Sic epitaxial horno e investigación de procesos homoepitaxiales de 8 pulgadas

Actualmente, la industria SIC se está transformando de 150 mm (6 pulgadas) a 200 mm (8 pulgadas). Para satisfacer la demanda urgente de obleas homoepitaxiales SIC de gran tamaño y alta calidad en la industria, se prepararon con éxito las obleas homoepitaxiales de 150 mM y 200 mm 4H-SIC en sustratos nacionales utilizando el equipo de crecimiento epitaxial SIC de 200 mm de 200 mm. Se desarrolló un proceso homoepitaxial adecuado para 150 mm y 200 mM, en el que la tasa de crecimiento epitaxial puede ser mayor de 60 μm/h. Al cumplir con la epitaxia de alta velocidad, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. La uniformidad de espesor de las obleas epitaxiales SIC 150 mM y 200 mM se puede controlar dentro del 1.5%, la uniformidad de la concentración es inferior al 3%, la densidad de defectos fatales es inferior a 0.3 partículas/cm2, y la rugosidad epitaxial de la raíz de la raíz RA cuadrada es inferior a 0.15 nm, y todos los indicadores de procesos núcleo están en el nivel avanzado de la industria de la industria.

El carburo de silicio (SIC) es uno de los representantes de los materiales semiconductores de tercera generación. Tiene las características de la alta resistencia al campo de la descomposición, una excelente conductividad térmica, una gran velocidad de deriva de saturación de electrones y una fuerte resistencia a la radiación. Ha ampliado en gran medida la capacidad de procesamiento de energía de los dispositivos de energía y puede cumplir con los requisitos de servicio de la próxima generación de equipos electrónicos de potencia para dispositivos con alta potencia, tamaño pequeño, alta temperatura, alta radiación y otras condiciones extremas. Puede reducir el espacio, reducir el consumo de energía y reducir los requisitos de enfriamiento. Ha traído cambios revolucionarios a nuevos vehículos de energía, transporte ferroviario, redes inteligentes y otros campos. Por lo tanto, los semiconductores de carburo de silicio se han reconocido como el material ideal que liderará la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia. En los últimos años, gracias al apoyo de políticas nacionales para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación, la investigación y el desarrollo y la construcción del sistema de la industria de dispositivos SIC de 150 mm se han completado básicamente en China, y la seguridad de la cadena industrial se ha garantizado básicamente. Por lo tanto, el enfoque de la industria ha cambiado gradualmente al control de costos y la mejora de la eficiencia. Como se muestra en la Tabla 1, en comparación con 150 mm, 200 mm SIC tiene una tasa de utilización de borde más alta, y la salida de chips de obleas individuales se puede aumentar aproximadamente 1,8 veces. Después de que la tecnología madura, el costo de fabricación de un solo chip se puede reducir en un 30%. El avance tecnológico de 200 mm es un medio directo para "reducir los costos y aumentar la eficiencia", y también es la clave para que la industria de semiconductores de mi país "ejecute paralelo" o incluso "liderazgo".

A diferencia del proceso del dispositivo SI, los dispositivos de potencia semiconductores SIC se procesan y preparan con capas epitaxiales como la piedra angular. Las obleas epitaxiales son materiales básicos esenciales para dispositivos de energía SIC. La calidad de la capa epitaxial determina directamente el rendimiento del dispositivo, y su costo representa el 20% del costo de fabricación de chips. Por lo tanto, el crecimiento epitaxial es un enlace intermedio esencial en los dispositivos de potencia SiC. El límite superior del nivel de proceso epitaxial está determinado por el equipo epitaxial. En la actualidad, el grado de localización de equipos epitaxiales SIC de 150 mm nacionales es relativamente alto, pero el diseño general de 200 mm se queda atrás del nivel internacional al mismo tiempo. Por lo tanto, para resolver las necesidades urgentes y los problemas de cuello de botella de la fabricación de materiales epitaxiales de gran tamaño y de alta calidad para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación nacional, este documento introduce el equipo epitaxial SIC de 200 mM desarrollado con éxito en mi país y estudia el proceso epitaxial. Al optimizar los parámetros del proceso, como la temperatura del proceso, la velocidad de flujo de gas portador, la relación C/Si, etc., la uniformidad de concentración <3%, el espesor no uniformidad <1.5%, la rugosidad RA <0.2 nm y la densidad de defectos fatales <0.3 partículas/CM2 de 150 mm y el suplemento epitaxial de 200 mM se obtienen a los bafers de los casos de silicón de 200 mM. El nivel de proceso del equipo puede satisfacer las necesidades de preparación de dispositivos de energía SIC de alta calidad.

