Fournaise épitaxiale de 8 pouces et recherche de processus homoépitaxiaux

Actuellement, l'industrie SIC se transforme de 150 mm (6 pouces) à 200 mm (8 pouces). Afin de répondre à la demande urgente de grandes tranches homoépitaxiales SIC de grande taille dans l'industrie, des tranches homoépitaxiales de 150 mm et 200 mm 4H-SIC ont été préparées avec succès sur des substrats domestiques en utilisant des équipements de croissance épitaxiale de 200 mm en SiC indépendamment développés. Un processus homoépitaxial adapté à 150 mm et 200 mm a été développé, dans lequel le taux de croissance épitaxial peut être supérieur à 60 μm / h. Tout en rencontrant l'épitaxie à grande vitesse, la qualité de la tranche épitaxiale est excellente. L'uniformité d'épaisseur de 150 mm et 200 mM de plaquettes épitaxiales SIC SIC peut être contrôlée à moins de 1,5%, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3%, la densité mortelle de la rafale de défauts est inférieure à 0,3 particules / cm2, et tous les indicateurs de processus de surface épitaxiale sont inférieurs à l'industrie.

Le carbure de silicium (SIC) est l'un des représentants des matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Il a les caractéristiques d'une résistance élevée au champ de dégradation, d'une excellente conductivité thermique, d'une grande vitesse de dérive de saturation des électrons et d'une forte résistance aux rayonnements. Il a considérablement élargi la capacité de traitement d'énergie des dispositifs d'alimentation et peut répondre aux exigences de service de la prochaine génération d'équipements électroniques électriques pour les appareils à haute puissance, petite taille, haute température, rayonnement élevé et autres conditions extrêmes. Il peut réduire l'espace, réduire la consommation d'énergie et réduire les exigences de refroidissement. Il a apporté des modifications révolutionnaires dans les nouveaux véhicules énergétiques, le transport ferroviaire, les réseaux intelligents et autres domaines. Par conséquent, les semi-conducteurs en carbure de silicium sont devenus reconnus comme le matériau idéal qui mènera la prochaine génération de dispositifs électroniques de puissance haute puissance. Ces dernières années, grâce au soutien politique national pour le développement de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération, la recherche et le développement et la construction du système de l'industrie des appareils SIC de 150 mm ont été essentiellement achevés en Chine, et la sécurité de la chaîne industrielle a été essentiellement garantie. Par conséquent, l'objectif de l'industrie s'est progressivement déplacé vers le contrôle des coûts et l'amélioration de l'efficacité. Comme le montre le tableau 1, par rapport à 150 mm, 200 mm sic a un taux d'utilisation de bord plus élevé, et la sortie des puces à plaquettes uniques peut être augmentée d'environ 1,8 fois. Une fois la technologie qui a mûri, le coût de fabrication d'une seule puce peut être réduit de 30%. La percée technologique de 200 mm est un moyen direct de "réduire les coûts et augmenter l'efficacité", et c'est aussi la clé pour l'industrie des semi-conducteurs de mon pays à "gérer le parallèle" ou même "le plomb".

Différentes du processus de dispositif SI, les dispositifs d'alimentation semi-conducteurs SIC sont tous traités et préparés avec des couches épitaxiales comme la pierre angulaire. Les plaquettes épitaxiales sont des matériaux de base essentiels pour les dispositifs d'alimentation SIC. La qualité de la couche épitaxiale détermine directement le rendement de l'appareil, et ses coûts représentent 20% du coût de fabrication des puces. Par conséquent, la croissance épitaxiale est un lien intermédiaire essentiel dans les dispositifs de puissance SIC. La limite supérieure du niveau de processus épitaxial est déterminée par l'équipement épitaxial. À l'heure actuelle, le degré de localisation des équipements épitaxiaux SIC à 150 mm nationaux est relativement élevé, mais la disposition globale de 200 mm est en retard sur le niveau international en même temps. Par conséquent, afin de résoudre les besoins urgents et les problèmes d'étranglement de la fabrication de matériaux épitaxiaux de grande taille et de haute qualité pour le développement de l'industrie nationale des semi-conducteurs de troisième génération, cet article introduit l'équipement épitaxial de 200 mm SIC développé avec succès dans mon pays, et étudie le processus épitaxial. En optimisant les paramètres de processus tels que la température du processus, le débit de gaz porteur, le rapport C / Si, etc., l'uniformité de concentration <3%, la non-uniformité d'épaisseur <1,5%, la rugosité RA <0,2 nm et la densité de défauts mortels <0,3 particules / cm2 de 150 mm et 200 mm de la tardine Sic avec un épitaxial auto-élaboré 200 mm de carbide SICICE. Le niveau de processus de l'équipement peut répondre aux besoins de la préparation de dispositifs de puissance SIC de haute qualité.

