Tungku epitaksi SiC 8 inci dan penelitian proses homoepitaksi

Saat ini, industri SiC sedang bertransformasi dari 150 mm (6 inci) menjadi 200 mm (8 inci). Untuk memenuhi permintaan mendesak akan wafer homoepitaksial SiC berukuran besar dan berkualitas tinggi di industri, wafer homoepitaksial 4H-SiC 150 mm dan 200 mm berhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksi SiC 200 mm yang dikembangkan secara independen. Proses homoepitaksial yang cocok untuk 150 mm dan 200 mm dikembangkan, di mana laju pertumbuhan epitaksi dapat lebih besar dari 60 μm/jam. Meskipun memenuhi epitaksi berkecepatan tinggi, kualitas wafer epitaksi sangat baik. Keseragaman ketebalan wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm dapat dikontrol dalam 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kepadatan cacat fatal kurang dari 0,3 partikel/cm2, dan akar rata-rata kuadrat kekasaran permukaan epitaksi Ra adalah kurang dari 0,15 nm, dan semua indikator proses inti berada pada tingkat lanjutan industri.

Silicon Carbide (SiC) merupakan salah satu perwakilan material semikonduktor generasi ketiga. Ia memiliki karakteristik kekuatan medan tembus yang tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, kecepatan penyimpangan saturasi elektron yang besar, dan ketahanan radiasi yang kuat. Ini telah sangat memperluas kapasitas pemrosesan energi perangkat listrik dan dapat memenuhi persyaratan layanan peralatan elektronik daya generasi berikutnya untuk perangkat dengan daya tinggi, ukuran kecil, suhu tinggi, radiasi tinggi, dan kondisi ekstrem lainnya. Hal ini dapat mengurangi ruang, mengurangi konsumsi daya, dan mengurangi kebutuhan pendinginan. Hal 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 perangkat elektronik berdaya tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, berkat dukungan kebijakan nasional untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga, penelitian dan pengembangan serta konstruksi sistem industri perangkat SiC 150 mm pada dasarnya telah selesai di Tiongkok, dan keamanan rantai industri telah meningkat. pada dasarnya sudah terjamin. Oleh karena itu, fokus industri secara bertahap beralih ke pengendalian biaya dan peningkatan efisiensi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, dibandingkan dengan 150 mm, SiC 200 mm memiliki tingkat pemanfaatan tepi yang lebih tinggi, dan keluaran chip wafer tunggal dapat ditingkatkan sekitar 1,8 kali lipat. Setelah teknologinya matang, biaya produksi satu chip dapat dikurangi hingga 30%. Terobosan teknologi 200 mm merupakan cara langsung untuk "mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi", dan juga merupakan kunci bagi industri semikonduktor negara saya untuk "berjalan paralel" atau bahkan "memimpin".

Berbeda dengan proses perangkat Si, perangkat daya semikonduktor SiC semuanya diproses dan disiapkan dengan lapisan epitaksi sebagai landasannya. Wafer epitaksi adalah bahan dasar penting untuk perangkat daya SiC. Kualitas lapisan epitaksi secara langsung menentukan hasil perangkat, dan biayanya menyumbang 20% ​​dari biaya produksi chip. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaksi merupakan penghubung penting dalam perangkat daya SiC. Batas atas tingkat proses epitaksi ditentukan oleh peralatan epitaksi. Saat ini, tingkat lokalisasi peralatan epitaksi SiC 150 mm domestik relatif tinggi, tetapi tata letak keseluruhan 200 mm masih tertinggal dari tingkat internasional. Oleh karena itu, untuk mengatasi kebutuhan mendesak dan masalah kemacetan pembuatan bahan epitaksi berukuran besar dan berkualitas tinggi untuk pengembangan industri semikonduktor generasi ketiga dalam negeri, makalah ini memperkenalkan peralatan epitaksi SiC 200 mm yang berhasil dikembangkan di negara saya, dan mempelajari proses epitaksial. Dengan mengoptimalkan parameter proses seperti suhu proses, laju aliran gas pembawa, rasio C/Si, dll., keseragaman konsentrasi <3%, ketidakseragaman ketebalan <1,5%, kekasaran Ra <0,2 nm dan kepadatan cacat fatal <0,3 partikel /cm2 dari wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm dengan tungku epitaksi silikon karbida 200 mm yang dikembangkan sendiri. Tingkat proses peralatan dapat memenuhi kebutuhan persiapan perangkat daya SiC berkualitas tinggi.

