8-Zoll-SIC-Epitaxialofen und Homoepitaxialprozessforschung

Derzeit verwandelt sich die SIC -Industrie von 150 mm (6 Zoll) auf 200 mm (8 Zoll). Um die dringende Nachfrage nach großer, hochwertiger sic homoepitaxialer Wafer in der Branche zu befriedigen, wurden 150 mm und 200 mm 4H-Sic-Homoepitaxial-Wafer mit den unabhängig entwickelten 200-mm-Epitaxial-Epitaxi-Wachstumsanlagen erfolgreich auf inländische Substrate vorbereitet. Es wurde ein homoepitaxialer Prozess für 150 mm und 200 mm entwickelt, bei dem die epitaxiale Wachstumsrate größer als 60 μm/h betragen kann. Während der Hochgeschwindigkeits-Epitaxie ist die epitaxiale Waferqualität hervorragend. Die Gleichmäßigkeit der Dicke von 150 mm und 200 mM sic epitaxialen Wafern kann innerhalb von 1,5%kontrolliert werden, die Konzentrationsgleichmäßigkeit beträgt weniger als 3%, die tödliche Defektdichte beträgt weniger als 0,3 Partikel/cm2, und die epitaxiale Oberflächenrauten -Wurzel -mittlere quadratische RA beträgt weniger als 0,15 nm, und alle Kernprozessindikatoren befinden sich in der Branche.

Siliziumcarbid (SIC) ist einer der Vertreter der Halbleitermaterialien der dritten Generation. Es hat die Eigenschaften einer hohen Abbaufeldstärke, einer ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit, der Driftgeschwindigkeit großer Elektronensättigung und einer starken Strahlungswiderstand. Es hat die Energieverarbeitungskapazität von Stromversorgungsgeräten erheblich erweitert und kann die Serviceanforderungen der nächsten Generation von elektronischen Geräten für Geräte mit hoher Leistung, geringer Größe, hoher Temperatur, hoher Strahlung und anderen extremen Bedingungen erfüllen. Es kann den Raum reduzieren, den Stromverbrauch reduzieren und die Kühlanforderungen reduzieren. Es hat revolutionäre Veränderungen in neue Energiefahrzeuge, Schienenverkehr, intelligente Netze und andere Bereiche gebracht. Daher sind Siliziumcarbid-Halbleiter als ideales Material anerkannt, das die nächste Generation von elektronischen Geräten mit hoher Leistungsstärke verleiht. In den letzten Jahren wurden dank der nationalen politischen Unterstützung für die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation die Forschung und Entwicklung und der Bau des 150 mm SIC-Geräteindustriesystems im Wesentlichen in China abgeschlossen, und die Sicherheit der Industriekette wurde im Grunde genommen garantiert. Daher hat sich der Schwerpunkt der Branche nach und nach auf Kostenkontrolle und Effizienzverbesserung verschoben. Wie in Tabelle 1 gezeigt, hat im Vergleich zu 150 mM 200 mM sic eine höhere Kantenauslastungsrate, und der Ausgang von Einzelwafer -Chips kann um etwa das 1,8 -fache erhöht werden. Nach dem Reifern der Technologie können die Herstellungskosten eines einzelnen Chips um 30%gesenkt werden. Der technologische Durchbruch von 200 mm ist ein direktes Mittel, um "Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern", und es ist auch der Schlüssel für die Halbleiterindustrie meines Landes, "parallel" oder sogar "leitend" zu laufen.

