Fornace epitassiale SIC da 8 pollici e ricerca sul processo omoepitassiale

Attualmente, l'industria SIC si sta trasformando da 150 mm (6 pollici) a 200 mm (8 pollici). Al fine di soddisfare la domanda urgente di wafer omeepitassiali SIC di grandi dimensioni e di alta qualità nel settore, i wafer omeepitassiali 4H-SIC da 150 mm e 200 mm sono stati preparati con successo su substrati domestici utilizzando le attrezzature epitassiali SIC SIC in modo indipendente. È stato sviluppato un processo omoepitassiale adatto per 150 mm e 200 mm, in cui il tasso di crescita epitassiale può essere maggiore di 60 μm/h. Durante l'incontro con l'epitassia ad alta velocità, la qualità del wafer epitassiale è eccellente. L'uniformità dello spessore di wafer epitassiali SIC di 150 mm e 200 mM può essere controllata entro l'1,5%, l'uniformità di concentrazione è inferiore al 3%, la densità di difetto fatale è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la Rugness Epitassiale Rugness Rao radice RA quadrata è inferiore a 0,15 nm e tutti gli indicatori di processo core sono a livello avanzato a livello di industria.

Il carburo di silicio (sic) è uno dei rappresentanti dei materiali a semiconduttore di terza generazione. Ha le caratteristiche dell'elevata resistenza al campo di rottura, un'eccellente conduttività termica, la velocità di deriva della saturazione di elettroni di grandi dimensioni e una forte resistenza alle radiazioni. Ha ampliato notevolmente la capacità di elaborazione energetica dei dispositivi di alimentazione e può soddisfare i requisiti di servizio della prossima generazione di apparecchiature elettroniche di alimentazione per dispositivi ad alta potenza, dimensioni ridotte, alta temperatura, radiazioni elevate e altre condizioni estreme. Può ridurre lo spazio, ridurre il consumo di energia e ridurre i requisiti di raffreddamento. Ha apportato modifiche rivoluzionarie a nuovi veicoli energetici, trasporti ferroviari, reti intelligenti e altri campi. Pertanto, i semiconduttori in carburo di silicio sono stati riconosciuti come materiale ideale che guiderà la prossima generazione di dispositivi elettronici ad alta potenza. Negli ultimi anni, grazie al supporto alle politiche nazionali per lo sviluppo del settore dei semiconduttori di terza generazione, la ricerca e lo sviluppo e la costruzione del sistema di settore dei dispositivi SIC da 150 mm sono stati sostanzialmente completati in Cina e la sicurezza della catena industriale è stata sostanzialmente garantita. Pertanto, il focus del settore si è gradualmente spostato nel controllo dei costi e nel miglioramento dell'efficienza. Come mostrato nella Tabella 1, rispetto a 150 mm, SIC 200 mM ha un tasso di utilizzo del bordo più elevato e l'output di chip di wafer singolo può essere aumentata di circa 1,8 volte. Dopo che la tecnologia matura, il costo di produzione di un singolo chip può essere ridotto del 30%. La svolta tecnologica di 200 mm è un mezzo diretto per "ridurre i costi e crescente efficienza", ed è anche la chiave per l'industria dei semiconduttori del mio paese a "correre parallele" o addirittura "piombo".

Diversamente dal processo del dispositivo SI, i dispositivi di alimentazione a semiconduttore SiC sono tutti elaborati e preparati con strati epitassiali come pietra angolare. I wafer epitassiali sono materiali di base essenziali per i dispositivi di alimentazione SIC. La qualità dello strato epitassiale determina direttamente il rendimento del dispositivo e i suoi costi rappresentano il 20% del costo di produzione del chip. Pertanto, la crescita epitassiale è un collegamento intermedio essenziale nei dispositivi di alimentazione SIC. Il limite superiore del livello di processo epitassiale è determinato dall'apparecchiatura epitassiale. Allo stato attuale, il grado di localizzazione di attrezzature epitassiali SIC da 150 mm nazionali è relativamente elevato, ma il layout complessivo di 200 mm in ritardo rispetto al livello internazionale allo stesso tempo. Pertanto, al fine di risolvere i bisogni urgenti e i problemi di collo di bottiglia della produzione di materiale epitassiale di alta qualità e di alta qualità per lo sviluppo dell'industria domestica di semiconduttori di terza generazione, questo documento introduce le apparecchiature epitassiali SIC da 200 mM sviluppate con successo nel mio paese e studia il processo epitassiale. Ottimizzando i parametri di processo come la temperatura del processo, la portata del gas portante, il rapporto C/Si, ecc., L'uniformità di concentrazione <3%, non uniformità di spessore <1,5%, rugosità RA <0,2 nm e densità di difetto fatale