1 Eksperimen

1.1 Prinsip proses epitaksi SiC

Proses pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC terutama mencakup 2 langkah utama, yaitu, etsa in-situ suhu tinggi pada substrat 4H-SiC dan proses deposisi uap kimia homogen. Tujuan utama etsa in-situ substrat adalah untuk menghilangkan kerusakan bawah permukaan substrat setelah pemolesan wafer, sisa cairan pemoles, partikel dan lapisan oksida, dan struktur langkah atom teratur dapat dibentuk pada permukaan substrat dengan etsa. Pengetsaan in-situ biasanya dilakukan dalam atmosfer hidrogen. Sesuai dengan persyaratan proses 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 bersuhu tinggi, yaitu sumber pertumbuhan (seperti etilen/propana, TCS/silana), sumber doping (sumber doping tipe-n nitrogen , sumber doping tipe-p (TMAl), dan gas tambahan seperti hidrogen klorida diangkut ke ruang reaksi melalui aliran besar gas pembawa (biasanya hidrogen). Setelah gas bereaksi dalam ruang reaksi suhu tinggi, bagian dari prekursor bereaksi secara kimia dan teradsorpsi pada permukaan wafer, dan lapisan epitaksi 4H-SiC homogen kristal tunggal dengan konsentrasi doping spesifik, ketebalan spesifik, dan kualitas lebih tinggi terbentuk. pada permukaan substrat menggunakan substrat kristal tunggal 4H-SiC sebagai templat. Setelah bertahun-tahun melakukan eksplorasi teknis, teknologi homoepitaksial 4H-SiC pada dasarnya telah matang dan banyak digunakan dalam produksi industri. Teknologi homoepitaksial 4H-SiC yang paling banyak digunakan di dunia memiliki dua karakteristik khas: (1) Menggunakan off-axis (relatif terhadap bidang kristal <0001>, menuju arah kristal <11-20>) substrat yang dipotong miring sebagai templat, lapisan epitaksi 4H-SiC kristal tunggal dengan kemurnian tinggi tanpa pengotor diendapkan pada substrat dalam bentuk mode pertumbuhan aliran bertahap. Pertumbuhan homoepitaksial 4H-SiC awal menggunakan substrat kristal positif, yaitu bidang <0001> Si untuk pertumbuhan. Kepadatan langkah atom pada permukaan substrat kristal positif rendah dan terasnya lebar. Pertumbuhan nukleasi dua dimensi mudah terjadi selama proses epitaksi membentuk kristal 3C SiC (3C-SiC). Dengan pemotongan di luar sumbu, langkah atom dengan kepadatan tinggi dan lebar teras sempit dapat dimasukkan pada permukaan substrat 4H-SiC <0001>, dan prekursor yang teradsorpsi dapat secara efektif mencapai posisi langkah atom dengan energi permukaan yang relatif rendah melalui difusi permukaan . Pada tahap tersebut, posisi ikatan atom/gugus molekul prekursor adalah unik, sehingga dalam mode pertumbuhan aliran bertahap, lapisan epitaksial dapat dengan sempurna mewarisi urutan susunan lapisan atom ganda Si-C dari substrat untuk membentuk kristal tunggal dengan kristal yang sama. fase sebagai substrat. (2) Pertumbuhan epitaksi berkecepatan tinggi dicapai dengan memperkenalkan sumber silikon yang mengandung klor. Dalam sistem deposisi uap kimia SiC konvensional, silan dan propana (atau etilen) adalah sumber pertumbuhan utama. Dalam proses meningkatkan laju pertumbuhan dengan meningkatkan laju aliran sumber pertumbuhan, karena tekanan parsial kesetimbangan komponen silikon terus meningkat, gugus silikon mudah terbentuk melalui nukleasi fase gas homogen, yang secara signifikan mengurangi tingkat pemanfaatan komponen silikon. sumber silikon. Pembentukan cluster silikon sangat membatasi peningkatan laju pertumbuhan epitaksial. Pada saat yang sama, cluster silikon dapat mengganggu pertumbuhan aliran bertahap dan menyebabkan cacat nukleasi. Untuk menghindari nukleasi fase gas homogen dan meningkatkan laju pertumbuhan epitaksi, pengenalan sumber silikon berbasis klorin saat ini menjadi metode utama untuk meningkatkan laju pertumbuhan epitaksi 4H-SiC.