1 expériences

1.1 Principe du processus épitaxial sic

Le processus de croissance homoépitaxial 4H-SIC comprend principalement 2 étapes clés, à savoir la gravure in situ à haute température du substrat 4H-SIC et du processus de dépôt chimique chimique homogène. L'objectif principal de la gravure in situ du substrat est de supprimer les dommages subalternes du substrat après polissage, de liquide de polissage résiduel, de particules et de couche d'oxyde, et une structure de pas atomique régulière peut être formée sur la surface du substrat par gravure. La gravure in situ est généralement réalisée dans une atmosphère d'hydrogène. Selon les exigences réelles du processus, une petite quantité de gaz auxiliaire peut également être ajoutée, comme le chlorure d'hydrogène, le propane, l'éthylène ou le silane. La température de la gravure à l'hydrogène in situ est généralement supérieure à 1 600 ℃, et la pression de la chambre de réaction est généralement contrôlée en dessous de 2 × 104 PA pendant le processus de gravure.

Une fois la surface du substrat activé par gravure in situ, il entre dans le processus de dépôt chimique de vapeur chimique à haute température, c'est-à-dire la source de croissance (comme l'éthylène / propane, le TCS / Silane), la source de dopage (N-Type Doping Azote gaz porteur (généralement hydrogène). Une fois que le gaz a réagi dans la chambre de réaction à haute température, une partie du précurseur réagit chimiquement et adsorbes sur la surface de la plaquette, et une couche épitaxiale homogène homogène unique 4H avec une concentration de dopage spécifique, une épaisseur spécifique et une qualité supérieure est formée sur la surface du substrat en utilisant le sous-traits 4H-Sic à crisstal comme un modèle. Après des années d'exploration technique, la technologie homoépitaxiale 4H-SIC a essentiellement mûri et est largement utilisée dans la production industrielle. La technologie homoépitaxiale 4H-SIC la plus largement utilisée au monde a deux caractéristiques typiques: (1) en utilisant un substrat oblique <0001> à la direction de Crystal <101>, vers le <11-20> Direction cristalline). La croissance homoépitaxiale précoce 4H-SIC a utilisé un substrat cristallin positif, c'est-à-dire le plan <0001> SI pour la croissance. La densité des étapes atomiques à la surface du substrat de cristal positif est faible et les terrasses sont larges. La croissance de la nucléation bidimensionnelle est facile à se produire pendant le processus d'épitaxie pour former le cristal 3c SIC (3C-SIC). Par coupe hors axe, des étapes atomiques à haute densité à haute densité et à une terrasse étroite peuvent être introduites à la surface du substrat 4H-SIC <0001>, et le précurseur adsorbé peut atteindre efficacement la position de pas atomique avec une énergie de surface relativement faible par la diffusion de surface. À l'étape, la position de liaison de l'atome / groupe moléculaire précurseur est unique, donc dans le mode de croissance du flux de pas, la couche épitaxiale peut parfaitement hériter de la séquence d'empilement de la couche atomique à double atomique SI-C du substrat pour former un seul cristal avec la même phase de cristal que le substrat. (2) La croissance épitaxiale à grande vitesse est obtenue en introduisant une source de silicium contenant du chlore. Dans les systèmes de dépôt conventionnels de Vapeur chimique SIC, le silane et le propane (ou l'éthylène) sont les principales sources de croissance. Dans le processus d'augmentation du taux de croissance en augmentant le débit de la source de croissance, car la pression partielle d'équilibre de la composante de silicium continue d'augmenter, il est facile de former des grappes de silicium par la nucléation de phase gazeuse homogène, ce qui réduit considérablement le taux d'utilisation de la source de silicium. La formation de grappes de silicium limite considérablement l'amélioration du taux de croissance épitaxial. Dans le même temps, les grappes de silicium peuvent perturber la croissance du flux de pas et provoquer une nucléation des défauts. Afin d'éviter la nucléation de phase gazeuse homogène et d'augmenter le taux de croissance épitaxial, l'introduction de sources de silicium à base de chlore est actuellement la méthode grand public pour augmenter le taux de croissance épitaxial de 4H-SIC.