Anders vom SI -Geräteprozess werden SIC -Halbleiter -Leistungsgeräte verarbeitet und mit epitaxialen Schichten als Eckpfeiler vorbereitet. Epitaxiale Wafer sind wesentliche Grundmaterialien für SIC -Leistungsgeräte. Die Qualität der epitaxialen Schicht bestimmt direkt die Ausbeute des Geräts, und ihre Kosten machen 20% der CHIP -Herstellungskosten aus. Daher ist das epitaxiale Wachstum eine wesentliche Zwischenverbindung in SIC -Leistungsgeräten. Die Obergrenze des epitaxialen Prozessniveaus wird durch epitaxiale Geräte bestimmt. Gegenwärtig ist der Lokalisierungsgrad der inländischen 150 -mm -SIC -Epitaxialgeräte relativ hoch, aber das Gesamtlayout von 200 mm bleibt gleichzeitig hinter dem internationalen Niveau zurück. Um die dringenden Bedürfnisse und Engpassprobleme der großartigen, qualitativ hochwertigen epitaxialen materiellen Herstellung für die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation zu lösen, führt dieses Papier den 200 mm sic-epitaxialen Gerät in meinem Land ein und untersucht den epitaxialen Prozess. Durch die Optimierung der Prozessparameter wie Prozesstemperatur, Trägergasströmungsrate, C/Si-Verhältnis usw., die Konzentrationsgleichmäßigkeit <3%, die Ungleichmäßigkeit von Dicke <1,5%, Rauheit RA <0,2 nm und tödliche Defektdichte <0,3 Partikel/cm2 von 150 mm und 200 mm-Epitaxials-Epitaxi-Ofern mit Selbstentwicklung mit Selbstdarstellung. Das Ausrüstungsprozessniveau kann den Bedürfnissen hochwertiger SIC-Stromversorgungsvorbereitungen erfüllen.

1 Experimente

1.1 Prinzip des sic epitaxialen Prozesss

Der 4H-SIC-Homoepitaxialwachstumsprozess umfasst hauptsächlich 2 wichtige Schritte, nämlich Hochtemperaturen in-situ-Ätzen von 4H-SIC-Substrat und homogenem chemischen Dampfabscheidungsprozess. Der Hauptzweck des Substrat-In-situ-Radierens besteht darin, die Untergrundschädigung des Substrats nach Waferpolieren, der Restflüssigkeit, der Partikel und der Oxidschicht zu entfernen, und eine regelmäßige atomare Schrittstruktur kann durch Ätzen auf der Substratoberfläche gebildet werden. In-situ-Ätzen wird normalerweise in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Nach den tatsächlichen Prozessanforderungen kann auch eine geringe Menge an Hilfsgas zugesetzt werden, wie Wasserstoffchlorid, Propan, Ethylen oder Silan. Die Temperatur des Wasserstoffkreises in situ liegt im Allgemeinen über 1 600 ° C, und der Druck der Reaktionskammer wird während des Ätzprozesses im Allgemeinen unter 2 × 104 pa kontrolliert.

