8 inç SiC epitaksiyel fırın ve homoepitaksiyel proses araştırması

Şu anda SiC endüstrisi 150 mm'den (6 inç) 200 mm'ye (8 inç) dönüşüyor. Sektördeki büyük boyutlu, yüksek kaliteli SiC homoepitaksiyel levhalara yönelik acil talebi karşılamak amacıyla, 150 mm ve 200 mm 4H-SiC homoepitaksiyel levhalar, bağımsız olarak geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel büyütme ekipmanı kullanılarak evsel substratlar üzerinde başarıyla hazırlandı. 150 mm ve 200 mm'ye uygun, epitaksiyel büyüme hızının 60 μm/saat'ten büyük olabildiği bir homoepitaksiyel işlem geliştirildi. Yüksek hızlı epitaksiyi karşılarken, epitaksiyel levha kalitesi mükemmeldir. 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların kalınlık tekdüzeliği %1,5 dahilinde kontrol edilebilir, konsantrasyon tekdüzeliği %3'ten azdır, ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 parçacık/cm2'den azdır ve epitaksiyel yüzey pürüzlülüğü kök ortalama karesi Ra, 0,15 nm'den azdır ve tüm temel süreç göstergeleri endüstrinin ileri seviyesindedir.

Silisyum Karbür (SiC), üçüncü nesil yarı iletken malzemelerin temsilcilerinden biridir. Yüksek kırılma alanı kuvveti, mükemmel termal iletkenlik, büyük elektron doygunluğu sürüklenme hızı ve güçlü radyasyon direnci özelliklerine sahiptir. Güç cihazlarının enerji işleme kapasitesini büyük ölçüde genişletti ve yüksek güçlü, küçük boyutlu, yüksek sıcaklıklı, yüksek radyasyonlu ve diğer aşırı koşullara sahip cihazlar için yeni nesil güç elektroniği ekipmanlarının servis gereksinimlerini karşılayabilir. Alanı azaltabilir, güç tüketimini azaltabilir ve soğutma gereksinimlerini azaltabilir. Yeni enerji araçlarına, demiryolu taşımacılığına, akıllı şebekelere ve diğer alanlara devrim niteliğinde değişiklikler getirdi. Bu nedenle silisyum karbür yarı iletkenler, yeni nesil yüksek güçlü elektronik cihazlara öncülük edecek ideal malzeme olarak kabul edildi. Son yıllarda, üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin geliştirilmesine yönelik ulusal politika desteği sayesinde, 150 mm SiC cihaz endüstrisi sisteminin araştırma, geliştirme ve inşası temel olarak Çin'de tamamlandı ve endüstriyel zincirin güvenliği sağlandı. temelde garanti edilmiştir. Bu nedenle sektörün odak noktası giderek maliyet kontrolü ve verimliliğin artırılmasına kaydı. Tablo 1'de gösterildiği gibi, 150 mm ile karşılaştırıldığında 200 mm SiC daha yüksek kenar kullanım oranına sahiptir ve tekli levha yongalarının çıkışı yaklaşık 1,8 kat artırılabilir. Teknoloji olgunlaştıktan sonra tek bir çipin üretim maliyeti %30 oranında azaltılabiliyor. 200 mm'lik teknolojik atılım doğrudan "maliyetleri azaltmanın ve verimliliği artırmanın" bir yoludur ve aynı zamanda ülkemin yarı iletken endüstrisinin "paralel ilerlemesi" ve hatta "öncülük" yapmasının da anahtarıdır.