1,2 200 mm (8 pouces) Équipement épitaxial SIC et conditions de processus

Les expériences décrites dans cet article ont toutes été menées sur un équipement épitaxial monolithique compatible (6/8 pouces) de 150/200 mm (6/8 pouces) développé indépendamment par le 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation. Le four épitaxial prend en charge le chargement et le déchargement entièrement automatique des plaquettes. La figure 1 est un diagramme schématique de la structure interne de la chambre de réaction de l'équipement épitaxial. Comme le montre la figure 1, la paroi extérieure de la chambre de réaction est une cloche de quartz avec un intercouche par eau refroidi par eau, et l'intérieur de la cloche est une chambre de réaction à haute température, qui est composée de base rotative à l'isolation thermique, la cloche entière de graphite de graphite est couverte par une cloche à induction cylindrique, et la chambre de réaction à l'intérieur de la cloche à l'intérieur de la cloche est de l'électrométrique, et de la cloche de la cloche à l'intérieur de l'électromeconc Une alimentation à induction à moyenne fréquence. Comme le montre la figure 1 (b), le gaz porteur, le gaz de réaction et le gaz dopage s'écoulent tous à travers la surface de la plaquette dans un écoulement laminaire horizontal de la chambre en amont de la chambre de réaction à l'aval de la chambre de réaction et sont déchargés de l'extrémité du gaz de queue. Pour garantir la cohérence dans la tranche, la tranche transportée par la base flottante d'air est toujours tournée pendant le processus.

Le substrat utilisé dans l'expérience est une direction commerciale de 150 mm, 200 mm (6 pouces, 8 pouces) <1120> Direction 4 ° 4 ° de type N-SIC POLID-SIC SUBSTRAT POLIÉ PRODUITE PLUS PAR CRISTAL SHANXI SHUOKE. Le trichlorosilane (SIHCL3, TCS) et l'éthylène (C2H4) sont utilisés comme principales sources de croissance de l'expérience de processus, parmi lesquelles TCS et C2H4 sont utilisées comme source de silicium et source de carbone respectivement, HydroGen (H2) est utilisé comme dilution et le gaz de type N-Type. La plage de température de processus épitaxiale est de 1 600 ~ 1 660 ℃, la pression de processus est de 8 × 103 ~ 12 × 103 PA et le débit de gaz porteur H2 est de 100 ～ 140 l / min.

1.3 Test et caractérisation de la plaquette épitaxiale

Le spectromètre infrarouge de Fourier (fabricant d'équipements Thermalfisher, modèle IS50) et le testeur de concentration de sonde Mercury (fabricant d'équipements Semilab, modèle 530L) ont été utilisés pour caractériser la moyenne et la distribution de l'épaisseur de la couche épitaxiale et de la concentration de dopage; L'épaisseur et la concentration de dopage de chaque point de la couche épitaxiale ont été déterminées en prenant des points le long de la ligne de diamètre croisant la ligne normale du bord de référence principal à 45 ° au centre de la plaquette avec l'élimination du bord de 5 mm. 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 tester la rugosité de surface de la couche épitaxiale; Les défauts de la couche épitaxiale ont été mesurés à l'aide d'un testeur de défaut de surface (fabricant d'équipements China Electronics Kefenghua, modèle Mars 4410 Pro) pour la caractérisation.