Nachdem die Substratoberfläche durch In-situ-Ätzen aktiviert wurde, tritt sie in den hochtemperaturchemischen Dampfabscheidungsprozess ein, dh die Wachstumsquelle (wie Ethylen/Propan, TCS/Silan), Doping-Quelle (N-Type-Doping-Quellen-Nitrogen-Chlor-Chlory-TML-Quellen-TMAL-FLUSGE-HAGROG-FLUSGE) und TMAL-BLUSGE-FLUGS-TMAL-FLUSGE-BLUSS-GAS) und das Hywasser-Transport-TMAL-Blogen-TMAL) und das Hywasser-Transport-Traggas) und das Hydry-Transport-Transport. von Trägergas (normalerweise Wasserstoff). Nachdem das Gas in der Hochtemperaturreaktionskammer reagiert, reagiert ein Teil des Vorläufer chemisch und adsorbiert auf der Waferoberfläche, und eine homogene einkristallische 4H-Sic-Epitaxialschicht mit einer spezifischen doping-Konzentration, spezifischer Dicke und höherer Qualität wird auf der Substratoberfläche unter Verwendung des einzelnen crystalen 4H-Substruations-Substrates als Vorschlag gebildet. Nach Jahren der technischen Exploration ist die 4H-SIC-Homoepitaxial-Technologie im Grunde genommen gereift und wird in der industriellen Produktion weit verbreitet. Die am häufigsten verwendete 4H-Sic-Homoepitaxial-Technologie der Welt hat zwei typische Eigenschaften: (1) unter Verwendung einer Off-Axis-Schräg-Substrat (relativ zur <0001> Kristallebene in Richtung der <11-20> Kristallrichtung) schräge Substrat ohne Templat ohne Templat ohne Purität. Das frühe 4H-Sic-Homoepitaxialwachstum verwendete ein positives Kristallsubstrat, dh die <0001> Si-Ebene für das Wachstum. Die Dichte der Atomschritte auf der Oberfläche des positiven Kristallsubstrats ist niedrig und die Terrassen sind breit. Das zweidimensionale Keimbildungswachstum ist während des Epitaxieprozesses leicht auftreten, um 3C-Kristall-SIC (3c-sic) zu bilden. Durch das Schneiden außerhalb der Achse, hohe Dichte, schmale Terrassenbreiten-Atomschritte können auf der Oberfläche des 4H-sic <0001> Substrats eingeführt werden, und der adsorbierte Vorläufer kann die atomische Stufenposition mit relativ niedriger Oberflächenenergie durch Oberflächendiffusion effektiv erreichen. Im Schritt ist das Vorläufer-Atom-/Molekulargruppenbindungsposition eindeutig, sodass die epitaxiale Schicht im Stiefflusswachstumsmodus die SI-C-Doppelatomschichtstapelsequenz des Substrats perfekt erben kann, um einen einzelnen Kristall mit derselben Kristallphase wie das Substrat zu bilden. (2) Hochgeschwindigkeits-Epitaxialwachstum wird durch Einführung einer chlorhaltigen Siliziumquelle erzielt. In herkömmlichen chemischen Dampfablagerungssystemen sind Silan und Propan (oder Ethylen) die Hauptwachstumsquellen. Bei der Erhöhung der Wachstumsrate durch Erhöhen der Wachstumsquellenströmungsrate, da der Gleichgewichtspartialdruck der Siliziumkomponente weiter zunimmt, ist es leicht, Siliziumcluster durch homogene Gasphasenkeimbildung zu bilden, was die Nutzungsrate der Siliziumquelle signifikant verringert. Die Bildung von Siliziumclustern begrenzt die Verbesserung der epitaxialen Wachstumsrate erheblich. Gleichzeitig können Siliziumcluster das Wachstum des Stiefflusses stören und die Keimbildung des Fehlers verursachen. Um homogene Gasphasenkeimbildung zu vermeiden und die epitaxiale Wachstumsrate zu erhöhen, ist die Einführung von Siliziumquellen auf Chlorbasis derzeit die Mainstream-Methode, um die epitaxiale Wachstumsrate von 4H-SIC zu erhöhen.

1,2 200 mm (8-Zoll-) SIC-Epitaxialsgeräte und Prozessbedingungen

Die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente wurden alle auf einem 150/200-mm-kompatiblen monolithischen horizontalen epitaxialen Epitaxialsausrüstung von 150/200 mm durchgeführt, das von der 48. Institute of China Electronics Technology Group Corporation unabhängig voneinander entwickelt wurde. Der epitaxiale Ofen unterstützt eine vollautomatische Lade- und Entladung von Wafer. Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm der inneren Struktur der Reaktionskammer der epitaxialen Geräte. Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist die Außenwand der Reaktionskammer eine Quarzglocke mit einer wassergekühlten Zwischenschicht, und die Innenseite der Glocke ist eine Hochtemperatur-Reaktionskammer, die aus thermischer Isolierung Kohlenstofffilm besteht, hochpurityspezifische Graphithöhle, Gasblitzgasblitz-Basis usw. Die Reaktionsmark-Glocke ist mit einer Elektrika-Induktion. Erhitzt durch eine mittelfrequente Induktionsstromversorgung. Wie in Abbildung 1 (b) gezeigt, fließen das Trägergas, das Reaktionsgas und das Dotieren von Gas alle durch die Waferoberfläche in einem horizontalen laminaren Strömung vom stromaufwärts der Reaktionskammer bis zum stromabwärts der Reaktionskammer und werden vom Schwanzgasend entladen. Um die Konsistenz innerhalb des Wafers zu gewährleisten, wird der von der Luftschwimmbasis getragene Wafer während des Prozesses immer gedreht.