Si cihaz işleminden farklı olarak, SiC yarı iletken güç cihazlarının tümü temel taşı olarak epitaksiyel katmanlarla işlenir ve hazırlanır. Epitaksiyel levhalar SiC güç cihazları için temel temel malzemelerdir. Epitaksiyel katmanın kalitesi cihazın verimini doğrudan belirler ve maliyeti, çip üretim maliyetinin %20'sini oluşturur. Bu nedenle epitaksiyel büyüme, SiC güç cihazlarında önemli bir ara bağlantıdır. Epitaksiyel işlem seviyesinin üst sınırı epitaksiyel ekipman tarafından belirlenir. Şu anda yerli 150 mm SiC epitaksiyel ekipmanın yerelleştirme derecesi nispeten yüksektir, ancak 200 mm'lik genel yerleşim düzeni aynı zamanda uluslararası seviyenin gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle, yerli üçüncü nesil yarı iletken endüstrisinin geliştirilmesi için büyük boyutlu, yüksek kaliteli epitaksiyel malzeme imalatının acil ihtiyaçlarını ve darboğaz sorunlarını çözmek amacıyla, bu makale ülkemde başarıyla geliştirilen 200 mm SiC epitaksiyel ekipmanını tanıtmaktadır. ve epitaksiyel süreci inceliyor. Proses sıcaklığı, taşıyıcı gaz akış hızı, C/Si oranı vb. proses parametrelerini optimize ederek konsantrasyon tekdüzeliği <%3, kalınlık tekdüzeliği <%1,5, pürüzlülük Ra <0,2 nm ve ölümcül kusur yoğunluğu <0,3 parçacık Kendi geliştirdiğimiz 200 mm silisyum karbür epitaksiyel fırın ile 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhalardan /cm2 elde edilmektedir. Ekipman proses seviyesi, yüksek kaliteli SiC güç cihazı hazırlığının ihtiyaçlarını karşılayabilir.

1 Deney

1.1 SiC epitaksiyel proses prensibi

4H-SiC homoepitaksiyel büyüme süreci temel olarak 2 temel adımı içerir: 4H-SiC substratının yüksek sıcaklıkta yerinde aşındırılması ve homojen kimyasal buhar biriktirme işlemi. Alt tabakanın yerinde aşındırılmasının temel amacı, levha cilalamadan sonra alt tabakanın yüzey altı hasarını, artık parlatma sıvısını, parçacıkları ve oksit tabakasını ortadan kaldırmaktır ve aşındırma yoluyla alt tabaka yüzeyinde düzenli bir atomik adım yapısı oluşturulabilir. Yerinde aşındırma genellikle hidrojen atmosferinde gerçekleştirilir. Gerçek proses gereksinimlerine göre hidrojen klorür, propan, etilen veya silan gibi az miktarda yardımcı gaz da eklenebilir. Yerinde hidrojenle aşındırmanın sıcaklığı genellikle 1 600 ° C'nin üzerindedir ve aşındırma işlemi sırasında reaksiyon odasının basıncı genellikle 2x104 Pa'nın altında kontrol edilir.

