Forno epitassiale SiC da 8 pollici e ricerca sul processo omoepitassiale

Attualmente, l’industria del SiC si sta trasformando da 150 mm (6 pollici) a 200 mm (8 pollici). Per soddisfare l'urgente domanda di wafer omoepitassiali SiC di grandi dimensioni e di alta qualità nel settore, wafer omoepitassiali SiC da 150 mm e 200 mm sono stati preparati con successo su substrati domestici utilizzando l'apparecchiatura di crescita epitassiale SiC da 200 mm sviluppata 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. Pur soddisfacendo l'epitassia ad alta velocità, la qualità del wafer epitassiale è eccellente. L'uniformità dello spessore dei wafer epitassiali SiC da 150 mm e 200 mm può essere controllata entro l'1,5%, l'uniformità della concentrazione è inferiore al 3%, la densità del difetto fatale è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la radice quadrata media della rugosità superficiale epitassiale Ra è inferiore a 0,15 nm e tutti gli indicatori di processo principali sono al livello avanzato del settore.

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei rappresentanti dei materiali semiconduttori di terza generazione. Ha le caratteristiche di elevata intensità del campo di rottura, eccellente conduttività termica, grande velocità di deriva della saturazione degli elettroni e forte resistenza alle radiazioni. Ha notevolmente ampliato la capacità di elaborazione dell'energia dei dispositivi di potenza e può soddisfare i requisiti di servizio della prossima generazione di apparecchiature elettroniche di potenza per dispositivi ad alta potenza, dimensioni ridotte, alta temperatura, elevata radiazione e altre condizioni estreme. Può ridurre lo spazio, ridurre il consumo energetico e ridurre i requisiti di raffreddamento. Ha apportato cambiamenti rivoluzionari ai veicoli a nuova energia, al trasporto ferroviario, alle reti intelligenti e ad altri campi. Pertanto, i semiconduttori al carburo di silicio sono stati riconosciuti come il materiale ideale che guiderà la prossima generazione di dispositivi elettronici di potenza ad alta potenza. Negli ultimi anni, grazie al sostegno della politica nazionale per lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori di terza generazione, la ricerca, lo sviluppo e la costruzione del sistema industriale dei dispositivi SiC da 150 mm sono stati sostanzialmente completati in Cina e la sicurezza della catena industriale è stata migliorata. stato sostanzialmente garantito. Pertanto, l’attenzione del settore si è gradualmente spostata sul controllo dei costi e sul miglioramento dell’efficienza. Come mostrato nella Tabella 1, rispetto al SiC da 150 mm, 200 mm ha un tasso di utilizzo dei bordi più elevato e la produzione dei singoli chip wafer può essere aumentata di circa 1,8 volte. Una volta maturata la tecnologia, 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 aumentare l'efficienza", ed è anche la chiave affinché l'industria dei semiconduttori del mio paese possa "correre parallela" o addirittura "guidare".

Diversamente dal processo del dispositivo Si, i dispositivi di potenza 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 potenza SiC. La qualità dello strato epitassiale determina direttamente la resa del dispositivo e il suo costo rappresenta il 20% del costo di produzione del chip. Pertanto, la crescita epitassiale è un collegamento intermedio essenziale nei dispositivi di potenza SiC. Il limite superiore del livello del processo epitassiale è determinato dall'apparecchiatura epitassiale. Allo stato attuale, il grado di localizzazione delle apparecchiature epitassiali SiC da 150 mm domestiche è relativamente elevato, ma il layout complessivo di 200 mm è allo stesso tempo indietro rispetto al livello internazionale. Pertanto, al fine di risolvere le esigenze urgenti e i problemi legati ai colli di bottiglia della produzione di materiali epitassiali di grandi dimensioni e di alta qualità per lo sviluppo dell'industria nazionale dei semiconduttori di terza generazione, questo documento presenta l'apparecchiatura epitassiale SiC da 200 mm sviluppata con successo nel mio paese, e studia il processo epitassiale. Ottimizzando i parametri di processo come temperatura di processo, portata del gas di trasporto, rapporto C/Si, ecc., uniformità di concentrazione <3%, non uniformità di spessore <1,5%, rugosità Ra <0,2 nm e densità di difetti fatali <0,3 particelle /cm2 di wafer epitassiali SiC da 150 mm e 200 mm con forno epitassiale in carburo di silicio da 200 mm sviluppato internamente. Il livello del processo dell'apparecchiatura può soddisfare le esigenze di preparazione dei dispositivi di potenza SiC di alta qualità.