1 experimentos

1.1 Principio del proceso epitaxial sic

El proceso de crecimiento homoepitaxial 4H-SIC incluye principalmente 2 pasos clave, a saber, grabado in situ de alta temperatura del sustrato 4H-SIC y el proceso de deposición de vapor químico homogéneo. El objetivo principal del grabado in situ del sustrato es eliminar el daño subsuperficial del sustrato después del pulido de la oblea, el líquido de pulido residual, las partículas y la capa de óxido, y se puede formar una estructura de paso atómico normal en la superficie del sustrato mediante el grabado. El grabado in situ generalmente se lleva a cabo en una atmósfera de hidrógeno. De acuerdo con los requisitos reales del proceso, también se puede agregar una pequeña cantidad de gas auxiliar, como cloruro de hidrógeno, propano, etileno o silano. La temperatura del grabado de hidrógeno in situ es generalmente por encima de 1 600 ℃, y la presión de la cámara de reacción generalmente se controla por debajo de 2 × 104 Pa durante el proceso de grabado.

Una vez que la superficie del sustrato se activa mediante el grabado in situ, ingresa al proceso de deposición de vapor químico de alta temperatura, es decir, la fuente de crecimiento (como el etileno/propano, TCS/silano), la fuente de dopaje (la fuente de dopaje de tipo N, el nitrógeno, el type P-type doping Fuente TMAL) y el gasto de reacción a la gaseada a la gaseada a la gaseada a la gaseada de la régena a la gaseada a la régica a la régamina de la reacción a la gaseada de los hidrográficos a la gaseada de la reacción a la régica. Gas portador (generalmente hidrógeno). Después de que el gas reacciona en la cámara de reacción de alta temperatura, parte del precursor reacciona químicamente y se adsorbe en la superficie de la oblea, y una sola capa epitaxial homogénea de 4H-SIC con una concentración de dopaje específica, espesor específico y mayor calidad se forma en la superficie del sustrato utilizando el sustrato 4H-SIC de un solo cristal como una temperatura de temperatura. Después de años de exploración técnica, la tecnología homoepitaxial 4H-SIC básicamente ha madurado y se usa ampliamente en la producción industrial. La tecnología homoepitaxial 4H-SIC más utilizada en el mundo tiene dos características típicas: (1) utilizando un eje fuera del eje (en relación con el plano de cristal <0001>, hacia la dirección de cristal <11-20>), el sustrato oblicuo de corte como una plantilla de alta puridad de crecimiento de una plantilla. El crecimiento homoepitaxial 4H-SIC temprano utilizó un sustrato de cristal positivo, es decir, el plano <0001> Si para el crecimiento. La densidad de los pasos atómicos en la superficie del sustrato de cristal positivo es baja y las terrazas son amplias. El crecimiento de la nucleación bidimensional es fácil de ocurrir durante el proceso de epitaxia para formar 3C Crystal SIC (3C-SIC). Por corte fuera del eje, de alta densidad, se pueden introducir pasos atómicos de ancho de terraza estrecho en la superficie del sustrato 4H-Sic <0001>, y el precursor adsorbido puede alcanzar efectivamente la posición del paso atómico con energía superficial relativamente baja a través de la difusión de la superficie. En el paso, la posición precursora del átomo/grupo molecular es única, por lo que en el modo de crecimiento del flujo de paso, la capa epitaxial puede heredar perfectamente la secuencia de apilamiento de capa atómica doble Si-C del sustrato para formar un cristal único con la misma fase de cristal que el sustrato. (2) El crecimiento epitaxial de alta velocidad se logra mediante la introducción de una fuente de silicio que contiene cloro. En los sistemas de deposición de vapor de vapor SIC convencional, el silano y el propano (o etileno) son las principales fuentes de crecimiento. En el proceso de aumentar la tasa de crecimiento al aumentar la velocidad de flujo de la fuente de crecimiento, a medida que la presión parcial de equilibrio del componente de silicio continúa aumentando, es fácil formar grupos de silicio por la nucleación homogénea de la fase gaseosa, lo que reduce significativamente la tasa de utilización de la fuente de silicio. La formación de grupos de silicio limita en gran medida la mejora de la tasa de crecimiento epitaxial. Al mismo tiempo, los grupos de silicio pueden alterar el crecimiento del flujo de paso y causar la nucleación de defectos. Para evitar la nucleación homogénea de la fase gaseosa y aumentar la tasa de crecimiento epitaxial, la introducción de fuentes de silicio basadas en cloro es actualmente el método principal para aumentar la tasa de crecimiento epitaxial de 4H-SIC.