1 esperimento

1.1 Principio del processo epitassiale SIC

Il processo di crescita omoepitassiale omoepitassiale 4H include principalmente 2 passaggi chiave, vale a dire l'attacco in situ ad alta temperatura del substrato 4H-SIC e del processo di deposizione di vapore chimico omogeneo. Lo scopo principale dell'incisione del substrato in situ è ​​rimuovere il danno del sottosuolo del substrato dopo la lucidatura del wafer, il liquido di lucidatura residuo, le particelle e lo strato di ossido e una normale struttura a fasi atomica può essere formata sulla superficie del substrato mediante incisione. L'incisione in situ viene solitamente effettuata in un'atmosfera di idrogeno. Secondo i requisiti di processo effettivi, è possibile aggiungere anche una piccola quantità di gas ausiliario, come cloruro di idrogeno, propano, etilene o silano. La temperatura dell'attacco di idrogeno in situ è ​​generalmente superiore a 1 600 ℃ e la pressione della camera di reazione è generalmente controllata al di sotto di 2 × 104 Pa durante il processo di attacco.

Dopo che la superficie del substrato è attivata mediante incisione in situ, entra nel processo di deposizione chimica del vapore chimico ad alta temperatura, cioè la fonte di crescita (come etilene/propano, TCS/silano), fonte di droga di tipo NOTTO CHLOGO DI REAZIONE CHLOGO DI REAZIONE Gas portante (solitamente idrogeno). Dopo che il gas ha reagito nella camera di reazione ad alta temperatura, parte del precursore reagisce chimicamente e adsorbi sulla superficie del wafer e uno strato epitassiale 4H-SiC omogeneo a cristallo singolo utilizzando una concentrazione di drogatura specifica, uno spessore specifico. Dopo anni di esplorazione tecnica, la tecnologia omoepitassiale 4H-SIC è sostanzialmente maturata ed è ampiamente utilizzata nella produzione industriale. La tecnologia omoepitassiale 4H-SIC più utilizzata nel mondo ha due caratteristiche tipiche: (1) Usando un piano fuori asse (relativo al piano cristallino <0001>, verso la direzione <11-20> Crystal Direction. La crescita omoepitassiale 4H-SIC precoce ha utilizzato un substrato di cristallo positivo, cioè il piano <0001> SI per la crescita. La densità dei gradini atomici sulla superficie del substrato di cristallo positivo è bassa e le terrazze sono larghe. La crescita della nucleazione bidimensionale è facile da verificarsi durante il processo di epitassia per formare SIC cristallino 3C (3C-SIC). Per taglio fuori asse, sono possono essere introdotti passaggi atomici ad alta densità e ad alta densità sulla superficie del substrato 4H-SIC <0001> e il precursore adsorbito può effettivamente raggiungere la posizione del passaggio atomico con energia superficiale relativamente bassa attraverso la diffusione della superficie. Nella fase, la posizione del precursore di atomo/gruppo molecolare è unico, quindi nella modalità di crescita del flusso del gradino, lo strato epitassiale può ereditare perfettamente la sequenza di impilamento dello strato atomico Si-C del substrato per formare un singolo cristallo con la stessa fase di cristallo del substrato. (2) La crescita epitassiale ad alta velocità si ottiene introducendo una fonte di silicio contenente cloro. Nei sistemi convenzionali di deposizione di vapore chimico SiC, silano e propano (o etilene) sono le principali fonti di crescita. Nel processo di aumento del tasso di crescita aumentando la portata della fonte di crescita, poiché la pressione parziale di equilibrio del componente siliconico continua ad aumentare, è facile formare cluster di silicio mediante nucleazione omogenea della fase gassosa, che riduce significativamente il tasso di utilizzo della fonte di silicio. La formazione di cluster di silicio limita notevolmente il miglioramento del tasso di crescita epitassiale. Allo stesso tempo, i cluster di silicio possono disturbare la crescita del flusso del gradino e causare la nucleazione del difetto. Al fine di evitare la nucleazione della fase gassosa omogenea e aumentare il tasso di crescita epitassiale, l'introduzione di fonti di silicio a base di cloro è attualmente il metodo mainstream per aumentare il tasso di crescita epitassiale di 4H-SIC.

