Nghiên cứu về lò nung sic và nghiên cứu quá trình đồng nhất SIC 8 inch

Hiện tại, ngành công nghiệp SIC đang chuyển đổi từ 150 mm (6 inch) thành 200 mm (8 inch). Để đáp ứng nhu cầu khẩn cấp về các tấm laloepiticular SiC có kích thước lớn, chất lượng cao trong ngành, các tấm vải đồng hình 4H-SIC 4H-SIC 4H-SIC được điều chế thành công trên các chất nền trong nước sử dụng thiết bị tăng trưởng Epitaxial 200 mM phát triển độc lập. Một quy trình đồng nhất phù hợp với 150 mm và 200 mm đã được phát triển, trong đó tốc độ tăng trưởng epiticular có thể lớn hơn 60 μm/h. Trong khi đáp ứng epitaxy tốc độ cao, chất lượng wafer epiticular là tuyệt vời. Tính đồng nhất độ dày 150 mm và 200 mm scafer epiticular có thể được kiểm soát trong phạm vi 1,5%, độ đồng nhất nồng độ nhỏ hơn 3%, mật độ khiếm khuyết gây tử vong nhỏ hơn 0,3 hạt/cm2 và tất cả các quy trình tiến bộ của bề mặt có độ cao.

Silicon cacbua (SIC) là một trong những đại diện của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Nó có các đặc điểm của cường độ trường phân tích cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời, tốc độ trôi dạt độ bão hòa điện tử lớn và khả năng chống bức xạ mạnh. Nó đã mở rộng đáng kể khả năng xử lý năng lượng của các thiết bị năng lượng và có thể đáp ứng các yêu cầu dịch vụ của thế hệ thiết bị điện tử tiếp theo cho các thiết bị có công suất cao, kích thước nhỏ, nhiệt độ cao, bức xạ cao và các điều kiện khắc nghiệt khác. Nó có thể giảm không gian, giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm yêu cầu làm mát. Nó đã mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho các phương tiện năng lượng mới, vận chuyển đường sắt, lưới thông minh và các lĩnh vực khác. Do đó, chất bán dẫn cacbua silicon đã được công nhận là vật liệu lý tưởng sẽ dẫn đầu thế hệ thiết bị điện tử công suất cao tiếp theo. Trong những năm gần đây, nhờ hỗ trợ chính sách quốc gia cho sự phát triển của ngành bán dẫn thế hệ thứ ba, nghiên cứu và phát triển và xây dựng hệ thống ngành thiết bị SIC 150 mm về cơ bản đã được hoàn thành ở Trung Quốc, và an ninh của chuỗi công nghiệp đã được đảm bảo về cơ bản. Do đó, trọng tâm của ngành đã dần chuyển sang kiểm soát chi phí và cải thiện hiệu quả. Như thể hiện trong Bảng 1, so với 150 mm, SIC 200 mM có tốc độ sử dụng cạnh cao hơn và đầu ra của các chip wafer đơn có thể được tăng thêm khoảng 1,8 lần. Sau khi công nghệ trưởng thành, chi phí sản xuất của một con chip có thể giảm 30%. Bước đột phá công nghệ 200 mm là một phương tiện trực tiếp "giảm chi phí và tăng hiệu quả", và nó cũng là chìa khóa cho ngành công nghiệp bán dẫn của đất nước tôi "chạy song song" hoặc thậm chí "chì".

Khác với quy trình thiết bị SI, các thiết bị công suất bán dẫn SIC đều được xử lý và chuẩn bị với các lớp epiticular làm nền tảng. Wafer epiticular là các vật liệu cơ bản thiết yếu cho các thiết bị SIC Power. Chất lượng của lớp epiticular trực tiếp xác định năng suất của thiết bị và chi phí của nó chiếm 20% chi phí sản xuất chip. Do đó, tăng trưởng epiticular là một liên kết trung gian thiết yếu trong các thiết bị năng lượng SIC. Giới hạn trên của mức quy trình epiticular được xác định bởi thiết bị epiticular. Hiện tại, mức độ nội địa hóa của thiết bị epitaxial SIC 150 mm trong nước là tương đối cao, nhưng bố cục tổng thể 200 mm tụt hậu so với cấp quốc tế cùng một lúc. Do đó, để giải quyết các nhu cầu khẩn cấp và các vấn đề tắc nghẽn của sản xuất vật liệu epiticular có kích thước lớn, chất lượng cao để phát triển ngành bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước, bài viết này giới thiệu thiết bị epiticular SIC 200 mM được phát triển thành công ở nước tôi và nghiên cứu quy trình epitaxial. Bằng cách tối ưu hóa các tham số quá trình như nhiệt độ quá trình, tốc độ dòng khí của chất mang, tỷ lệ C/Si, v.v., độ đồng nhất nồng độ <3%, độ dày không đồng nhất <1,5%, độ nhám RA <0,2nm và mật độ khuyết tật gây tử vong. Mức quy trình thiết bị có thể đáp ứng nhu cầu của việc chuẩn bị thiết bị điện SIC chất lượng cao.