Substrat yüzeyi yerinde aşındırma ile aktive edildikten sonra, yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme işlemine girer, yani büyüme kaynağı (etilen/propan, TCS/silan gibi), doping kaynağı (n-tipi doping kaynağı nitrojen) , p tipi doping kaynağı TMAl) ve hidrojen klorür gibi yardımcı gaz, büyük bir taşıyıcı gaz (genellikle hidrojen) akışı yoluyla reaksiyon odasına taşınır. Gaz, yüksek sıcaklık reaksiyon odasında reaksiyona girdikten sonra, öncü maddenin bir kısmı kimyasal olarak reaksiyona girer ve levha yüzeyinde adsorbe edilir ve belirli bir katkı konsantrasyonuna, spesifik kalınlığa ve daha yüksek kaliteye sahip tek kristalli homojen bir 4H-SiC epitaksiyel katman oluşturulur. şablon olarak tek kristal 4H-SiC substratı kullanılarak substrat yüzeyinde. Yıllar süren teknik araştırmaların ardından 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisi temel olarak olgunlaştı ve endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanıldı. Dünyada en yaygın olarak kullanılan 4H-SiC homoepitaksiyel teknolojisinin iki tipik özelliği vardır: (1) Eksen dışı (<0001> kristal düzlemine göre, <11-20> kristal yönüne doğru) eğik kesim alt tabakasını şablon, safsızlık içermeyen yüksek saflıkta tek kristalli bir 4H-SiC epitaksiyel katman, adım akışlı büyüme modu formunda alt tabaka üzerinde biriktirilir. Erken 4H-SiC homoepitaksiyal büyüme, pozitif bir kristal substratı, yani büyüme için <0001> Si düzlemini kullandı. Pozitif kristal substratın yüzeyindeki atomik basamakların yoğunluğu düşük ve teraslar geniştir. 3C kristal SiC (3C-SiC) oluşturmak için epitaksi işlemi sırasında iki boyutlu çekirdeklenme büyümesinin meydana gelmesi kolaydır. Eksen dışı kesme yoluyla, 4H-SiC <0001> substratının yüzeyine yüksek yoğunluklu, dar teras genişlikli atom adımları eklenebilir ve adsorbe edilen öncü, yüzey difüzyonu yoluyla nispeten düşük yüzey enerjisiyle atomik adım konumuna etkili bir şekilde ulaşabilir. . Adımda, öncü atom/moleküler grup bağlanma konumu benzersizdir, dolayısıyla adım akış büyüme modunda, epitaksiyel katman, aynı kristalle tek bir kristal oluşturmak için substratın Si-C çift atomik katman istifleme dizisini mükemmel bir şekilde miras alabilir. Substrat olarak faz. (2) Yüksek hızlı epitaksiyel büyüme, klor içeren bir silikon kaynağının eklenmesiyle elde edilir. Geleneksel SiC kimyasal buhar biriktirme sistemlerinde silan ve propan (veya etilen) ana büyüme kaynaklarıdır. Büyüme kaynağı akış hızını artırarak büyüme oranını arttırma sürecinde, silikon bileşeninin denge kısmi basıncı artmaya devam ettikçe, homojen gaz fazı çekirdeklenmesiyle silikon kümeleri oluşturmak kolaydır; bu da silikonun kullanım oranını önemli ölçüde azaltır. silikon kaynağı. Silikon kümelerinin oluşumu, epitaksiyel büyüme hızının iyileşmesini büyük ölçüde sınırlar. Aynı zamanda silikon kümeleri adım akış büyümesini bozabilir ve kusurlu çekirdeklenmeye neden olabilir. Homojen gaz fazı çekirdeklenmesini önlemek ve epitaksiyel büyüme oranını arttırmak için, klor bazlı silikon kaynaklarının eklenmesi şu anda 4H-SiC'nin epitaksiyel büyüme oranını arttırmaya yönelik ana yöntemdir.

1,2 200 mm (8 inç) SiC epitaksiyel ekipman ve proses koşulları

Bu yazıda açıklanan deneylerin tümü, 48. Çin Elektronik Teknolojisi Grup Şirketi Enstitüsü tarafından bağımsız olarak geliştirilen 150/200 mm (6/8 inç) uyumlu monolitik yatay sıcak duvarlı SiC epitaksiyel ekipmanı üzerinde gerçekleştirildi. Epitaksiyel fırın, tam otomatik levha yükleme ve boşaltmayı destekler. Şekil 1, epitaksiyel ekipmanın reaksiyon odasının iç yapısının şematik bir diyagramıdır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, reaksiyon odasının dış duvarı, su soğutmalı bir ara katmana sahip bir kuvars çandır ve çanın iç kısmı, yüksek saflıkta ısı yalıtımlı karbon keçeden oluşan yüksek sıcaklıkta bir reaksiyon odasıdır. özel grafit boşluğu, grafit gazla yüzen döner taban vb. Kuvars çanının tamamı silindirik bir endüksiyon bobini ile kaplanmıştır ve çan içindeki reaksiyon odası, orta frekanslı bir indüksiyon güç kaynağı tarafından elektromanyetik olarak ısıtılır. Şekil 1(b)'de gösterildiği gibi, taşıyıcı gaz, reaksiyon gazı ve doping gazının tümü, reaksiyon odasının yukarı akışından reaksiyon odasının alt akışına doğru yatay bir laminer akışla levha yüzeyi boyunca akar ve kuyruktan boşaltılır. gaz sonu. Gofret içindeki kıvamın sağlanması için, havayla yüzen tabanın taşıdığı gofret, işlem sırasında daima döndürülür.

