 mm, 21 mata telah diambil, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. kekasaran permukaan lapisan epitaxial; Kecacatan lapisan epitaxial diukur menggunakan penguji kecacatan permukaan (pengeluar peralatan China Electronics Kefenghua, Model MARS 4410 Pro) untuk pencirian.

2 Hasil dan perbincangan eksperimen

2.1 Ketebalan dan keseragaman lapisan epitaxial

Ketebalan lapisan epitaxial, kepekatan doping dan keseragaman adalah salah satu petunjuk teras untuk menilai kualiti wafer epitaxial. Ketebalan yang dapat dikawal secara tepat, kepekatan doping dan keseragaman dalam wafer adalah kunci untuk memastikan prestasi dan konsistensi peranti kuasa SIC, dan ketebalan lapisan epitaxial dan keseragaman kepekatan doping juga asas penting untuk mengukur keupayaan proses peralatan epitaxial.

Rajah 3 menunjukkan keseragaman ketebalan dan keluk pengedaran 150 mm dan 200 mm sic epitaxial wafer. Ia dapat dilihat dari angka bahawa lengkung pengedaran ketebalan lapisan epitaxial adalah simetri mengenai titik tengah wafer. Masa proses epitaxial adalah 600 s, ketebalan lapisan epitaxial purata wafer epitaxial 150 mm adalah 10.89 μm, dan keseragaman ketebalan adalah 1.05%. Dengan pengiraan, kadar pertumbuhan epitaxial adalah 65.3 μm/j, yang merupakan tahap proses epitaxial yang cepat. Di bawah masa proses epitaxial yang sama, ketebalan lapisan epitaxial dari wafer epitaxial 200 mm adalah 10.10 μm, keseragaman ketebalan berada dalam 1.36%, dan kadar pertumbuhan keseluruhan adalah 60.60 μm/j, yang sedikit lebih rendah daripada kadar pertumbuhan epitaxial 150 mm. Ini kerana terdapat kerugian yang jelas di sepanjang jalan apabila sumber silikon dan aliran sumber karbon dari hulu ruang tindak balas melalui permukaan wafer ke hiliran ruang tindak balas, dan kawasan wafer 200 mm lebih besar daripada 150 mm. Gas mengalir melalui permukaan wafer 200 mm untuk jarak yang lebih jauh, dan gas sumber yang digunakan di sepanjang jalan adalah lebih. Di bawah keadaan bahawa wafer terus berputar, ketebalan keseluruhan lapisan epitaxial lebih nipis, jadi kadar pertumbuhan lebih perlahan. Secara keseluruhannya, keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mm wafer epitaxial sangat baik, dan keupayaan proses peralatan dapat memenuhi keperluan peranti berkualiti tinggi.

2.2 Kepekatan doping lapisan epitaxial dan keseragaman

Rajah 4 menunjukkan keseragaman kepekatan doping dan pengagihan lengkung 150 mm dan 200 mm sic epitaxial wafer. Seperti yang dapat dilihat dari angka, lengkung pengedaran kepekatan pada wafer epitaxial mempunyai simetri yang jelas berbanding dengan pusat wafer. Keseragaman kepekatan doping lapisan epitaxial 150 mm dan 200 mM masing -masing adalah 2.80% dan 2.66%, yang boleh dikawal dalam 3%, yang merupakan tahap yang sangat baik di kalangan peralatan serupa antarabangsa. Kurva kepekatan doping lapisan epitaxial diedarkan dalam bentuk "w" di sepanjang arah diameter, yang terutamanya ditentukan oleh medan aliran dari dinding epitaxial dinding panas yang mendatar, kerana arah aliran udara mendatar. Kerana kadar "pengurangan sepanjang" sumber karbon (C2H4) lebih tinggi daripada sumber silikon (TCS), apabila wafer berputar, C/Si sebenar pada permukaan wafer secara beransur-ansur berkurangan dari tepi ke pusat (sumber karbon di tengah-tengahnya. Untuk mendapatkan keseragaman kepekatan yang sangat baik, kelebihan N2 ditambah sebagai pampasan semasa proses epitaxial untuk melambatkan penurunan kepekatan doping dari pusat ke tepi, supaya lengkung kepekatan doping akhir membentangkan bentuk "w".

