Penelitian Proses Epitaxial dan Homoepitaxial 8-inci

Saat ini, industri SIC berubah dari 150 mm (6 inci) menjadi 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan mendesak untuk wafer homoepitaxial SIC ukuran besar, berkualitas tinggi di industri ini, 150 mm dan 200 mm 4h-SIC homoepitaxial wafer berhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial SIC 200 mm yang dikembangkan secara independen. Proses homoepitaxial yang cocok untuk 150 mm dan 200 mm dikembangkan, di mana laju pertumbuhan epitaxial dapat lebih besar dari 60 μm/jam. Saat memenuhi epitaxy berkecepatan tinggi, kualitas wafer epitaxial sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mM dan 200 mM wafer epitaxial SIC dapat dikontrol dalam 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kepadatan cacat yang fatal kurang dari 0,1 nm, dan semua indikasi inti pada level inti pada level akar.

Silicon carbide (sic) adalah salah satu perwakilan dari bahan semikonduktor generasi ketiga. Ini memiliki karakteristik kekuatan medan kerusakan tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, kecepatan drift saturasi elektron besar, dan ketahanan radiasi yang kuat. Ini telah sangat memperluas kapasitas pemrosesan energi perangkat daya dan dapat memenuhi persyaratan layanan dari generasi berikutnya dari peralatan elektronik daya untuk perangkat dengan daya tinggi, ukuran kecil, suhu tinggi, radiasi tinggi dan kondisi ekstrem lainnya. Ini dapat mengurangi ruang, mengurangi konsumsi daya dan mengurangi persyaratan pendinginan. Ini telah membawa perubahan revolusioner pada kendaraan energi baru, transportasi kereta api, jaringan pintar dan bidang lainnya. Oleh karena itu, semikonduktor silikon karbida telah diakui sebagai bahan ideal yang akan memimpin generasi berikutnya dari perangkat elektronik daya daya tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, berkat dukungan kebijakan nasional untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga, penelitian dan pengembangan dan konstruksi sistem industri perangkat SIC 150 mm pada dasarnya telah diselesaikan di Cina, dan keamanan rantai industri pada dasarnya telah dijamin. Oleh karena itu, fokus industri secara bertahap bergeser ke pengendalian biaya dan peningkatan efisiensi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, dibandingkan dengan 150 mm, 200 mm SIC memiliki tingkat pemanfaatan tepi yang lebih tinggi, dan output chip wafer tunggal dapat ditingkatkan sekitar 1,8 kali. Setelah teknologi matang, biaya produksi satu chip tunggal dapat dikurangi sebesar 30%. Terobosan teknologi 200 mm adalah sarana langsung untuk "mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi", dan itu juga merupakan kunci bagi industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan paralel" atau bahkan "memimpin".

Berbeda dari proses perangkat SI, perangkat daya semikonduktor SiC semuanya diproses dan disiapkan dengan lapisan epitaxial sebagai landasan. Wafer epitaxial adalah bahan dasar yang penting untuk perangkat daya sic. Kualitas lapisan epitaxial secara langsung menentukan hasil perangkat, dan biayanya menyumbang 20% ​​dari biaya produksi chip. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaxial adalah tautan perantara yang penting di perangkat daya SIC. Batas atas tingkat proses epitaxial ditentukan oleh peralatan epitaxial. Saat ini, tingkat lokalisasi peralatan epitaxial domestik 150 mm relatif tinggi, tetapi tata letak keseluruhan 200 mm keterlambatan di belakang tingkat internasional pada saat yang sama. Oleh karena itu, untuk menyelesaikan kebutuhan mendesak dan masalah kemacetan dari manufaktur bahan epikonduktor generasi ketiga berkualitas tinggi untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga domestik, makalah ini memperkenalkan 200 mm peralatan epitaxial yang berhasil dikembangkan di negara saya, dan mempelajari proses epitaxial. Dengan mengoptimalkan parameter proses seperti suhu proses, laju aliran gas pembawa, rasio C/SI, dll., Keseragaman konsentrasi <3%, ketebalan ketidakseragaman <1,5%, kekasaran Ra <0,2 nm dan kepadatan cacat fatal <0,3 turnel/cm2 dari 150 mm dan 200 mm wafers sirban dengan sirk-donik. Tingkat proses peralatan dapat memenuhi kebutuhan persiapan perangkat daya SiC berkualitas tinggi.