1.2 200 mm (8 pulgadas) Equipo epitaxial SIC y condiciones de proceso

Todos los experimentos descritos en este documento se realizaron en un equipo epitaxial SIC de pared caliente monolítica compatible de 150/200 mm (6/8 de pulgada). El horno epitaxial admite carga y descarga de obleas completamente automáticas. La Figura 1 es un diagrama esquemático de la estructura interna de la cámara de reacción del equipo epitaxial. As shown in Figure 1, the outer wall of the reaction chamber is a quartz bell with a water-cooled interlayer, and the inside of the bell is a high-temperature reaction chamber, which is composed of thermal insulation carbon felt, high-purity special graphite cavity, graphite gas-floating rotating base, etc. The entire quartz bell is covered with a cylindrical induction coil, and the reaction chamber inside the bell is Electromagnéticamente calentado por una fuente de alimentación de inducción de frecuencia media. Como se muestra en la Figura 1 (b), el gas portador, el gas de reacción y el gas de dopaje fluyen a través de la superficie de la oblea en un flujo laminar horizontal desde la corriente aguas arriba de la cámara de reacción hasta la corriente posterior de la cámara de reacción y se descargan del extremo del gas de cola. Para garantizar la consistencia dentro de la oblea, la oblea transportada por la base flotante de aire siempre se gira durante el proceso.

El sustrato utilizado en el experimento es un comercial de 150 mm, 200 mm (6 pulgadas, 8 pulgadas) <1120> Dirección de 4 ° Subrato de SIC pulido de doble lado 4 ° de tipo N-SIC producido por Cristal Shanxi Shuoke. El triclorosilano (SiHCL3, TCS) y el etileno (C2H4) se utilizan como las principales fuentes de crecimiento en el experimento del proceso, entre los cuales TCS y C2H4 se usan como fuente de silicio y fuente de carbono respectivamente, el nitrógeno de alta pureza (N2) se usa como fuente de Doping N-Dope, y el hidrógeno (H2) se usa como gas y gas de transporte. El rango de temperatura del proceso epitaxial es 1 600 ~ 1 660 ℃, la presión del proceso es 8 × 103 ~ 12 × 103 Pa, y la velocidad de flujo de gas portador H2 es de 100 ～ 140 L/min.

1.3 Prueba y caracterización de obleas epitaxiales

El espectrómetro infrarrojo de Fourier (fabricante de equipos Termalfisher, modelo IS50) y probador de concentración de la sonda de mercurio (fabricante de equipos Semilab, Modelo 530L) se utilizaron para caracterizar la media y la distribución del espesor de la capa epitaxial y la concentración de dopaje; El grosor y la concentración de dopaje de cada punto en la capa epitaxial se determinaron tomando puntos a lo largo de la línea de diámetro que se cruzan en la línea normal del borde de referencia principal a 45 ° en el centro de la oblea con eliminación de borde de 5 mm. Para una oblea de 150 mm, se tomaron 9 puntos a lo largo de una línea de un solo diámetro (se tomaron dos diámetros entre sí), y para una oblea de 200 mm, se tomaron 21 puntos, como se muestra en la Figura 2. Se usó un microscopio de fuerza atómica (Bruker del fabricante del equipo, el icono de dimensiones del modelo) para seleccionar 30 μm μm μm de las áreas de la superficie y el área de la superficie (5 mm de removal de la superficie) de la icono de la superficie) de la superficie de la superficie) a las áreas de la superficie de la superficie). aspereza de la capa epitaxial; Los defectos de la capa epitaxial se midieron utilizando un probador de defectos de superficie (fabricante de equipos China Electronics Kefenghua, Modelo Mars 4410 Pro) para la caracterización.