Deneyde kullanılan substrat, Shanxi Shuoke Crystal tarafından üretilen ticari bir 150 mm, 200 mm (6 inç, 8 inç) <1120> yönlü 4° açılı iletken n tipi 4H-SiC çift taraflı cilalı SiC substrattır. Proses deneyinde ana büyüme kaynakları olarak triklorosilan (SiHCl3, TCS) ve etilen (C2H4), silikon kaynağı olarak TCS ve karbon kaynağı olarak sırasıyla TCS ve C2H4, n- olarak ise yüksek saflıkta nitrojen (N2) kullanıldı. tipi doping kaynağı olup, seyreltme gazı ve taşıyıcı gaz olarak hidrojen (H2) kullanılmaktadır. Epitaksiyel proses sıcaklık aralığı 1 600 ~ 1 660 OC, proses basıncı 8×103 ~12×103 Pa ve H2 taşıyıcı gaz akış hızı 100~140 L/dak'dır.

1.3 Epitaksiyel levha testi ve karakterizasyonu

Fourier kızılötesi spektrometre (ekipman üreticisi Thermalfisher, model iS50) ve cıva probu konsantrasyon test cihazı (ekipman üreticisi Semilab, model 530L), epitaksiyel katman kalınlığının ve katkı konsantrasyonunun ortalamasını ve dağılımını karakterize etmek için kullanıldı; epitaksiyel katmandaki her noktanın kalınlığı ve katkı konsantrasyonu, levhanın merkezinde 45°'de ana referans kenarının normal çizgisiyle kesişen çap çizgisi boyunca 5 mm kenar çıkarmayla noktalar alınarak belirlendi. Şekil 2'de gösterildiği gibi, 150 mm'lik bir levha için tek çaplı bir çizgi boyunca (iki çap birbirine dik) 9 nokta, 200 mm'lik bir levha için 21 nokta alınmıştır. Bir atomik kuvvet mikroskobu (ekipman üreticisi) Bruker, model Dimension Icon), epitaksiyel katmanın yüzey pürüzlülüğünü test etmek için epitaksiyel levhanın merkez alanında ve kenar alanında (5 mm kenar çıkarma) 30 μmx30 μm'lik alanları seçmek için kullanıldı; epitaksiyel tabakanın kusurları, karakterizasyon için bir yüzey kusur test cihazı (ekipman üreticisi China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) kullanılarak ölçüldü.

2 Deneysel sonuçlar ve tartışma

2.1 Epitaksiyel tabaka kalınlığı ve bütünlüğü

Epitaksiyel katman kalınlığı, katkı konsantrasyonu ve tekdüzelik, epitaksiyel levhaların kalitesinin değerlendirilmesinde temel göstergelerden biridir. Plaka içindeki doğru bir şekilde kontrol edilebilir kalınlık, katkı konsantrasyonu ve tekdüzelik, SiC güç cihazlarının performansını ve tutarlılığını sağlamanın anahtarıdır ve epitaksiyel katman kalınlığı ve katkı konsantrasyonu tekdüzeliği de epitaksiyel ekipmanın proses kapasitesinin ölçülmesi için önemli temellerdir.