1 percobaan

1.1 Prinsip Proses Epitaxial SiC

Proses pertumbuhan homoepitaxial 4H-SIC terutama mencakup 2 langkah kunci, yaitu, etsa in-situ suhu tinggi dari substrat 4H-SIC dan proses pengendapan uap kimia homogen. Tujuan utama dari etsa sub-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerusakan bawah permukaan substrat setelah pemolesan wafer, cairan pemolesan residual, partikel dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom biasa dapat dibentuk pada permukaan substrat dengan etsa. Etsa in-situ biasanya dilakukan di atmosfer hidrogen. Menurut persyaratan proses yang sebenarnya, sejumlah kecil gas tambahan juga dapat ditambahkan, seperti hidrogen klorida, propana, etilen atau silan. Suhu etsa hidrogen in-situ umumnya di atas 1 600 ℃, dan tekanan ruang reaksi umumnya dikontrol di bawah 2 × 104 Pa selama proses etsa.

Setelah permukaan substrat diaktifkan dengan etsa in-situ, ia memasuki proses pengendapan uap kimia suhu tinggi, yaitu sumber pertumbuhan (seperti etilen/propana, TCS/silan), sumber doping (nike-non-tong nitrogen yang diselesaikan, seperti halnya. (biasanya hidrogen). Setelah gas bereaksi di ruang reaksi suhu tinggi, bagian dari prekursor bereaksi secara kimiawi dan menyerap pada permukaan wafer, dan lapisan epitaxial 4H-SIC homogen tunggal dengan konsentrasi doping spesifik, ketebalan spesifik, dan kualitas yang lebih tinggi pada substrat yang menggunakan substrat menggunakan substrat tunggal. Setelah bertahun-tahun eksplorasi teknis, teknologi homoepitaxial 4H-SIC pada dasarnya telah matang dan banyak digunakan dalam produksi industri. Teknologi homoepitaxial 4H-SIC yang paling banyak digunakan di dunia memiliki dua karakteristik khas: (1) menggunakan off-axis (relatif terhadap bidang kristal , menuju ke arah kristal <11-20> dari substrat lepuh-lepa-lepap-purbenggara yang ditempuh oleh purbasis tinggi. Pertumbuhan homoepitaxial 4H-SIC awal menggunakan substrat kristal positif, yaitu, bidang SI untuk pertumbuhan. Kepadatan langkah -langkah atom pada permukaan substrat kristal positif rendah dan teras lebar. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah terjadi selama proses epitaxy untuk membentuk kristal 3C SIC (3C-SIC). Dengan pemotongan off-axis, langkah-langkah atom lebar dengan kepadatan tinggi, dapat diperkenalkan pada permukaan substrat 4HH-SIC <0001>, dan prekursor yang teradsorpsi dapat secara efektif mencapai posisi langkah atom dengan energi permukaan yang relatif rendah melalui difusi permukaan. Pada langkah, posisi ikatan atom/molekul prekursor adalah unik, jadi dalam mode pertumbuhan aliran langkah, lapisan epitaxial dapat dengan sempurna mewarisi urutan penumpukan lapisan atom SI-C ganda substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan fase kristal yang sama dengan substrat. (2) Pertumbuhan epitaxial berkecepatan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandung klorin. Dalam sistem deposisi uap kimia SIC konvensional, silan dan propana (atau etilena) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses peningkatan laju pertumbuhan dengan meningkatkan laju aliran sumber pertumbuhan, karena tekanan parsial kesetimbangan dari komponen silikon terus meningkat, mudah untuk membentuk kelompok silikon dengan nukleasi fase gas homogen, yang secara signifikan mengurangi laju pemanfaatan sumber silikon. Pembentukan kelompok silikon sangat membatasi peningkatan tingkat pertumbuhan epitaxial. Pada saat yang sama, kelompok silikon dapat mengganggu pertumbuhan aliran langkah dan menyebabkan nukleasi cacat. Untuk menghindari nukleasi fase gas homogen dan meningkatkan laju pertumbuhan epitaxial, pengenalan sumber silikon berbasis klorin saat ini merupakan metode utama untuk meningkatkan laju pertumbuhan epitaxial 4H-SIC.