Peralatan epitaksi SiC 1,2 200 mm (8 inci) dan kondisi proses

Eksperimen yang dijelaskan dalam makalah ini semuanya dilakukan pada peralatan epitaksi SiC dinding panas horizontal monolitik kompatibel 150/200 mm (6/8 inci) yang dikembangkan secara independen oleh Institut ke-48 China Electronics Technology Group Corporation. Tungku epitaksi mendukung pemuatan dan pembongkaran wafer yang sepenuhnya otomatis. Gambar 1 adalah diagram skema struktur internal ruang reaksi peralatan epitaksi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dinding luar ruang reaksi adalah bel kuarsa dengan lapisan berpendingin air, dan bagian dalam bel adalah ruang reaksi suhu tinggi, yang terdiri dari bahan karbon isolasi termal, kemurnian tinggi rongga grafit khusus, alas berputar mengambang gas grafit, dll. Seluruh bel kuarsa ditutupi dengan kumparan induksi silinder, dan ruang reaksi di dalam bel dipanaskan secara elektromagnetik oleh catu daya induksi frekuensi menengah. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 (b), gas pembawa, gas reaksi, dan gas doping semuanya mengalir melalui permukaan wafer dalam aliran laminar horizontal dari hulu ruang reaksi ke hilir ruang reaksi dan dibuang dari bagian ekor. ujung gas. Untuk memastikan konsistensi di dalam wafer, wafer yang dibawa oleh pangkalan terapung udara selalu diputar selama proses berlangsung.

Substrat yang digunakan dalam percobaan ini adalah substrat SiC poles dua sisi 4H-SiC konduktif tipe-n 4H-SiC dua sisi konduktif sudut-sudut 4° yang diproduksi oleh Shanxi Shuke Crystal. Trichlorosilane (SiHCl3, TCS) dan etilen (C2H4) digunakan sebagai sumber pertumbuhan utama dalam percobaan proses, di antaranya TCS dan C2H4 masing-masing digunakan sebagai sumber silikon dan sumber karbon, nitrogen (N2) dengan kemurnian tinggi digunakan sebagai n- jenis sumber doping, dan hidrogen (H2) digunakan sebagai gas pengencer dan gas pembawa. Kisaran suhu proses epitaksi adalah 1 600 ~1 660 ℃, tekanan proses adalah 8×103 ~12×103 Pa, dan laju aliran gas pembawa H2 adalah 100～140 L/mnt.

1.3 Pengujian dan karakterisasi wafer epitaksi

Spektrometer inframerah Fourier (produsen peralatan Thermalfisher, model iS50) dan penguji konsentrasi probe merkuri (produsen peralatan Semilab, model 530L) digunakan untuk mengkarakterisasi rata-rata dan distribusi ketebalan lapisan epitaksi dan konsentrasi doping; ketebalan dan konsentrasi doping setiap titik pada lapisan epitaksial ditentukan dengan mengambil titik-titik sepanjang garis diameter yang memotong garis normal tepi referensi utama pada 45° di tengah wafer dengan penghilangan tepi 5 mm. Untuk wafer 150 mm, diambil 9 titik sepanjang garis diameter tunggal (dua diameter tegak lurus satu sama lain), dan untuk wafer 200 mm, diambil 21 titik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Mikroskop gaya atom (produsen peralatan Bruker, model Dimension Icon) digunakan untuk memilih area 30 μm×30 μm di area tengah dan area tepi (penghilangan tepi 5 mm) wafer epitaksi untuk menguji kekasaran permukaan lapisan epitaksi; cacat pada lapisan epitaksi diukur menggunakan penguji cacat permukaan (produsen peralatan China Electronics Kefenghua, model Mars 4410 pro) untuk karakterisasi.