Das im Experiment verwendete Substrat ist ein kommerzieller 150 mm, 200 mm (6 Zoll, 8 Zoll) <1120> Richtung 4 ° Off-Winkel-leitfähiges 4H-SIC-doppelseitiger poliertes sic-Substrat, das von Shanxi Shuoke Crystal hergestellt wurde. Trichlorsisilan (SiHCL3, TCS) und Ethylen (C2H4) werden als Hauptwachstumsquellen im Prozessversuch verwendet, unter denen TCs und C2H4 als Siliziumquelle und Kohlenstoffquelle verwendet werden, und Kohlenstoffquelle, Hochpuritätsstickstoff (N2) wird als N-Type-Doping-Quelle verwendet. Der epitaxiale Prozesstemperaturbereich beträgt 1 600 ~ 1 660 ℃, der Prozessdruck beträgt 8 × 103 ~ 12 × 103 pa und die H2 -Trägergasströmungsrate 100 ～ 140 l/min.

1.3 Tests und Charakterisierung von Epitaxialwafern und Charakterisierung

Das Fourier -Infrarotspektrometer (Thermalfischer des Gerätsherstellers, Modell IS50) und Quecksilber -Sondenkonzentrationstester (Gerätehersteller Semilab, Modell 530L) wurden verwendet, um den Mittelwert und die Verteilung der epitaxialen Schichtdicke und der Doping -Konzentration zu charakterisieren. Die Dicke und Dotierungskonzentration jedes Punktes in der epitaxialen Schicht wurden durch Einnahme von Punkten entlang der Durchmesserlinie bestimmt, die die normale Linie der Hauptreferenzkante bei 45 ° in der Mitte des Wafers mit 5 mm Kantenentfernung schnitt. For a 150 mm wafer, 9 points were taken along a single diameter line (two diameters were perpendicular to each other), and for a 200 mm wafer, 21 points were taken, as shown in Figure 2. An atomic force microscope (equipment manufacturer Bruker, model Dimension Icon) was used to select 30 μm×30 μm areas in the center area and the edge area (5 mm edge removal) of the epitaxial wafer to test die Oberflächenrauheit der epitaxialen Schicht; Die Defekte der epitaxialen Schicht wurden unter Verwendung eines Oberflächendefekts (Gerätehersteller China Electronics Kefenghua, Modell Mars 4410 Pro) zur Charakterisierung gemessen.

2 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

2.1 epitaxiale Schichtdicke und Gleichmäßigkeit

Epitaxiale Schichtdicke, Dopingkonzentration und Gleichmäßigkeit sind einer der Kernindikatoren für die Beurteilung der Qualität von epitaxialen Wafern. Eine genaue steuerbare Dicke, Dopingkonzentration und Gleichmäßigkeit innerhalb des Wafers sind der Schlüssel, um die Leistung und Konsistenz von SIC -Leistungsgeräten zu gewährleisten, und epitaxiale Schichtdicke und Dotierungskonzentrationsgleichmäßigkeit sind auch wichtige Grundlagen für die Messung der Prozessfähigkeit der epitaxialen Geräte.