Şekil 3, 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların kalınlık tekdüzeliğini ve dağılım eğrisini göstermektedir. Şekilden epitaksiyel tabaka kalınlığı dağılım eğrisinin levhanın merkez noktasına göre simetrik olduğu görülebilmektedir. Epitaksiyel işlem süresi 600 saniyedir, 150 mm'lik epitaksiyel levhanın ortalama epitaksiyel katman kalınlığı 10,89 μm'dir ve kalınlık tekdüzeliği %1,05'tir. Hesaplamayla epitaksiyel büyüme hızı, tipik bir hızlı epitaksiyel işlem seviyesi olan 65,3 μm/saattir. Aynı epitaksiyel işlem süresi altında, 200 mm'lik epitaksiyel levhanın epitaksiyel katman kalınlığı 10,10 μm'dir, kalınlık tekdüzeliği %1,36 dahilindedir ve genel büyüme hızı, 150 mm'lik epitaksiyel büyümeden biraz daha düşük olan 60,60 μm/saattir. oran. Bunun nedeni, silikon kaynağı ve karbon kaynağının reaksiyon odasının yukarı akışından gofret yüzeyi boyunca reaksiyon odasının alt akışına doğru aktığı ve 200 mm'lik gofret alanının 150 mm'den daha büyük olduğu yol boyunca bariz bir kayıp olmasıdır. Gaz, 200 mm'lik levhanın yüzeyinden daha uzun bir mesafe boyunca akar ve yol boyunca tüketilen kaynak gaz daha fazla olur. Plakanın dönmeye devam etmesi koşuluyla, epitaksiyel katmanın genel kalınlığı daha incedir, dolayısıyla büyüme hızı daha yavaştır. Genel olarak, 150 mm ve 200 mm'lik epitaksiyel levhaların kalınlık bütünlüğü mükemmeldir ve ekipmanın işlem kapasitesi, yüksek kaliteli cihazların gereksinimlerini karşılayabilir.

2.2 Epitaksiyel katman katkı konsantrasyonu ve tekdüzeliği

Şekil 4, 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların doping konsantrasyonu tekdüzeliğini ve eğri dağılımını göstermektedir. Şekilden görülebileceği gibi, epitaksiyel levha üzerindeki konsantrasyon dağılım eğrisi, levhanın merkezine göre belirgin bir simetriye sahiptir. 150 mm ve 200 mm'lik epitaksiyel katmanların doping konsantrasyonu tekdüzeliği sırasıyla %2,80 ve %2,66'dır ve bu, uluslararası benzer ekipmanlar arasında mükemmel bir seviye olan %3 dahilinde kontrol edilebilir. Epitaksiyel katmanın doping konsantrasyon eğrisi, yatay sıcak duvarlı epitaksiyel fırının hava akış yönü, yatay sıcak duvarlı epitaksiyel fırının hava akışı yönü olduğundan, esas olarak yatay sıcak duvarlı epitaksiyel fırının akış alanı tarafından belirlenen çap yönü boyunca bir "W" şeklinde dağıtılır. hava giriş ucu (yukarı akış) ve alt uçtan levha yüzeyi boyunca laminer bir akışla dışarı akar; Karbon kaynağının (C2H4) "yol boyunca tükenme" oranı silikon kaynağınınkinden (TCS) daha yüksek olduğundan, levha döndüğünde, levha yüzeyindeki gerçek C/Si kenardan uca giderek azalır. merkezde (merkezdeki karbon kaynağı daha azdır), C ve N'nin "rekabetçi konum teorisine" göre, levhanın merkezindeki doping konsantrasyonu kenara doğru giderek azalır. Mükemmel konsantrasyon tekdüzeliği elde etmek amacıyla, doping konsantrasyonunun merkezden kenara doğru azalmasını yavaşlatmak amacıyla epitaksiyel işlem sırasında dengeleme olarak N2 kenarı eklenir, böylece nihai katkı konsantrasyonu eğrisi bir "W" şekli sunar.