1 Esperimenti

1.1 Principio del processo epitassiale SiC

Il processo di crescita omoepitassiale 4H-SiC comprende principalmente 2 passaggi chiave, vale a dire l'attacco in situ ad alta temperatura del substrato 4H-SiC e il processo omogeneo di deposizione chimica da vapore. Lo scopo principale dell'attacco in situ del substrato è quello di rimuovere il danno al sottosuolo del substrato dopo la lucidatura del wafer, il liquido lucidante residuo, le particelle e lo strato di ossido, e una struttura a gradini atomici regolare può essere formata sulla superficie del substrato mediante incisione. L'attacco in situ viene solitamente effettuato in atmosfera di idrogeno. A seconda delle effettive esigenze del processo, è possibile aggiungere anche una piccola quantità di gas ausiliario, come acido cloridrico, propano, etilene o silano. La temperatura dell'attacco con 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 stata attivata mediante attacco in situ, entra nel processo di deposizione chimica da vapore ad alta temperatura, ovvero la fonte di crescita (come etilene/propano, TCS/silano), fonte di drogaggio (fonte di drogaggio di tipo n azoto , fonte di drogaggio di tipo p TMAl) e gas ausiliario come l'acido cloridrico vengono trasportati nella camera di reazione attraverso un grande flusso di gas vettore (solitamente idrogeno). Dopo che il gas ha reagito nella camera di reazione ad alta temperatura, parte del precursore reagisce chimicamente e si adsorbe sulla superficie del wafer e si forma uno strato epitassiale 4H-SiC omogeneo monocristallino con una concentrazione di drogaggio specifica, uno spessore specifico e una qualità superiore sulla superficie del substrato utilizzando il substrato monocristallino 4H-SiC come modello. 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 al mondo ha due caratteristiche tipiche: (1) Utilizzo di un substrato tagliato obliquo fuori asse (rispetto al piano del cristallo <0001>, verso la direzione del cristallo <11-20>) come modello, uno strato epitassiale 4H-SiC monocristallino di elevata purezza senza impurità viene depositato sul substrato sotto forma di modalità di crescita a flusso graduale. La prima crescita omoepitassiale di 4H-SiC utilizzava un substrato cristallino positivo, ovvero il piano Si <0001> per la crescita. La densità dei gradini atomici sulla superficie del substrato cristallino positivo è bassa e le terrazze sono ampie. La crescita della nucleazione bidimensionale è facile che si verifichi durante il processo di epitassia per formare SiC cristallino 3C (3C-SiC). Mediante il taglio fuori asse, è possibile introdurre gradini atomici ad alta densità e con larghezza del terrazzo stretta sulla superficie del substrato 4H-SiC <0001> e il precursore adsorbito può raggiungere efficacemente la posizione del gradino atomico con un'energia superficiale relativamente bassa attraverso la diffusione superficiale . Nella fase, la posizione di legame dell'atomo precursore/gruppo molecolare è unica, quindi nella modalità di crescita del flusso graduale, lo strato epitassiale può ereditare perfettamente la sequenza di impilamento del doppio strato atomico Si-C del substrato per formare un singolo cristallo con lo stesso cristallo fase come substrato. (2) La crescita epitassiale ad alta velocità si ottiene introducendo una fonte di silicio contenente cloro. Nei sistemi convenzionali di deposizione chimica in fase vapore di SiC, il silano e il propano (o l'etilene) sono le principali fonti di crescita. Nel processo di aumento del tasso di crescita aumentando la portata della sorgente di crescita, poiché la pressione parziale di equilibrio del componente di silicio continua ad aumentare, è facile formare cluster di silicio mediante nucleazione omogenea della fase gassosa, che riduce significativamente il tasso di utilizzo del 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 a gradini e causare la nucleazione dei difetti. Al fine di evitare la nucleazione omogenea della fase gassosa e aumentare il tasso di crescita epitassiale, l'introduzione di fonti di silicio a base di cloro è attualmente il metodo tradizionale per aumentare il tasso di crescita epitassiale del 4H-SiC.

1.2 Attrezzatura epitassiale SiC da 200 mm (8 pollici) e condizioni di processo

Gli esperimenti descritti in questo articolo sono stati tutti condotti su un'apparecchiatura epitassiale SiC a parete calda orizzontale monolitica compatibile da 150/200 mm (6/8 pollici) sviluppata in modo indipendente dal 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Il forno epitassiale supporta il caricamento e lo scaricamento dei wafer completamente automatici. 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 uno strato intermedio raffreddato ad acqua e l'interno della campana è una camera di reazione ad alta temperatura, composta da feltro di carbonio isolante termico, di elevata purezza cavità speciale in grafite, base rotante galleggiante in gas di grafite, ecc. L'intera campana di quarzo è ricoperta da una bobina di induzione cilindrica e la camera di reazione all'interno della campana viene riscaldata elettromagneticamente da un alimentatore a induzione a media frequenza. Come mostrato nella Figura 1 (b), il gas di trasporto, il gas di reazione e il gas drogante fluiscono tutti attraverso la superficie del wafer in un flusso laminare orizzontale da monte della camera di reazione a valle della camera di reazione e vengono scaricati dalla coda estremità del gas. Per garantire la consistenza all'interno del wafer, il wafer trasportato dalla base flottante ad aria viene sempre ruotato durante il processo.