1,2 200 mm (8-inci) peralatan epitaxial dan kondisi proses

Eksperimen yang dijelaskan dalam makalah ini semuanya dilakukan pada 150/200 mm (6/8-inch) yang kompatibel dengan peralatan epitaxial horisontal horisontal horisontal SIC yang dikembangkan secara independen oleh Institut ke-48 China Electronics Technology Group Corporation. Tungku epitaxial mendukung pemuatan dan pembongkaran wafer otomatis sepenuhnya. Gambar 1 adalah diagram skematis dari struktur internal ruang reaksi peralatan epitaxial. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dinding luar ruang reaksi adalah lonceng kuarsa dengan interlayer yang didinginkan dengan air, dan bagian dalam lonceng adalah ruang reaksi suhu tinggi, yang terdiri dari karbon isolasi termal yang terasa, rongga-rongga grafit yang diaktifkan dengan pemulihan. oleh catu daya induksi frekuensi menengah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), gas pembawa, gas reaksi, dan gas doping semua mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar horizontal dari hulu ruang reaksi ke hilir ruang reaksi dan dikeluarkan dari ujung gas ekor. Untuk memastikan konsistensi di dalam wafer, wafer yang dibawa oleh pangkalan mengambang udara selalu diputar selama proses.

Substrat yang digunakan dalam percobaan adalah komersial 150 mm, 200 mm (6 inci, 8 inci) <1120> arah 4 ° off-sudut konduktif N-tipe 4H-SIC substrat SIC yang dipoles sisi yang diproduksi oleh Shanxi Shuoke Crystal. Trichlorosilane (SIHCL3, TCS) dan etilen (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam percobaan proses, di antaranya TCS dan C2H4 digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, masing-masing, nitrogen dengan kemurnian tinggi (N2) digunakan sebagai sumber doping tipe N, dan hidrogen (H2) yang digunakan oleh gas. Kisaran suhu proses epitaxial adalah 1 600 ~ 1 660 ℃, tekanan prosesnya adalah 8 × 103 ~ 12 × 103 pa, dan laju aliran gas pembawa H2 adalah 100 ～ 140 L/menit.

1.3 Pengujian dan karakterisasi wafer epitaxial

Spektrometer inframerah Fourier (produsen peralatan Thermalfisher, model IS50) dan tester konsentrasi probe merkuri (produsen peralatan Semilab, Model 530L) digunakan untuk mengkarakterisasi rata -rata dan distribusi ketebalan lapisan epitaxial dan konsentrasi doping; Ketebalan dan konsentrasi doping dari setiap titik di lapisan epitaxial ditentukan dengan mengambil titik di sepanjang garis diameter yang memotong garis normal tepi referensi utama pada 45 ° di tengah wafer dengan pelepasan tepi 5 mM. Untuk wafer 150 mm, 9 poin diambil di sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter saling tegak lurus), dan untuk wafer 200 mm, 21 poin diambil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Mikroskop gaya atom) di daerah pemindahan dan pemindahan di area mmus, dan edgex di daerah mmus, edux. wafer untuk menguji kekasaran permukaan lapisan epitaxial; Cacat lapisan epitaxial diukur menggunakan penguji cacat permukaan (produsen peralatan China Electronics Kefenghua, Model MARS 4410 Pro) untuk karakterisasi.