Abbildung 3 zeigt die Dicke Gleichmäßigkeit und Verteilungskurve von 150 mm und 200 mM sic -epitaxialen Wafern. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die epitaxiale Schichtdicke -Verteilungskurve um den Mittelpunkt des Wafers symmetrisch ist. Die epitaxiale Prozesszeit beträgt 600 s, die durchschnittliche epitaxiale Schichtdicke des 150 mM epitaxialen Waffels beträgt 10,89 μm und die Gleichmäßigkeit der Dicke 1,05%. Durch die Berechnung beträgt die epitaxiale Wachstumsrate 65,3 μm/h, was ein typisches schnelles epitaktisches Prozessniveau ist. Bei der gleichen epitaxialen Prozesszeit beträgt die epitaxiale Schichtdicke des 200 mM epitaxialen Wafers 10,10 μm, die Gleichmäßigkeit der Dicke innerhalb von 1,36%und die Gesamtwachstumsrate 60,60 μm/h, was etwas niedriger ist als die 150 mM epitaxiale Wachstumsrate. Dies liegt daran, dass es einen offensichtlichen Verlust entlang des Weges gibt, wenn die Siliziumquelle und die Kohlenstoffquelle vom stromaufwärts der Reaktionskammer über die Waferoberfläche bis zum stromabwärts der Reaktionskammer und die 200 mm -Waferfläche größer als die 150 mm ist. Das Gas fließt für eine längere Entfernung durch die Oberfläche des 200 -mm -Wafers, und das auf diesem Weg verbrauchte Quellgas ist mehr. Unter der Bedingung, dass sich der Wafer weiter dreht, ist die Gesamtdicke der epitaxialen Schicht dünner, sodass die Wachstumsrate langsamer ist. Insgesamt ist die Gleichmäßigkeit der Dicke von 150 mm und 200 mm epitaxialen Wafern hervorragend, und die Prozessfähigkeit der Geräte kann die Anforderungen hochwertiger Geräte erfüllen.

2.2 Epitaxialschicht -Dopingkonzentration und Gleichmäßigkeit

Abbildung 4 zeigt die Dotierungskonzentrationsgleichmäßigkeit und Kurvenverteilung von 150 mm und 200 mM sic -epitaxialen Wafern. Wie aus der Abbildung hervorgeht, hat die Konzentrationsverteilungskurve am epitaxialen Wafer eine offensichtliche Symmetrie im Verhältnis zum Zentrum des Wafers. Die Gleichmäßigkeit der Dopingkonzentration der epitaxialen Schichten von 150 mm und 200 mM beträgt 2,80% bzw. 2,66%, was innerhalb von 3% kontrolliert werden kann, was bei internationalen ähnlichen Geräten ein hervorragendes Niveau ist. Die Dotierungskonzentrationskurve der Epitaxialschicht ist in einer "W" -Form entlang der Durchmesserrichtung verteilt, die hauptsächlich durch das Flussfeld des horizontalen Epitaxialdofens bestimmt wird, da die Luftströmungsrichtung des horizontalen Luftstroms epitaxialen Wachstumsofen durch die Lufteinflüsse (fließende Flüsse) und fließt aus dem Wasserfluss aus dem Wasserfluss und dem Strömungsflächen aus dem Abwärtsstachel. Da die Rate der Kohlenstoffquelle (C2H4) mit der Entlang der Siliziumquelle (TCS) die Tatsache der Waferoberfläche auf der Waferoberfläche auf der Waferoberfläche allmählich abnimmt, nimmt die tatsächliche C/SI-Oberfläche allmählich von der Kante zum Vorsprung des Wafers nach allmählich ab. Um eine ausgezeichnete Konzentrationsgleichmäßigkeit zu erzielen, wird der Rand N2 als Kompensation während des epitaxialen Prozesses zugegeben, um die Abnahme der Dopingkonzentration vom Zentrum bis zur Kante zu verlangsamen, so dass die endgültige Dotierungskonzentrationskurve eine "W" -Form darstellt.