Il substrato utilizzato nell'esperimento è un substrato commerciale di 150 mm, 200 mm (6 pollici, 8 pollici) <1120> con direzione 4° fuori angolo conduttivo di tipo n 4H-SiC lucidato su entrambi i lati prodotto da Shanxi Shuoke Crystal. Triclorosilano (SiHCl3, TCS) ed etilene (C2H4) sono utilizzati come principali fonti di crescita nell'esperimento di processo, tra cui TCS e C2H4 sono utilizzati rispettivamente come fonte di silicio e fonte di carbonio, l'azoto ad elevata purezza (N2) viene utilizzato come n- tipo di sorgente di drogaggio e l'idrogeno (H2) viene utilizzato come gas di diluizione e gas di trasporto. 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 di trasporto H2 è 100~140 L/min.

1.3 Test e caratterizzazione di wafer epitassiali

Lo spettrometro a infrarossi di Fourier (produttore di apparecchiature Thermalfisher, modello iS50) e il tester di concentrazione della sonda di mercurio (produttore di apparecchiature Semilab, modello 530L) sono stati utilizzati per caratterizzare la media e la distribuzione dello spessore dello strato epitassiale e della concentrazione di drogaggio; lo spessore e la concentrazione di drogante di ciascun punto dello strato epitassiale sono stati determinati prendendo punti lungo la linea del diametro che interseca la linea normale del bordo di riferimento principale a 45° al centro del wafer con una rimozione del bordo di 5 mm. Per un wafer da 150 mm, sono stati presi 9 punti lungo una linea a diametro singolo (due diametri erano perpendicolari tra loro) e per un wafer da 200 mm, sono stati presi 21 punti, come mostrato nella Figura 2. Un microscopio a forza atomica (produttore dell'apparecchiatura Bruker, modello Dimension Icon) è stato utilizzato per selezionare aree di 30 μm×30 μm nell'area centrale e nell'area del bordo (rimozione del bordo di 5 mm) del wafer epitassiale per testare la rugosità superficiale dello strato epitassiale; i difetti dello strato epitassiale sono stati misurati utilizzando un tester per difetti superficiali (produttore di apparecchiature China Electronics Kefenghua, modello 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 del drogaggio e l'uniformità sono uno degli indicatori fondamentali per giudicare la qualità dei wafer epitassiali. Lo spessore, la concentrazione del drogaggio e l'uniformità accuratamente controllabili all'interno del wafer sono la chiave per garantire le prestazioni e la coerenza dei dispositivi di potenza SiC, mentre lo spessore dello strato epitassiale e l'uniformità della concentrazione del drogaggio 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 dei 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 rispetto al 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 10,89 μm e l'uniformità dello spessore è 1,05%. Secondo i calcoli, il tasso di crescita epitassiale è di 65,3 μm/h, che è un tipico livello di processo epitassiale veloce. Con lo stesso tempo di processo epitassiale, lo spessore dello strato epitassiale del wafer epitassiale da 200 mm è 10,10 μm, l'uniformità dello spessore è entro 1,36% e il tasso di crescita complessivo è 60,60 μm/h, che è leggermente inferiore alla crescita epitassiale da 150 mm valutare. Questo perché si verifica un'evidente perdita lungo il percorso quando la fonte di silicio e la fonte di carbonio fluiscono da a monte della camera di reazione attraverso la superficie del wafer a valle della camera di reazione e l'area del wafer da 200 mm è maggiore di quella da 150 mm. Il gas scorre attraverso la superficie del wafer da 200 mm per una distanza maggiore e il gas sorgente consumato lungo il percorso è maggiore. A 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 dei wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm è eccellente e la capacità di processo dell'apparecchiatura può soddisfare i requisiti di dispositivi di alta qualità.