1 thí nghiệm

1.1 Nguyên tắc của quá trình epiticular SIC

Quá trình tăng trưởng homoepiticular 4H-SiC chủ yếu bao gồm 2 bước chính, cụ thể là khắc nhiệt độ cao của chất nền 4H-SIC và quá trình lắng đọng hóa chất đồng nhất. Mục đích chính của chất nền trong tại chỗ là để loại bỏ thiệt hại dưới bề mặt của chất nền sau khi đánh bóng wafer, chất lỏng đánh bóng dư, các hạt và lớp oxit và cấu trúc bước nguyên tử thông thường có thể được hình thành trên bề mặt cơ chất bằng cách khắc. Khắc tại chỗ thường được thực hiện trong bầu không khí hydro. Theo các yêu cầu quá trình thực tế, một lượng nhỏ khí phụ cũng có thể được thêm vào, chẳng hạn như hydro clorua, propane, ethylene hoặc silane. Nhiệt độ của khắc hydro tại chỗ thường trên 1 600, và áp suất của buồng phản ứng thường được kiểm soát dưới 2 × 104 Pa trong quá trình khắc.

Sau khi bề mặt cơ chất được kích hoạt bằng cách khắc tại chỗ, nó đi vào quá trình lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao, nghĩa là nguồn tăng trưởng (như ethylene/propane, TCS/silane) (thường là hydro). Sau khi khí phản ứng trong buồng phản ứng nhiệt độ cao, một phần của tiền chất phản ứng về mặt hóa học và chất hấp phụ trên bề mặt wafer và một lớp epitic trục 4H-SIC đồng nhất đơn tinh thể đơn, chất lượng cao hơn được hình thành trên bề mặt chất nền. Sau nhiều năm thăm dò kỹ thuật, công nghệ Homoepiticular 4H-SIC về cơ bản đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Công nghệ homoepiticular 4H-SIC được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới có hai đặc điểm điển hình: (1) sử dụng một trục ngoài trục (liên quan đến mặt phẳng tinh thể <0001>, hướng về hướng tinh thể <11-20> Sự tăng trưởng homoepiticular 4H sớm đã sử dụng chất nền tinh thể dương, nghĩa là mặt phẳng <0001> Si để tăng trưởng. Mật độ của các bước nguyên tử trên bề mặt của chất nền tinh thể dương thấp và sân thượng rộng. Tăng trưởng tạo mầm hai chiều rất dễ xảy ra trong quá trình epitaxy để tạo thành SiC tinh thể 3C (3C-SIC). Bằng cách cắt ngoài trục, mật độ cao, các bước nguyên tử có chiều rộng sân thượng hẹp có thể được đưa ra trên bề mặt của chất nền 4H-SiC <0001> và tiền chất hấp phụ có thể đạt đến vị trí bước nguyên tử với năng lượng bề mặt tương đối thấp thông qua khuếch tán bề mặt. Ở bước, vị trí liên kết nhóm nguyên tử/phân tử tiền thân là duy nhất, do đó, trong chế độ tăng trưởng dòng chảy, lớp epiticular có thể kế thừa hoàn hảo chuỗi xếp chồng nguyên tử đôi Si-C của chất nền để tạo thành một tinh thể đơn với cùng một pha tinh thể như chất nền. (2) Tăng trưởng epiticular tốc độ cao đạt được bằng cách giới thiệu một nguồn silicon chứa clo. Trong các hệ thống lắng đọng hơi hóa học SIC thông thường, silane và propane (hoặc ethylene) là các nguồn tăng trưởng chính. Trong quá trình tăng tốc độ tăng trưởng bằng cách tăng tốc độ dòng chảy của nguồn tăng trưởng, vì áp suất phần cân bằng của thành phần silicon tiếp tục tăng, dễ dàng hình thành các cụm silicon bằng cách tạo mầm pha khí đồng nhất, làm giảm đáng kể tốc độ sử dụng của nguồn silicon. Sự hình thành của các cụm silicon hạn chế đáng kể sự cải thiện tốc độ tăng trưởng epiticular. Đồng thời, các cụm silicon có thể làm xáo trộn sự phát triển của dòng chảy và gây ra quá trình tạo mầm khiếm khuyết. Để tránh quá trình tạo mầm pha khí đồng nhất và tăng tốc độ tăng trưởng epiticular, việc giới thiệu các nguồn silicon dựa trên clo hiện là phương pháp chính để tăng tốc độ tăng trưởng epiticular của 4H-SIC.