2 Hasil percobaan dan pembahasan

2.1 Ketebalan dan keseragaman lapisan epitaksi

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

Gambar 3 menunjukkan keseragaman ketebalan dan kurva distribusi wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm. Terlihat dari gambar bahwa kurva distribusi ketebalan lapisan epitaksial simetris terhadap titik pusat wafer. Waktu proses epitaksi 600 s, rata-rata ketebalan lapisan epitaksi wafer epitaksi 150 mm adalah 10,89 μm, dan keseragaman ketebalan 1,05%. Berdasarkan perhitungan, laju pertumbuhan epitaksi adalah 65,3 μm/jam, yang merupakan tingkat proses epitaksi cepat pada umumnya. Di bawah waktu proses epitaksi yang sama, ketebalan lapisan epitaksi dari wafer epitaksi 200 mm adalah 10,10 μm, keseragaman ketebalan berada dalam 1,36%, dan tingkat pertumbuhan keseluruhan adalah 60,60 μm/jam, yang sedikit lebih rendah dari pertumbuhan epitaksi 150 mm kecepatan. Hal ini karena terdapat kerugian yang jelas di sepanjang jalan ketika sumber silikon dan sumber karbon mengalir 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 sumber gas yang dikonsumsi sepanjang jalan tersebut lebih banyak. Dalam kondisi wafer terus berputar, ketebalan lapisan epitaksial secara keseluruhan lebih tipis, sehingga laju pertumbuhannya lebih lambat. Secara keseluruhan, keseragaman ketebalan wafer epitaksi 150 mm dan 200 mm sangat baik, dan kemampuan proses peralatan dapat memenuhi persyaratan perangkat berkualitas tinggi.

2.2 Konsentrasi dan keseragaman doping lapisan epitaksi

Gambar 4 menunjukkan keseragaman konsentrasi doping dan distribusi kurva wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm. Seperti dapat dilihat dari gambar, kurva distribusi konsentrasi pada wafer epitaksial mempunyai simetri yang jelas dibandingkan dengan pusat wafer. Keseragaman konsentrasi doping lapisan epitaksi 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 lapisan epitaksi didistribusikan dalam bentuk "W" sepanjang arah diameter, yang terutama ditentukan oleh bidang aliran tungku epitaksi dinding panas horizontal, karena arah aliran udara dari tungku pertumbuhan epitaksi aliran udara horizontal berasal dari ujung saluran masuk udara (hulu) dan mengalir keluar dari ujung hilir dalam aliran laminar melalui permukaan wafer; karena laju "penipisan sepanjang jalan" sumber karbon (C2H4) lebih tinggi dibandingkan dengan sumber silikon (TCS), ketika wafer berputar, C/Si sebenarnya pada permukaan wafer secara bertahap menurun dari tepi ke tepi. pusat (sumber karbon di tengah lebih sedikit), menurut "teori posisi kompetitif" C dan N, konsentrasi doping di tengah wafer secara bertahap menurun ke arah tepi. Untuk mendapatkan keseragaman konsentrasi yang sangat baik, tepi N2 ditambahkan sebagai kompensasi selama proses epitaksial untuk memperlambat penurunan konsentrasi doping dari pusat ke tepi, sehingga kurva konsentrasi doping akhir berbentuk "W".