1,2 200 mm (8 pollici) Apparecchiature epitassiali e condizioni di processo

Gli esperimenti descritti in questo documento sono stati tutti condotti su un attrezzature epitassiali monolitiche monolitiche monolitiche compatibili monolitiche di 150/8 pollici (6/8 pollici) di 150 mm di gruppo epitassiale epitassiale monolitico monolitico sviluppato indipendentemente dal 48 ° Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Il forno epitassiale supporta il caricamento e lo scarico del wafer completamente automatico. La Figura 1 è un diagramma schematico della struttura interna della camera di reazione dell'apparecchiatura epitassiale. Come mostrato nella Figura 1, la parete esterna della camera di reazione è una campana di quarzo con un interlayer raffreddato ad acqua, e l'interno della campana è una camera di reazione ad alta temperatura, che è composta da un feltro di carbonio di isolamento termico, induzione di grafite ad alta pugia Elettromagneticamente riscaldato da un alimentatore a induzione a media frequenza. Come mostrato nella Figura 1 (b), il gas portante, il gas di reazione e il gas drogaggio fluiscono tutto attraverso la superficie del wafer in un flusso laminare orizzontale dal monte a monte della camera di reazione alla valle della camera di reazione e vengono scaricati dall'estremità del gas di coda. Per garantire la coerenza all'interno del wafer, il wafer trasportato dalla base mobile dell'aria viene sempre ruotato durante il processo.

Il substrato utilizzato nell'esperimento è un substrato SiC con conduttivo Ni facciale con conduttivo N-SiC a doppia faccia a doppia faccia da 4H-SIC di 150 mm commerciale di 150 mm, 200 mm (6 pollici) di 150 mm, 200 mm (1120> Direzione 4H-SIC. Il triclorosilano (SIHCL3, TCS) ed etilene (C2H4) sono usati come le principali fonti di crescita nell'esperimento di processo, tra cui TCS e C2H4 sono usati rispettivamente come sorgente di silicio e fonte di carbonio, azoto ad alta purezza (N2) (N2) ad alta purezza (N2) (N2) ad alta purezza (N2) (N2) (N2) di alta purezza (N2) (N2) viene utilizzata come fonte di droga di tipo N. L'intervallo di temperatura del processo epitassiale è 1 600 ~ 1 660 ℃, la pressione di processo è 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa e la portata del gas portatore H2 è di 100 ～ 140 L/min.

1.3 Test e caratterizzazione del wafer epitassiale

Spettrometro a infrarossi di Fourier (produttore di attrezzature Thermalfisher, modello IS50) e tester di concentrazione della sonda di mercurio (produttore di attrezzature semilab, modello 530L) sono stati usati per caratterizzare la media e la distribuzione dello spessore dello strato epitassiale e della concentrazione di doping; Lo spessore e la concentrazione di doping di ciascun punto nello strato epitassiale sono stati determinati prendendo punti lungo la linea di diametro che intersecano la linea normale del bordo di riferimento principale a 45 ° al centro del wafer con rimozione del bordo di 5 mm. Per un wafer da 150 mm, sono stati prelevati 9 punti lungo una linea di diametro singolo (due diametri sono stati perpendicolari l'uno all'altro) e per un wafer da 200 mm, sono stati presi 21 punti, come mostrato nella Figura 2. Un microscopio a forza atomica (rimozione di attrezzatura Bruker, icona della dimensione del modello) per selezionare 30 μm × 30 μm aree nel centro di bordo (area di bordo) per testare la rugosità superficiale dello strato epitassiale; I difetti dello strato epitassiale sono stati misurati utilizzando un tester di difetto di superficie (produttore di apparecchiature China Electronics Kefenghua, Model Mars 4410 Pro) per la caratterizzazione.