1,2 200 mm (8 inch) Thiết bị epiticular và điều kiện xử lý SIC

Các thí nghiệm được mô tả trong bài viết này đều được thực hiện trên một thiết bị Epitical Tường ngang ngang tương thích (6/8 inch) của Thiết bị Epiticular Hot Wall Epitic được phát triển độc lập bởi Tập đoàn Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc lần thứ 48 của Viện Trung Quốc. Lò epiticular hỗ trợ tải và dỡ tải wafer hoàn toàn tự động. Hình 1 là một sơ đồ sơ đồ cấu trúc bên trong của buồng phản ứng của thiết bị epiticular. Như được hiển thị trong Hình 1, thành ngoài của buồng phản ứng là một chiếc chuông thạch anh với một lớp xen kẽ làm mát bằng nước và bên trong của chuông là một buồng phản ứng nhiệt độ cao, bao gồm các cảm giác nhiệt độ nhiệt, vv. Được làm nóng bởi một nguồn điện cảm ứng trung bình. Như được hiển thị trong Hình 1 (b), khí mang, khí phản ứng và khí pha tạp đều chảy qua bề mặt wafer trong dòng chảy ngang từ thượng nguồn của buồng phản ứng đến hạ lưu của buồng phản ứng và được thải ra từ đầu khí đuôi. Để đảm bảo tính nhất quán trong wafer, wafer được mang bởi đế nổi không khí luôn được xoay trong quá trình.

Chất nền được sử dụng trong thí nghiệm là một thương mại 150 mm, 200 mm (6 inch, 8 inch) <1120> Hướng 4 ° ngoài vòng N-Type 4H-SIC SIc Polished Sonrate SIc do tinh thể shuoke shanxi tạo ra. Trichlorosilane (SIHCL3, TCS) và ethylene (C2H4) được sử dụng làm nguồn tăng trưởng chính trong thí nghiệm quá trình, trong đó TCS và C2H4 được sử dụng làm nguồn silicon và nguồn carbon tương ứng, nitơ tinh khiết cao (N2) được sử dụng làm khí đốt. Phạm vi nhiệt độ quá trình epiticular là 1 600 ~ 1 660, áp suất quá trình là 8 × 103 ~ 12 × 103 PA và tốc độ dòng khí của chất mang H2 là 100 ～ 140 L/phút.

1.3 Thử nghiệm và đặc tính wafer epiticular

Máy quang phổ hồng ngoại Fourier (nhà sản xuất thiết bị Thermalfisher, Model IS50) và máy kiểm tra nồng độ thăm dò thủy ngân (nhà sản xuất thiết bị Semilab, Model 530L) đã được sử dụng để mô tả giá trị trung bình và phân phối độ dày lớp epiticular và nồng độ pha tạp; Độ dày và nồng độ pha tạp của từng điểm trong lớp epiticular được xác định bằng cách lấy các điểm dọc theo đường kính giao với đường thông thường của cạnh tham chiếu chính ở 45 ° ở trung tâm của wafer với việc loại bỏ cạnh 5 mM. Đối với wafer 150 mm, 9 điểm được thực hiện dọc theo một đường kính đơn (hai đường kính vuông góc với nhau) và đối với wafer 200 mm, 21 điểm đã được lấy, như trong Hình 2. Kiểm tra độ nhám bề mặt của lớp epiticular; Các khiếm khuyết của lớp epiticular được đo bằng cách sử dụng thử nghiệm khuyết tật bề mặt (nhà sản xuất thiết bị Trung Quốc Kefenghua, Model Mars 4410 Pro) để mô tả đặc tính.