2.3 epitaxiale Schichtfehler

Zusätzlich zur Dicke und der Dopingkonzentration ist der Grad der epitaxialen Schichtfehlerregelung auch ein Kernparameter für die Messung der Qualität von epitaxialen Wafern und ein wichtiger Indikator für die Prozessfähigkeit von epitaxialen Geräten. Obwohl SBD und MOSFET unterschiedliche Anforderungen an Defekte haben, werden offensichtlichere Oberflächenmorphologiedefekte wie Tropfenfehler, Dreieckdefekte, Karottendefekte und Kometendefekte als Killerdefekte für SBD- und MOSFET -Geräte definiert. Die Wahrscheinlichkeit eines Versagens von Chips, die diese Defekte enthalten, ist hoch. Die Kontrolle der Anzahl der Killerdefekte ist daher äußerst wichtig für die Verbesserung der Chipausbeute und die Reduzierung der Kosten. Abbildung 5 zeigt die Verteilung von Killerdefekten von 150 mm und 200 mM sic -Epitaxialwafern. Unter der Bedingung, dass das C/Si -Verhältnis kein offensichtliches Ungleichgewicht gibt, können Karottenfehler und Kometendefekte grundsätzlich beseitigt werden, während Tropfendefekte und Dreieckdefekte mit der Sauberkeitskontrolle während des Betriebs von Epitaxialgeräten, dem Verunreinigungsgrad der Graphitenteile in der Reaktionskammer und der Qualität des Unterstrates zusammenhängen. Aus Tabelle 2 können wir feststellen, dass die tödliche Defektdichte von 150 mm und 200 mM epitaxialen Wafern innerhalb von 0,3 Partikeln/cm2 gesteuert werden kann, was ein hervorragendes Niveau für denselben Gerätetyp ist. Der tödliche Kontrollkontrollniveau von 150 mm epitaxialen Wafer ist besser als der von 200 mM epitaxialen Wafer. Dies liegt daran, dass der 150 -mm -Substratvorbereitungsprozess reifer ist als der von 200 mM, die Substratqualität besser und der Verunreinigungskontrollniveau von 150 mM Graphit -Reaktionskammer besser ist.

2.4 epitaxiale Waferoberflächenrauheit

Abbildung 6 zeigt die AFM -Bilder der Oberfläche von 150 mm und 200 mM sic -epitaxialen Wafern. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, beträgt die mittlere Quadratrauheit von 150 mM und 200 mM epitaxialen Wafern 0,129 nm bzw. 0,113 nm, und die Oberfläche der epitaxialen Schicht ist glatt, ohne offensichtliche Makro-Stufe Aggregation-Aggregation-Phänomen, das das Wachstum des EPITAK-SAGREGRATION IHRE STREP-FLUSMOMENNOMENNEN IN DIE GEWAGEL-AGWRATION-AGGREISCHEN UND DER STREP-FLUSMODOMEN ANGEGEBEN. Es ist ersichtlich, dass die epitaxiale Schicht mit einer glatten Oberfläche auf 150 mm und 200 mM niedrigwinkeligen Substraten unter Verwendung des optimierten epitaxialen Wachstumsprozesses erhalten werden kann.

3. Schlussfolgerungen

150 mm und 200 mm 4H-SIC-Homoepitaxialwafer wurden mit den selbst entwickelten 200-mm-epitaxialen Wachstumsgeräten erfolgreich auf häusliche Substrate hergestellt, und ein homoepitaxieller Prozess, der für 150 mm und 200 mm geeignet ist, wurden entwickelt. Die epitaxiale Wachstumsrate kann größer als 60 μm/h betragen. Während der Erfüllung der Hochgeschwindigkeits-Epitaxieanforderung ist die epitaxiale Waferqualität hervorragend. Die Gleichmäßigkeit der Dicke von 150 mm und 200 mM sic epitaxialen Wafern kann innerhalb von 1,5%kontrolliert werden, die Konzentrationsgleichmäßigkeit beträgt weniger als 3%, die tödliche Defektdichte beträgt weniger als 0,3 Partikel/cm2, und die epitaxiale RA -RA -RA beträgt weniger als 0,15 nm. Die Kernprozessindikatoren der epitaxialen Wafer sind in der Branche auf dem fortgeschrittenen Niveau.

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