2.3 Cacat lapisan epitaksi

Selain ketebalan dan konsentrasi doping, tingkat pengendalian cacat lapisan epitaksi juga merupakan parameter inti untuk mengukur kualitas wafer epitaksi dan indikator penting kemampuan proses peralatan epitaksi. Meskipun SBD dan MOSFET memiliki persyaratan cacat yang berbeda, cacat morfologi permukaan yang lebih jelas seperti cacat jatuh, cacat segitiga, cacat wortel, dan cacat komet didefinisikan sebagai cacat mematikan untuk perangkat SBD dan MOSFET. Kemungkinan kegagalan chip yang mengandung cacat ini tinggi, sehingga mengendalikan jumlah cacat yang mematikan sangatlah penting untuk meningkatkan hasil chip dan mengurangi biaya. Gambar 5 menunjukkan distribusi cacat mematikan pada wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm. Dengan kondisi tidak adanya ketidakseimbangan yang jelas dalam rasio C/Si, cacat wortel dan cacat komet pada dasarnya dapat dihilangkan, sedangkan cacat jatuh dan cacat segitiga berkaitan dengan pengendalian kebersihan selama pengoperasian peralatan epitaksi, tingkat pengotor grafit. bagian dalam ruang reaksi, dan kualitas substrat. Dari Tabel 2, kita dapat melihat bahwa kepadatan cacat fatal wafer epitaksi 150 mm dan 200 mm dapat dikontrol dalam 0,3 partikel/cm2, yang merupakan tingkat yang sangat baik untuk jenis peralatan yang sama. Tingkat pengendalian kepadatan cacat fatal wafer epitaksi 150 mm lebih baik dibandingkan wafer epitaksi 200 mm. Hal ini dikarenakan proses preparasi substrat 150 mm lebih matang dibandingkan dengan 200 mm, kualitas substrat lebih baik, dan tingkat pengendalian pengotor pada ruang reaksi grafit 150 mm lebih baik.

2.4 Kekasaran permukaan wafer epitaksi

Gambar 6 menunjukkan gambar AFM dari permukaan wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm. Seperti dapat dilihat dari gambar, akar rata-rata permukaan kekasaran kuadrat Ra wafer epitaksi 150 mm dan 200 mm masing-masing adalah 0,129 nm dan 0,113 nm, dan permukaan lapisan epitaksi halus, tanpa fenomena agregasi langkah makro yang jelas, yang mana menunjukkan bahwa pertumbuhan lapisan epitaksi selalu mempertahankan mode pertumbuhan aliran bertahap selama seluruh proses epitaksi, dan tidak terjadi agregasi langkah. Terlihat bahwa lapisan epitaksi dengan permukaan halus dapat diperoleh pada substrat sudut rendah 150 mm dan 200 mm dengan menggunakan proses pertumbuhan epitaksi yang dioptimalkan.

3. Kesimpulan

Wafer homoepitaksial 150 mm dan 200 mm 4H-SiC berhasil disiapkan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksi SiC 200 mm yang dikembangkan sendiri, dan proses homoepitaksial yang sesuai untuk 150 mm dan 200 mm dikembangkan. Laju pertumbuhan epitaksial bisa lebih besar dari 60 m/jam. Meskipun memenuhi persyaratan epitaksi berkecepatan tinggi, kualitas wafer epitaksi sangat baik. Keseragaman ketebalan wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm dapat dikontrol dalam 1,5%, keseragaman konsentrasi kurang dari 3%, kepadatan cacat fatal kurang dari 0,3 partikel/cm2, dan akar rata-rata kuadrat kekasaran permukaan epitaksi Ra adalah kurang dari 0,15nm. Indikator proses inti wafer epitaksi berada pada tingkat lanjutan di industri.

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

VeTek Semiconductor adalah produsen Cina profesionalPlafon Dilapisi CVD SiC, Nozel Pelapis SiC CVD, DanCincin Saluran Masuk Lapisan SiC.  VeTek Semiconductor berkomitmen untuk menyediakan solusi canggih untuk berbagai produk SiC Wafer untuk industri semikonduktor.

Jika Anda tertarikTungku epitaksi SiC 8 inci dan proses homoepitaksi, jangan ragu untuk menghubungi kami secara langsung.

Massa: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

Surel: anny@veteksemi.com