2 Hasil dan Diskusi Eksperimen

2.1 Ketebalan dan keseragaman lapisan epitaxial

Ketebalan lapisan epitaxial, konsentrasi doping dan keseragaman adalah salah satu indikator inti untuk menilai kualitas wafer epitaxial. Ketebalan yang dapat dikendalikan secara akurat, konsentrasi doping dan keseragaman dalam wafer adalah kunci untuk memastikan kinerja dan konsistensi perangkat daya SiC, dan ketebalan lapisan epitaxial dan keseragaman konsentrasi doping juga merupakan basis penting untuk mengukur kemampuan proses peralatan epitaxial.

Gambar 3 menunjukkan keseragaman ketebalan dan kurva distribusi 150 mm dan 200 mm wafer epitaxial SIC. Dapat dilihat dari gambar bahwa kurva distribusi ketebalan lapisan epitaxial simetris tentang titik tengah wafer. Waktu proses epitaxial adalah 600 detik, ketebalan lapisan epitaxial rata -rata dari wafer epitaxial 150 mm adalah 10,89 μm, dan keseragaman ketebalannya adalah 1,05%. Dengan perhitungan, laju pertumbuhan epitaxial adalah 65,3 μm/jam, yang merupakan tingkat proses epitaxial cepat yang khas. Di bawah waktu proses epitaxial yang sama, ketebalan lapisan epitaxial dari wafer epitaxial 200 mm adalah 10,10 μm, keseragaman ketebalan dalam 1,36%, dan laju pertumbuhan keseluruhan adalah 60,60 μm/jam, yang sedikit lebih rendah dari laju pertumbuhan epitaxial 150 mm. Ini karena ada kerugian yang jelas di sepanjang jalan ketika sumber silikon dan aliran sumber karbon dari hulu ruang reaksi melalui permukaan wafer ke hilir ruang reaksi, dan area wafer 200 mM lebih besar dari 150 mm. Gas mengalir melalui permukaan wafer 200 mm untuk jarak yang lebih jauh, dan gas sumber yang dikonsumsi di sepanjang jalan lebih. Di bawah kondisi bahwa wafer terus berputar, ketebalan keseluruhan lapisan epitaxial lebih tipis, sehingga laju pertumbuhan lebih lambat. Secara keseluruhan, keseragaman ketebalan 150 mm dan 200 mm epitaxial wafers sangat baik, dan kemampuan proses peralatan dapat memenuhi persyaratan perangkat berkualitas tinggi.

2.2 Konsentrasi dan keseragaman doping lapisan epitaxial

Gambar 4 menunjukkan keseragaman konsentrasi doping dan distribusi kurva 150 mM dan 200 mM epitaxial wafers. Seperti dapat dilihat dari gambar, kurva distribusi konsentrasi pada wafer epitaxial memiliki simetri yang jelas relatif terhadap pusat wafer. Keseragaman konsentrasi doping dari lapisan epitaxial 150 mM dan 200 mM masing -masing adalah 2,80% dan 2,66%, yang dapat dikontrol dalam 3%, yang merupakan tingkat yang sangat baik di antara peralatan serupa internasional. Kurva konsentrasi doping dari lapisan epitaxial didistribusikan dalam bentuk "W" di sepanjang arah diameter, yang terutama ditentukan oleh medan aliran dari tungku epitaxial dinding panas horizontal, karena arah aliran aliran udara horizontal di ujung aliran udara. Karena laju "penipisan sepanjang jalan" dari sumber karbon (C2H4) lebih tinggi dari sumber silikon (TCS), ketika wafer berputar, C/SI aktual pada permukaan wafer secara bertahap berkurang dari tepi ke pusat (Sumber karbon di pusatnya lebih sedikit), sesuai dengan "teori posisi kompetitif" dari Cing. No, No, NEGA. Untuk mendapatkan keseragaman konsentrasi yang sangat baik, tepi N2 ditambahkan sebagai kompensasi selama proses epitaxial untuk memperlambat penurunan konsentrasi doping dari pusat ke tepi, sehingga kurva konsentrasi doping akhir menyajikan bentuk "W".