2 résultats expérimentaux et discussion

2.1 Épaisseur et uniformité de la couche épitaxiale

L'épaisseur de la couche épitaxiale, la concentration de dopage et l'uniformité sont l'un des indicateurs de base pour juger la qualité des plaquettes épitaxiales. L'épaisseur contrôlable avec précision, la concentration de dopage et l'uniformité dans la tranche sont la clé pour garantir les performances et la cohérence des dispositifs d'alimentation SIC, et l'épaisseur de la couche épitaxiale et l'uniformité de la concentration de dopage sont également des bases importantes pour mesurer la capacité de processus de l'équipement épitaxien.

La figure 3 montre l'uniformité d'épaisseur et la courbe de distribution de 150 mm et 200 mM de tranches épitaxiales SIC. On peut voir à partir de la figure que la courbe de distribution d'épaisseur de la couche épitaxiale est symétrique autour du point central de la tranche. Le temps de processus épitaxial est de 600 s, l'épaisseur moyenne de la couche épitaxiale de la tranche épitaxiale de 150 mm est de 10,89 μm et l'uniformité de l'épaisseur est de 1,05%. Par calcul, le taux de croissance épitaxial est de 65,3 μm / h, ce qui est un niveau de processus épitaxial rapide typique. Dans le même temps de processus épitaxial, l'épaisseur de la couche épitaxiale de la tranche épitaxiale de 200 mM est de 10,10 μm, l'uniformité d'épaisseur est à 1,36% et le taux de croissance global est de 60,60 μm / h, ce qui est légèrement inférieur au taux de croissance épitaxial de 150 mm. En effet, il y a une perte évidente en cours de route lorsque la source de silicium et la source de carbone s'écoulent de l'amont de la chambre de réaction à travers la surface de la plaquette à la chambre en aval de la chambre de réaction, et la zone de plaquette de 200 mm est plus grande que les 150 mm. Le gaz traverse la surface de la tranche de 200 mm sur une distance plus longue, et le gaz source consommé en cours de route est plus. Sous la condition que la tranche continue de tourner, l'épaisseur globale de la couche épitaxiale est plus mince, donc le taux de croissance est plus lent. Dans l'ensemble, l'uniformité d'épaisseur de 150 mm et 200 mm de tranches épitaxiales est excellente, et la capacité de processus de l'équipement peut répondre aux exigences des dispositifs de haute qualité.

2.2 Concentration de dopage de la couche épitaxiale et uniformité

La figure 4 montre l'uniformité de la concentration de dopage et la distribution de la courbe de tranches épitaxiales SIC de 150 mM et 200 mM. Comme le montre la figure, la courbe de distribution de concentration sur la tranche épitaxiale a une symétrie évidente par rapport au centre de la tranche. L'uniformité de la concentration de dopage des couches épitaxiales de 150 mm et 200 mm est respectivement de 2,80% et 2,66%, ce qui peut être contrôlé à moins de 3%, ce qui est un excellent niveau parmi les équipements similaires internationaux. La courbe de concentration de dopage de la couche épitaxiale est répartie sous une forme "W" le long de la direction du diamètre, qui est principalement déterminée par le champ d'écoulement du four à paroi chaude horizontale, car la direction du flux d'air horizontal de la croissance épitaxiale du flux d'air est provenant de l'extrémité de la coulée de la palissure (les débits en amont de la route du flux de la rue dans la route de la coulée de la caisse dans la coulée de la coulée de la coulée de la route à la fin de la surface de la tronçon; Étant donné que le taux de déplétion "en cours" de la source de carbone (C2H4) est supérieur à celui de la source de silicium (TCS), lorsque la plaquette tourne, le C / Si sur la surface de la tranche diminue progressivement du bord au centre (la source de carbone dans le centre est moins), selon la position de la position concurrentielle "diminue vers le bord. Afin d'obtenir une excellente uniformité de concentration, le bord N2 est ajouté comme compensation pendant le processus épitaxial pour ralentir la diminution de la concentration de dopage du centre au bord, de sorte que la courbe de concentration de dopage finale présente une forme "W".