2 resultados experimentales y discusión

2.1 Espesor y uniformidad de la capa epitaxial

El grosor de la capa epitaxial, la concentración de dopaje y la uniformidad son uno de los indicadores centrales para juzgar la calidad de las obleas epitaxiales. El grosor controlable con precisión, la concentración de dopaje y la uniformidad dentro de la oblea son la clave para garantizar el rendimiento y la consistencia de los dispositivos de potencia SIC, y el grosor de la capa epitaxial y la uniformidad de la concentración de dopaje también son las bases importantes para medir la capacidad de proceso de los equipos epitaxiales.

La Figura 3 muestra la curva de uniformidad y distribución de espesor de obleas epitaxiales SIC de 150 mm y 200 mM. Se puede ver en la figura que la curva de distribución de grosor de la capa epitaxial es simétrica sobre el punto central de la oblea. El tiempo de proceso epitaxial es de 600 s, el grosor promedio de la capa epitaxial de la oblea epitaxial de 150 mM es de 10.89 μm, y la uniformidad de espesor es 1.05%. Por cálculo, la tasa de crecimiento epitaxial es de 65.3 μm/h, que es un nivel de proceso epitaxial rápido típico. Bajo el mismo tiempo de proceso epitaxial, el grosor de la capa epitaxial de la oblea epitaxial de 200 mM es de 10.10 μm, la uniformidad del espesor está dentro del 1.36%y la tasa de crecimiento general es de 60,60 μm/h, que es ligeramente más baja que la tasa de crecimiento epitaxial de 150 mm. Esto se debe a que hay una pérdida obvia en el camino cuando la fuente de silicio y la fuente de carbono fluyen desde la corriente aguas arriba de la cámara de reacción a través de la superficie de la oblea hasta la corriente aguas abajo de la cámara de reacción, y el área de la oblea de 200 mm es más grande que los 150 mm. El gas fluye a través de la superficie de la oblea de 200 mm para una distancia más larga, y el gas de origen consumido en el camino es más. Bajo la condición de que la oblea se mantenga girando, el grosor general de la capa epitaxial es más delgada, por lo que la tasa de crecimiento es más lenta. En general, la uniformidad de espesor de obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es excelente, y la capacidad de proceso del equipo puede cumplir con los requisitos de los dispositivos de alta calidad.

2.2 Concentración de dopaje de capa epitaxial y uniformidad

La Figura 4 muestra la uniformidad de la concentración de dopaje y la distribución de la curva de obleas epitaxiales SIC 150 mM y 200 mM. Como se puede ver en la figura, la curva de distribución de concentración en la oblea epitaxial tiene una simetría obvia en relación con el centro de la oblea. La uniformidad de la concentración de dopaje de las capas epitaxiales de 150 mM y 200 mM es de 2.80% y 2.66% respectivamente, lo que puede controlarse dentro del 3%, lo cual es un excelente nivel entre los equipos internacionales similares. La curva de concentración de dopaje de la capa epitaxial se distribuye en forma de "W" a lo largo de la dirección del diámetro, que está determinada principalmente por el campo de flujo del horno epitaxial de la pared caliente horizontal, porque la dirección del flujo de aire del flujo de flujo de aire horizontal del flujo de flujo de aire es desde el extremo de la entrada de aire de la entrada de la entrada de aire hacia atrás en el extremo de la entrada de la entrada. Debido a que la tasa de "agotamiento de la vía" de la fuente de carbono (C2H4) es más alta que la de la fuente de silicio (TCS), cuando la oblea gira, el C/Si real en la superficie de la oblea disminuye gradualmente gradualmente del borde al centro (la fuente de carbono en el centro es menor), de acuerdo con la "teoría de posición competitiva" de C y N, la concentración de dopación en el centro del terreno gradualmente gradualmente gradualmente. Para obtener una excelente uniformidad de concentración, el borde N2 se agrega como compensación durante el proceso epitaxial para frenar la disminución de la concentración de dopaje desde el centro hasta el borde, de modo que la curva de concentración de dopaje final presenta una forma de "W".