2 Risultati sperimentali e discussione

2.1 Spessore e uniformità dello strato epitassiale

Lo spessore dello strato epitassiale, la concentrazione di doping e l'uniformità sono uno degli indicatori fondamentali per giudicare la qualità dei wafer epitassiali. Lo spessore accuratamente controllabile, la concentrazione di doping e l'uniformità all'interno del wafer sono la chiave per garantire le prestazioni e la coerenza dei dispositivi di alimentazione SIC e lo spessore dello strato epitassiale e l'uniformità della concentrazione del doping sono anche basi importanti per misurare la capacità di processo delle apparecchiature epitassiali.

La Figura 3 mostra l'uniformità dello spessore e la curva di distribuzione di wafer epitassiali SIC da 150 mm e 200 mM. Dalla figura si può vedere che la curva di distribuzione dello spessore dello strato epitassiale è simmetrica sul punto centrale del wafer. Il tempo di processo epitassiale è di 600 s, lo spessore medio dello strato epitassiale del wafer epitassiale da 150 mm è di 10,89 μm e l'uniformità dello spessore è dell'1,05%. Per calcolo, il tasso di crescita epitassiale è di 65,3 μm/h, che è un tipico livello di processo epitassiale rapido. Nello stesso tempo di processo epitassiale, lo spessore dello strato epitassiale del wafer epitassiale da 200 mm è di 10,10 μm, l'uniformità dello spessore è compresa tra 1,36%e il tasso di crescita complessivo è di 60,60 μm/h, che è leggermente inferiore al tasso di crescita epitassiale di 150 mm. Questo perché vi è una perdita evidente lungo la strada quando la sorgente di silicio e la fonte di carbonio fluiscono dal monte della camera di reazione attraverso la superficie del wafer al valle della camera di reazione e l'area del wafer di 200 mm è maggiore di 150 mm. Il gas scorre attraverso la superficie del wafer da 200 mm per una distanza più lunga e il gas di origine consumato lungo la strada è più. Nella condizione che il wafer continui a ruotare, lo spessore complessivo dello strato epitassiale è più sottile, quindi il tasso di crescita è più lento. Nel complesso, l'uniformità dello spessore di wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm è eccellente e la capacità di processo dell'attrezzatura può soddisfare i requisiti dei dispositivi di alta qualità.

2.2 Concentrazione e uniformità del doping strato epitassiale

La Figura 4 mostra l'uniformità della concentrazione del doping e la distribuzione della curva di wafer epitassiali SIC SIC da 150 mM e 200 mM. Come si può vedere dalla figura, la curva di distribuzione della concentrazione sul wafer epitassiale ha una simmetria evidente rispetto al centro del wafer. L'uniformità della concentrazione del doping degli strati epitassiali da 150 mM e 200 mM è rispettivamente del 2,80% e del 2,66%, che può essere controllata entro il 3%, il che è un livello eccellente tra le apparecchiature simili internazionali. La curva di concentrazione del doping dello strato epitassiale è distribuita in una forma "W" lungo la direzione del diametro, che è principalmente determinata dal campo di flusso della fornace epitassiale orizzontale a parete calda, poiché la direzione del flusso d'aria della superficie di wafer orizzontale epitassiale è quella di flusso d'aria orizzontale attraverso il flusso di wafer epitassiale è Poiché il tasso di "esaurimento lungo la via" della fonte di carbonio (C2H4) è superiore a quello della sorgente di silicio (TCS), quando il wafer ruota, l'attuale C/Si sulla superficie del wafer diminuisce gradualmente dal bordo al centro (la sorgente di carbonio al centro è inferiore), secondo la "teoria della posizione competitiva" di C e N, la concentrazione di droga al centro della wafer (la fonte di carbonio è inferiore) Al fine di ottenere un'eccellente uniformità di concentrazione, il bordo N2 viene aggiunto come compensazione durante il processo epitassiale per rallentare la diminuzione della concentrazione di doping dal centro al bordo, in modo che la curva di concentrazione del doping finale presenta una forma "W".