2.2 Concentrazione e uniformità del drogaggio dello strato epitassiale

La Figura 4 mostra l'uniformità della concentrazione di drogaggio e la distribuzione della curva dei wafer epitassiali SiC da 150 mm e 200 mm. Come si può vedere dalla figura, la curva di distribuzione della concentrazione sul wafer epitassiale ha un'evidente simmetria rispetto al centro del wafer. L'uniformità della concentrazione di drogaggio 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%, che è un livello eccellente tra apparecchiature simili internazionali. La curva di concentrazione del drogaggio dello strato epitassiale è distribuita a forma di "W" lungo la direzione del diametro, che è determinata principalmente dal campo di flusso del forno epitassiale a pareti calde orizzontali, poiché la direzione del flusso d'aria del forno a crescita epitassiale con flusso d'aria orizzontale proviene da l'estremità di ingresso dell'aria (a monte) e fuoriesce dall'estremità a valle in un flusso laminare attraverso la superficie del wafer; poiché il tasso di "esaurimento lungo il percorso" della fonte di carbonio (C2H4) è superiore a quello della fonte di silicio (TCS), quando il wafer ruota, il C/Si effettivo sulla superficie del wafer diminuisce gradualmente dal bordo al al centro (la fonte di carbonio al centro è inferiore), secondo la "teoria della posizione competitiva" di C e N, la concentrazione di drogante al centro del wafer diminuisce gradualmente verso il bordo. Per ottenere un'ottima uniformità di concentrazione, il bordo N2 viene aggiunto come compensazione durante il processo epitassiale per rallentare la diminuzione della concentrazione di drogaggio dal centro verso il bordo, in modo che la curva di concentrazione di drogaggio finale presenti una forma a "W".

2.3 Difetti dello strato epitassiale

Oltre allo spessore e alla concentrazione del drogante, anche il livello di controllo dei difetti dello strato epitassiale è un parametro fondamentale per misurare la qualità dei wafer epitassiali e un indicatore importante della capacità di processo delle apparecchiature epitassiali. Sebbene SBD e MOSFET abbiano requisiti diversi per i difetti, difetti di morfologia superficiale più evidenti come difetti di goccia, difetti di triangolo, difetti di carota e difetti di cometa sono definiti come difetti killer per i dispositivi SBD e MOSFET. La probabilità di guasto dei chip contenenti questi difetti è elevata, quindi il controllo del numero di difetti killer è estremamente importante per migliorare la resa dei chip e ridurre i costi. La Figura 5 mostra la distribuzione dei difetti killer dei wafer epitassiali SiC da 150 mm e 200 mm. A condizione che non vi sia uno squilibrio evidente nel rapporto C/Si, i difetti della carota e dei difetti della cometa possono essere sostanzialmente eliminati, mentre i difetti della goccia e i difetti del triangolo sono legati al controllo della pulizia durante il funzionamento dell'attrezzatura epitassiale, al livello di impurità della grafite parti nella camera di reazione e la qualità del substrato. Dalla Tabella 2, possiamo vedere che la densità dei difetti fatali dei wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm può essere controllata entro 0,3 particelle/cm2, che è un livello eccellente per lo stesso tipo di apparecchiatura. Il livello di controllo della densità dei difetti fatali del 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 da 200 mm, la qualità del substrato è migliore e il livello di controllo delle impurità della camera di reazione in grafite da 150 mm è migliore.

2.4 Rugosità superficiale del wafer epitassiale

La Figura 6 mostra le immagini AFM della superficie dei wafer epitassiali SiC da 150 mm e 200 mm. Come si può vedere dalla figura, la radice quadrata media della rugosità superficiale Ra dei wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm è rispettivamente di 0,129 nm e 0,113 nm, e la superficie dello strato epitassiale è liscia, senza evidenti fenomeni di aggregazione a macrofasi, che indica che la crescita dello strato epitassiale mantiene sempre la modalità di crescita del flusso a fasi durante l'intero processo epitassiale e non si verifica alcuna aggregazione a fasi. Si può vedere che lo strato epitassiale con superficie liscia può essere ottenuto su substrati ad angolo basso da 150 mm e 200 mm utilizzando il processo di crescita epitassiale ottimizzato.

3. Conclusioni

Wafer omoepitassiali 4H-SiC da 150 mm e 200 mm sono stati preparati con successo su substrati domestici utilizzando l'apparecchiatura di crescita epitassiale SiC da 200 mm sviluppata internamente ed è stato sviluppato un processo omoepitassiale adatto per 150 mm e 200 mm. Il tasso di crescita epitassiale può essere maggiore di 60 μm/h. Pur soddisfacendo i requisiti di epitassia ad alta velocità, la qualità del wafer epitassiale è eccellente. L'uniformità dello spessore dei wafer epitassiali SiC da 150 mm e 200 mm può essere controllata entro l'1,5%, l'uniformità della concentrazione è inferiore al 3%, la densità del difetto fatale è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la radice quadrata media della rugosità superficiale epitassiale Ra è inferiore a 0,15 nm. Gli indicatori di processo principali dei wafer epitassiali sono al livello avanzato del settore.

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VeTek Semiconductor è un produttore cinese professionale diSoffitto rivestito in SiC CVD, Ugello per rivestimento CVD SiC, EAnello di ingresso rivestimento SiC.  VeTek Semiconductor si impegna a fornire soluzioni avanzate per vari prodotti SiC Wafer per l'industria dei semiconduttori.

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