2.3 Epitaksiyel katman kusurları

Kalınlık ve katkı konsantrasyonuna ek olarak, epitaksiyel katman kusur kontrolünün seviyesi de epitaksiyel levhaların kalitesini ölçmek için temel bir parametredir ve epitaksiyel ekipmanın işlem kapasitesinin önemli bir göstergesidir. Her ne kadar SBD ve MOSFET'in kusur gereksinimleri farklı olsa da, düşme kusurları, üçgen kusurları, havuç kusurları ve kuyruklu yıldız kusurları gibi daha belirgin yüzey morfolojisi kusurları, SBD ve MOSFET cihazları için öldürücü kusurlar olarak tanımlanmaktadır. Bu kusurları içeren talaşların arızalanma olasılığı yüksektir, dolayısıyla öldürücü kusurların sayısının kontrol edilmesi, talaş veriminin artırılması ve maliyetlerin azaltılması açısından son derece önemlidir. Şekil 5, 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların öldürücü kusurlarının dağılımını göstermektedir. C/Si oranında belirgin bir dengesizlik olmaması koşuluyla havuç kusurları ve kuyruklu yıldız kusurları temel olarak ortadan kaldırılabilirken, düşme kusurları ve üçgen kusurları epitaksiyel ekipmanın çalışması sırasındaki temizlik kontrolü, grafitin safsızlık seviyesi ile ilgilidir. reaksiyon odasındaki parçalar ve alt tabakanın kalitesi. Tablo 2'den, 150 mm ve 200 mm'lik epitaksiyel levhaların ölümcül kusur yoğunluğunun, aynı tip ekipman için mükemmel bir seviye olan 0,3 parçacık/cm2 dahilinde kontrol edilebildiğini görebiliriz. 150 mm'lik epitaksiyel levhanın ölümcül kusur yoğunluğu kontrol seviyesi, 200 mm'lik epitaksiyel levhanınkinden daha iyidir. Bunun nedeni, 150 mm'lik substrat hazırlama işleminin 200 mm'ye göre daha olgun olması, substrat kalitesinin daha iyi olması ve 150 mm'lik grafit reaksiyon odasının safsızlık kontrol seviyesinin daha iyi olmasıdır.

2.4 Epitaksiyel levha yüzey pürüzlülüğü

Şekil 6, 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların yüzeyinin AFM görüntülerini göstermektedir. Şekilden görülebileceği gibi, 150 mm ve 200 mm epitaksiyel levhaların yüzey kökü ortalama kare pürüzlülüğü Ra, sırasıyla 0,129 nm ve 0,113 nm'dir ve epitaksiyel katmanın yüzeyi, belirgin makro adımlı toplanma fenomeni olmaksızın pürüzsüzdür. epitaksiyel katmanın büyümesinin tüm epitaksiyel işlem boyunca her zaman adımlı akış büyüme modunu koruduğunu ve hiçbir adım toplanmasının meydana gelmediğini gösterir. Optimize edilmiş epitaksiyel büyüme süreci kullanılarak 150 mm ve 200 mm düşük açılı altlıklar üzerinde pürüzsüz bir yüzeye sahip epitaksiyel katmanın elde edilebildiği görülmektedir.

3. Sonuçlar

150 mm ve 200 mm 4H-SiC homoepitaksiyel levhalar, kendi geliştirdiğimiz 200 mm SiC epitaksiyel büyütme ekipmanı kullanılarak evsel substratlar üzerinde başarıyla hazırlandı ve 150 mm ve 200 mm'ye uygun bir homoepitaksiyel işlem geliştirildi. Epitaksiyel büyüme hızı 60 μm/saatten büyük olabilir. Yüksek hızlı epitaksi gereksinimini karşılarken, epitaksiyel levha kalitesi mükemmeldir. 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların kalınlık tekdüzeliği %1,5 dahilinde kontrol edilebilir, konsantrasyon tekdüzeliği %3'ten azdır, ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 parçacık/cm2'den azdır ve epitaksiyel yüzey pürüzlülüğü kök ortalama karesi Ra, 0,15 nm'den az. Epitaksiyel levhaların temel süreç göstergeleri sektörde ileri düzeydedir.

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

VeTek Semiconductor profesyonel bir Çinli üreticidir.CVD SiC Kaplamalı Tavan, CVD SiC Kaplama Nozulu, VeSiC Kaplama Giriş Halkası.  VeTek Semiconductor, yarı iletken endüstrisi için çeşitli SiC Gofret ürünlerine yönelik gelişmiş çözümler sunmaya kendini adamıştır.

Eğer ilgileniyorsanız8 inç SiC epitaksiyel fırın ve homoepitaksiyel proses, lütfen doğrudan bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

Mobil: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

E-posta: anny@veteksemi.com