2.3 difetti di strato epitassiale

Oltre allo spessore e alla concentrazione di doping, il livello di controllo del difetto dello strato epitassiale è anche un parametro fondamentale per misurare la qualità dei wafer epitassiali e un importante indicatore della capacità di processo delle apparecchiature epitassiali. Sebbene SBD e MOSFET abbiano requisiti diversi per difetti, difetti di morfologia della superficie più evidenti come difetti di caduta, difetti a triangolo, difetti di carota e difetti della cometa sono definiti come difetti killer per i dispositivi SBD e MOSFET. La probabilità di fallimento dei chip contenenti questi difetti è elevata, quindi il controllo del numero di difetti assassini è estremamente importante per migliorare la resa dei chip e ridurre i costi. La Figura 5 mostra la distribuzione di difetti killer di wafer epitassiali SIC SIC da 150 mm e 200 mM. Nella condizione che non vi sia evidente squilibrio nel rapporto C/Si, i difetti di carota e i difetti della cometa possono essere sostanzialmente eliminati, mentre i difetti di caduta e i difetti del triangolo sono correlati al controllo della pulizia durante il funzionamento delle apparecchiature epitassiali, il livello di impurità delle parti della grafite nella camera di reazione e la qualità del substrato. Dalla tabella 2, possiamo vedere che la densità di difetto fatale di wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm può essere controllata all'interno di 0,3 particelle/cm2, che è un livello eccellente per lo stesso tipo di apparecchiatura. Il livello di controllo della densità di difetto fatale di wafer epitassiale da 150 mm è migliore di quello del wafer epitassiale da 200 mm. Questo perché il processo di preparazione del substrato da 150 mm è più maturo di quello di 200 mm, la qualità del substrato è migliore e il livello di controllo dell'impurità della camera di reazione di grafite da 150 mm è migliore.

2.4 Rugosità superficiale del wafer epitassiale

La Figura 6 mostra le immagini AFM della superficie di wafer epitassiali SIC SIC da 150 mm e 200 mM. Come si può vedere dalla figura, la rugosità quadrata media della radice di superficie RA di 150 mm e 200 mm wafer epitassiali è rispettivamente di 0,129 nm e 0,113 nm e la superficie dello strato epitassiale è regolare, senza evidenti epitassiali e epitassiali. Si può vedere che lo strato epitassiale con una superficie liscia può essere ottenuto su substrati di basso angolo da 150 mm e 200 mm utilizzando il processo di crescita epitassiale ottimizzato.

3. Conclusioni

I wafer omeepitassiali 4H-SIC da 150 mm e 200 mm sono stati preparati con successo su substrati domestici utilizzando le apparecchiature di crescita epitassiale SIC di 200 mm auto-sviluppate e è stato sviluppato un processo omoepitassiale adatto per 150 mm e 200 mm. Il tasso di crescita epitassiale può essere superiore a 60 μm/h. Mentre soddisfa il requisito di epitassia ad alta velocità, la qualità del wafer epitassiale è eccellente. L'uniformità dello spessore di wafer epitassiali SIC di 150 mm e 200 mM può essere controllata entro l'1,5%, l'uniformità di concentrazione è inferiore al 3%, la densità di difetto fatale è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la radice di rugosità della superficie epitassiale Rae quadrata è inferiore a 0,15 nm. Gli indicatori di processo di base dei wafer epitassiali sono a livello avanzato del settore.

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

Vetek Semiconductor è un produttore cinese professionista diSoffitto rivestito di CVD SIC, Ugello di rivestimento CVD SIC, EAnello di ingresso del rivestimento SIC.  Vetek Semiconductor si impegna a fornire soluzioni avanzate per vari prodotti Wafer SIC per l'industria dei semiconduttori.

Se sei interessatoFornace epitassiale SIC da 8 pollici e processo omoepitassiale, non esitare a contattarci direttamente.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com