2.3 kecacatan lapisan epitaxial

Sebagai tambahan kepada ketebalan dan kepekatan doping, tahap kawalan kecacatan lapisan epitaxial juga merupakan parameter teras untuk mengukur kualiti wafer epitaxial dan penunjuk penting keupayaan proses peralatan epitaxial. Walaupun SBD dan MOSFET mempunyai keperluan yang berbeza untuk kecacatan, kecacatan morfologi permukaan yang lebih jelas seperti kecacatan drop, kecacatan segitiga, kecacatan lobak merah, dan kecacatan komet ditakrifkan sebagai kecacatan pembunuh untuk peranti SBD dan MOSFET. Kebarangkalian kegagalan cip yang mengandungi kecacatan ini adalah tinggi, jadi mengawal bilangan kecacatan pembunuh sangat penting untuk meningkatkan hasil cip dan mengurangkan kos. Rajah 5 menunjukkan pengagihan kecacatan pembunuh 150 mm dan 200 mm sic epitaxial wafer. Di bawah keadaan bahawa tidak terdapat ketidakseimbangan yang jelas dalam nisbah C/SI, kecacatan lobak merah dan kecacatan komet pada dasarnya boleh dihapuskan, manakala kecacatan dan kecacatan segitiga berkaitan dengan kawalan kebersihan semasa operasi peralatan epitaxial, tahap kekotoran grafit dalam ruang tindak balas, dan kualiti substrat. Dari Jadual 2, kita dapat melihat bahawa ketumpatan kecacatan maut 150 mm dan 200 mm wafer epitaxial boleh dikawal dalam 0.3 zarah/cm2, yang merupakan tahap yang sangat baik untuk jenis peralatan yang sama. Tahap kawalan ketumpatan kecacatan maut 150 mm wafer epitaxial lebih baik daripada wafer epitaxial 200 mm. Ini kerana proses penyediaan substrat 150 mm lebih matang daripada 200 mm, kualiti substrat lebih baik, dan tahap kawalan kekotoran 150 mm reaksi grafit lebih baik.

2.4 Kekasaran permukaan wafer epitaxial

Rajah 6 menunjukkan imej AFM permukaan 150 mm dan 200 mm sic epitaxial wafer. Seperti yang dapat dilihat dari angka, akar permukaan bermakna kekasaran persegi RA sebanyak 150 mm dan 200 mm wafer epitaxial adalah 0.129 nm dan 0.113 nm masing-masing, dan permukaan lapisan epitaxial adalah lancar, tanpa fenomena agregasi yang jelas. Ia dapat dilihat bahawa lapisan epitaxial dengan permukaan licin boleh diperolehi pada 150 mm dan 200 mm substrat rendah dengan menggunakan proses pertumbuhan epitaxial yang dioptimumkan.

3. Kesimpulan

Wafer homoepitaxial 150 mm dan 200 mm 4H-SIC berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial 200 mm yang dibangunkan sendiri, dan proses homoepitaxial yang sesuai untuk 150 mm dan 200 mm telah dibangunkan. Kadar pertumbuhan epitaxial boleh lebih besar daripada 60 μm/j. Semasa memenuhi keperluan epitaxy berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaxial sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mM SIC epitaxial wafer boleh dikawal dalam 1.5%, keseragaman kepekatan kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan maut kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan kekasaran permukaan epitaxial RA square ra adalah kurang 0.15 nm. Petunjuk proses teras wafer epitaxial berada di peringkat maju dalam industri.

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

Vetek Semiconductor adalah pengeluar Cina profesionalSiling bersalut CVD sic, Muncung salutan cvd sic, danCincin salutan salutan sic.  Vetek Semiconductor komited untuk menyediakan penyelesaian lanjutan untuk pelbagai produk wafer SIC untuk industri semikonduktor.

Sekiranya anda berminatRelau epitaxial 8-inci dan proses homoepitaxial, sila hubungi kami secara langsung.

Mob: +86-180 6922 0752

Whatsapp: +86 180 6922 0752

E -mel: anny@veteksemi.com