2.3 defectos de capa epitaxial

Además del grosor y la concentración de dopaje, el nivel de control de defectos de la capa epitaxial también es un parámetro central para medir la calidad de las obleas epitaxiales y un importante indicador de la capacidad de proceso de los equipos epitaxiales. Aunque SBD y MOSFET tienen diferentes requisitos para defectos, los defectos de la morfología de la superficie más obvios, como defectos de caída, defectos triangulares, defectos de zanahoria y defectos del cometa, se definen como defectos asesinos para los dispositivos SBD y MOSFET. La probabilidad de falla de los chips que contienen estos defectos es alta, por lo que controlar el número de defectos asesinos es extremadamente importante para mejorar el rendimiento de los chips y reducir los costos. La Figura 5 muestra la distribución de defectos asesinos de obleas epitaxiales SIC de 150 mm y 200 mM. Bajo la condición de que no haya un desequilibrio obvio en la relación C/Si, los defectos de la zanahoria y los defectos del cometa pueden eliminarse básicamente, mientras que los defectos de caída y los defectos triangulares están relacionados con el control de limpieza durante la operación de equipos epitaxiales, el nivel de impureza de las partes de grafito en la cámara de reacción y la calidad del sustrato. De la Tabla 2, podemos ver que la densidad de defectos fatales de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro de 0.3 partículas/cm2, que es un nivel excelente para el mismo tipo de equipo. El nivel de control de densidad de defectos fatales de la oblea epitaxial 150 mM es mejor que el de la oblea epitaxial 200 mM. Esto se debe a que el proceso de preparación del sustrato de 150 mM es más maduro que el de 200 mM, la calidad del sustrato es mejor y el nivel de control de impurezas de la cámara de reacción de grafito 150 mM es mejor.

2.4 Rugosidad de la superficie de la oblea epitaxial

La Figura 6 muestra las imágenes AFM de la superficie de obleas epitaxiales SIC de 150 mm y 200 mM. Como se puede ver en la figura, la rugosidad cuadrada media de la raíz de la superficie de 150 mm y las obleas epitaxiales 200 mM es de 0.129 nm y 0.113 nm respectivamente, y la superficie de la capa epitaxial es lisa, sin el fenomenón de agregación de medidas macro obvias, lo que indica que el crecimiento de la capa epitaxial siempre mantiene el modo de crecimiento del flujo de paso durante el modo de crecimiento de la etapa total durante el modo de crecimiento de la epits total, y no ocurre. Se puede ver que la capa epitaxial con una superficie lisa se puede obtener en sustratos de ángulo bajo de 150 mm y 200 mm mediante el proceso de crecimiento epitaxial optimizado.

3. Conclusiones

Las obleas homoepitaxiales de 150 mm y 200 mm 4H-SIC se prepararon con éxito en sustratos nacionales utilizando el equipo de crecimiento epitaxial SIC de 200 mm autodesarradas, y se desarrolló un proceso homoepitaxial adecuado para 150 mm y 200 mm. La tasa de crecimiento epitaxial puede ser superior a 60 μm/h. Al cumplir con el requisito de epitaxia de alta velocidad, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. La uniformidad de espesor de las obleas epitaxiales SIC 150 mM y 200 mM se puede controlar dentro del 1.5%, la uniformidad de concentración es inferior al 3%, la densidad de defectos fatales es inferior a 0.3 partículas/cm2, y la rugosidad epitaxial de la raíz de la raíz cuadrada AR es inferior a 0.15 nm. Los indicadores de proceso básicos de las obleas epitaxiales están en el nivel avanzado en la industria.

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