2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận

2.1 Độ dày và độ đồng nhất của lớp epiticular

Độ dày lớp epiticular, nồng độ pha tạp và tính đồng nhất là một trong những chỉ số cốt lõi để đánh giá chất lượng của các tấm epiticular. Độ dày có thể kiểm soát chính xác, nồng độ pha tạp và tính đồng nhất trong wafer là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất và tính nhất quán của các thiết bị công suất SiC, và độ dày lớp epiticular và độ đồng nhất nồng độ pha chế cũng là cơ sở quan trọng để đo khả năng xử lý của thiết bị epitaxial.

Hình 3 cho thấy độ đồng nhất độ dày và đường cong phân phối là 150 mm và 200 mm scafer epiticular. Có thể thấy từ hình đường cong phân phối độ dày lớp epiticular là đối xứng về điểm trung tâm của wafer. Thời gian xử lý epiticular là 600 giây, độ dày lớp epiticular trung bình của wafer epiticular 150 mm là 10,89 μm và độ đồng nhất độ dày là 1,05%. Theo tính toán, tốc độ tăng trưởng epiticular là 65,3 μm/h, đây là mức quy trình epiticular nhanh điển hình. Theo cùng thời gian xử lý epiticular, độ dày lớp epiticular của wafer epiticular 200 mm là 10,10 μm, độ đồng nhất độ dày nằm trong phạm vi 1,36%và tốc độ tăng trưởng tổng thể là 60,60 μM/h, thấp hơn một chút so với tốc độ tăng trưởng epitula 150 mM. Điều này là do có sự mất mát rõ ràng trên đường đi khi nguồn silicon và nguồn carbon từ thượng nguồn của buồng phản ứng qua bề mặt wafer đến hạ lưu của buồng phản ứng và diện tích wafer 200 mm lớn hơn 150 mm. Khí chảy qua bề mặt của wafer 200 mm trong khoảng cách dài hơn và nguồn khí được tiêu thụ trên đường là nhiều hơn. Trong điều kiện wafer tiếp tục xoay, độ dày tổng thể của lớp epiticular mỏng hơn, do đó tốc độ tăng trưởng chậm hơn. Nhìn chung, độ đồng nhất độ dày 150 mm và 200 mm epiticular là tuyệt vời và khả năng xử lý của thiết bị có thể đáp ứng các yêu cầu của các thiết bị chất lượng cao.

2.2 Nồng độ pha tạp lớp epiticular

Hình 4 cho thấy độ đồng nhất nồng độ pha tạp và phân bố đường cong 150 mM và 200 mM scafer epiticular. Như có thể thấy từ hình, đường cong phân phối nồng độ trên wafer epiticular có đối xứng rõ ràng so với trung tâm của wafer. Tính đồng nhất nồng độ pha tạp của các lớp epiticular 150 mM và 200 mM lần lượt là 2,80% và 2,66%, có thể được kiểm soát trong phạm vi 3%, đây là mức tuyệt vời trong số các thiết bị tương tự quốc tế. Đường cong nồng độ doping của lớp epiticular được phân phối theo hình dạng "W" dọc theo hướng đường kính, chủ yếu được xác định bởi trường dòng chảy của lò nung tường nóng nằm ngang, bởi vì dòng chảy của dòng chảy trên không khí từ Do tỷ lệ "suy giảm cùng chiều" của nguồn carbon (C2H4) cao hơn so với nguồn silicon (TCS), khi wafer quay, C/si thực tế trên bề mặt wafer giảm dần từ các cạnh của carbon. Để có được tính đồng nhất nồng độ tuyệt vời, cạnh N2 được thêm vào làm bù trong quá trình epiticular để làm chậm sự giảm nồng độ pha tạp từ trung tâm đến cạnh, do đó đường cong nồng độ pha tạp cuối cùng thể hiện hình dạng "W".