2.3 Défauts de couche épitaxiale

En plus de l'épaisseur et de la concentration de dopage, le niveau de contrôle des défauts de la couche épitaxiale est également un paramètre central pour mesurer la qualité des plaquettes épitaxiales et un indicateur important de la capacité de processus de l'équipement épitaxial. Bien que le SBD et le MOSFET aient des exigences différentes pour les défauts, des défauts de morphologie de surface plus évidents tels que les défauts de chute, les défauts de triangle, les défauts des carottes et les défauts de comète sont définis comme des défauts de tueur pour les dispositifs SBD et MOSFET. La probabilité de défaillance des puces contenant ces défauts est élevée, donc contrôler le nombre de défauts de tueur est extrêmement important pour améliorer le rendement des puces et réduire les coûts. La figure 5 montre la distribution des défauts de tueurs de tranches épitaxiales SIC de 150 mm et 200 mM. Dans la condition qu'il n'y a pas de déséquilibre évident dans le rapport C / Si, les défauts de carotte et les défauts de comète peuvent être essentiellement éliminés, tandis que les défauts de baisse et les défauts de triangle sont liés au contrôle de la propreté pendant le fonctionnement de l'équipement épitaxial, le niveau d'impureté des parties de graphite dans la chambre de réaction et la qualité de la sous-trait. D'après le tableau 2, nous pouvons voir que la densité mortelle des défauts de 150 mm et 200 mm de tranches épitaxiales peut être contrôlée dans 0,3 particules / cm2, ce qui est un excellent niveau pour le même type d'équipement. Le niveau de contrôle de la densité des défauts mortels de la tranche épitaxiale de 150 mm est meilleur que celui de la tranche épitaxiale de 200 mm. En effet, le processus de préparation du substrat de 150 mm est plus mature que celui de 200 mm, la qualité du substrat est meilleure, et le niveau de contrôle des impuretés de la chambre de réaction de graphite de 150 mm est meilleur.

2,4 rugosité de surface de la plaquette épitaxiale

La figure 6 montre les images AFM de la surface de 150 mm et 200 mM de tranches épitaxiales sic. As can be seen from the figure, the surface root mean square roughness Ra of 150 mm and 200 mm epitaxial wafers is 0.129 nm and 0.113 nm respectively, and the surface of the epitaxial layer is smooth, without obvious macro-step aggregation phenomenon, which indicates that the growth of the epitaxial layer always maintains the step flow growth mode during the entire epitaxial process, and no step aggregation se produit. On peut voir que la couche épitaxiale avec une surface lisse peut être obtenue sur des substrats de 150 mm et 200 mM à faible angle en utilisant le processus de croissance épitaxial optimisé.

3. Conclusions

Des tranches homoépitaxiales de 150 mm et 200 mm 4H-SIC ont été préparées avec succès sur des substrats domestiques en utilisant l'équipement de croissance épitaxial SIC de 200 mm auto-développé, et un processus homoépitaxial adapté à 150 mm et 200 mm a été développé. Le taux de croissance épitaxial peut être supérieur à 60 μm / h. Tout en répondant aux besoins épitaxy à grande vitesse, la qualité de la tranche épitaxiale est excellente. L'uniformité d'épaisseur de 150 mm et 200 mM de plate-forme épitaxiale SIC peut être contrôlée à moins de 1,5%, l'uniformité de la concentration est inférieure à 3%, la densité mortelle du défaut est inférieure à 0,3 particules / cm2 et la ruine de surface épitaxiale Roothness Root Root RA est inférieure à 0,15 nm. Les indicateurs de processus de base des plaquettes épitaxiales sont au niveau avancé de l'industrie.

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