2.3 Cacat lapisan epitaxial

Selain konsentrasi ketebalan dan doping, tingkat kontrol cacat lapisan epitaxial juga merupakan parameter inti untuk mengukur kualitas wafer epitaxial dan indikator penting dari kemampuan proses peralatan epitaxial. Meskipun SBD dan MOSFET memiliki persyaratan yang berbeda untuk cacat, cacat morfologi permukaan yang lebih jelas seperti cacat drop, cacat segitiga, cacat wortel, dan cacat komet didefinisikan sebagai cacat pembunuh untuk perangkat SBD dan MOSFET. Probabilitas kegagalan chip yang mengandung cacat ini tinggi, sehingga mengendalikan jumlah cacat pembunuh sangat penting untuk meningkatkan hasil chip dan mengurangi biaya. Gambar 5 menunjukkan distribusi cacat pembunuh 150 mm dan 200 mm wafer epitaxial SIC. Di bawah kondisi bahwa tidak ada ketidakseimbangan yang jelas dalam rasio C/SI, cacat wortel dan cacat komet pada dasarnya dapat dieliminasi, sedangkan cacat drop dan cacat segitiga terkait dengan kontrol kebersihan selama pengoperasian peralatan epitaxial, tingkat pengotor bagian grafit dalam ruang reaksi, dan kualitas substrat. Dari Tabel 2, kita dapat melihat bahwa kerapatan cacat fatal 150 mm dan 200 mm epitaxial wafer dapat dikontrol dalam 0,3 partikel/cm2, yang merupakan tingkat yang sangat baik untuk jenis peralatan yang sama. Tingkat kontrol kepadatan cacat fatal 150 mM epitaxial wafer lebih baik daripada 200 mM epitaxial wafer. Ini karena proses persiapan substrat 150 mm lebih matang daripada 200 mm, kualitas substrat lebih baik, dan tingkat kontrol pengotor dari ruang reaksi grafit 150 mm lebih baik.

2.4 Kekasaran permukaan wafer epitaxial

Gambar 6 menunjukkan gambar AFM dari permukaan 150 mm dan 200 mm wafer epitaxial SiC. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, akar permukaan rata-rata kekasaran kuadrat RA 150 mm dan 200 mM epitaxial wafers masing-masing adalah 0,129 nm dan 0,113 nm, dan permukaan lapisan epitaxial yang halus, tanpa batasan-langkah yang terus-menerus memelihara langkah-langkahnya, yang menunjukkan bahwa langkah-langkah agregasi. Dapat dilihat bahwa lapisan epitaxial dengan permukaan halus dapat diperoleh pada 150 mm dan 200 mM substrat sudut rendah dengan menggunakan proses pertumbuhan epitaxial yang dioptimalkan.

3. Kesimpulan

Wafer homoepitaxial 150 mm dan 200 mm 4H-SIC berhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaxial SIC 200 mM yang dikembangkan sendiri, dan proses homoepitaxial yang cocok untuk 150 mm dan 200 mm dikembangkan. Tingkat pertumbuhan epitaxial dapat lebih besar dari 60 μm/jam. Saat memenuhi persyaratan epitaks berkecepatan tinggi, kualitas wafer epitaxial sangat baik. Keseragaman ketebalan 150 mM dan 200 mM wafer epitaxial SIC dapat dikontrol dalam 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kerapatan cacat fatal kurang dari 0,3 nm. Indikator proses inti dari wafer epitaxial berada di tingkat lanjut dalam industri.

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

Vetek Semiconductor adalah produsen Cina profesionalCVD SIC LEAILE COATED, Nosel cvd sic coating, DanCincin saluran masuk lapisan sic.  Vetek Semiconductor berkomitmen untuk memberikan solusi canggih untuk berbagai produk wafer SiC untuk industri semikonduktor.

Jika Anda tertarikProses Epitaxial Furnace dan Homoepitaxial 8-Inch, jangan ragu untuk menghubungi kami secara langsung.

Mob: +86-180 6922 0752

Whatsapp: +86 180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com