2.3 Khiếm khuyết lớp epiticular

Ngoài độ dày và nồng độ pha tạp, mức độ kiểm soát khiếm khuyết lớp epiticular cũng là một tham số cốt lõi để đo lường chất lượng của các tấm epiticular và là một chỉ số quan trọng về khả năng xử lý của thiết bị epiticular. Mặc dù SBD và MOSFET có các yêu cầu khác nhau đối với các khiếm khuyết, các khuyết tật hình thái bề mặt rõ ràng hơn như khuyết tật thả, khuyết tật tam giác, khuyết tật cà rốt và khuyết tật sao chổi được định nghĩa là khiếm khuyết giết người đối với các thiết bị SBD và MOSFET. Xác suất thất bại của các chip có chứa các khiếm khuyết này là cao, do đó, việc kiểm soát số lượng khiếm khuyết giết người là vô cùng quan trọng để cải thiện năng suất chip và giảm chi phí. Hình 5 cho thấy sự phân bố các khiếm khuyết giết người là 150 mm và 200 mm scafer epiticular. Trong điều kiện không có sự mất cân bằng rõ ràng về tỷ lệ C/SI, các khiếm khuyết cà rốt và khiếm khuyết sao chổi về cơ bản có thể được loại bỏ, trong khi các khiếm khuyết rơi và khiếm khuyết tam giác có liên quan đến sự kiểm soát độ sạch trong quá trình vận hành thiết bị epitaxial, mức độ tạp chất của các bộ phận than chì trong buồng phản ứng và chất lượng của chất nền. Từ Bảng 2, chúng ta có thể thấy rằng mật độ khiếm khuyết gây tử vong là 150 mm và 200 mm epiticular có thể được kiểm soát trong 0,3 hạt/cm2, là một mức tuyệt vời cho cùng loại thiết bị. Mức kiểm soát mật độ khuyết tật gây tử vong là 150 mm Wafer epiticular tốt hơn so với wafer epiticular 200 mm. Điều này là do quá trình chuẩn bị cơ chất 150 mm trưởng thành hơn so với 200 mm, chất lượng cơ chất tốt hơn và mức kiểm soát tạp chất của buồng phản ứng than chì 150 mm tốt hơn.

2.4 Độ nhám bề mặt wafer epiticular

Hình 6 cho thấy hình ảnh AFM của bề mặt các tấm epiticular SIC 150 mM và 200 mM. Như có thể thấy từ hình, độ nhám bình phương trung bình bề mặt RA lần lượt là 150 mm và 200 mm là 0,129nm và 0,113nm, và bề mặt của lớp epiticic xảy ra. Có thể thấy rằng lớp epiticular có bề mặt nhẵn có thể thu được trên các chất nền góc thấp 150 mm và 200 mm bằng cách sử dụng quá trình tăng trưởng epiticular được tối ưu hóa.

3. Kết luận

Các tấm laloepiticular 4H-SIC 150 mm và 200 mm đã được chuẩn bị thành công trên các chất nền trong nước bằng cách sử dụng thiết bị tăng trưởng epiticular SIC 200 mM tự phát triển và quá trình đồng nhất phù hợp với 150 mm và 200 mm đã được phát triển. Tốc độ tăng trưởng epiticular có thể lớn hơn 60 μm/h. Trong khi đáp ứng yêu cầu epitaxy tốc độ cao, chất lượng wafer epiticular là tuyệt vời. Tính đồng nhất độ dày 150 mm và 200 mm scafer epiticular có thể được kiểm soát trong phạm vi 1,5%, độ đồng nhất nồng độ nhỏ hơn 3%, mật độ khuyết tật gây tử vong là nhỏ hơn 0,3 hạt/cm2 và độ nhám bề mặt hình trục rễ rễ có trung bình RA nhỏ hơn 0,15nm. Các chỉ số quá trình cốt lõi của các tấm epiticular đang ở cấp độ tiên tiến trong ngành.

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

Vetek S bán dẫn là nhà sản xuất chuyên nghiệp của Trung QuốcCVD sic phủ trần, Vòi phủ lớp phủ sic cvd, VàVòng đầu vào lớp phủ sic.  Bán dẫn Vetek cam kết cung cấp các giải pháp tiên tiến cho các sản phẩm SiC Wafer khác nhau cho ngành công nghiệp bán dẫn.

Nếu bạn quan tâm đếnLò phân cực sic 8 inch và quá trình đồng nhất, xin vui lòng liên hệ trực tiếp với chúng tôi.

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com