8インチSICエピタキシャル炉とホモエピタキシャルプロセス研究

現在、SIC産業は150 mm（6インチ）から200 mm（8インチ）に変換されています。業界の大規模で高品質のSICホモエピタキシャルウェーハの緊急の需要を満たすために、独立して開発された200 mm SICエピタキシャル成長装置を使用して、家庭基板上で150 mmおよび200 mm 4H-SICホモエピタキシャルウェーハを正常に調製しました。 150 mmと200 mMに適したホモエピタキシャルプロセスが開発されました。このプロセスでは、エピタキシャル成長速度は60μm/hを超えることがあります。高速エピタキシーに対応している間、エピタキシャルウェーハの品質は優れています。 150 mmおよび200 mm SICエピタキシャルウェーハの厚さの均一性は1.5％以内で制御でき、濃度の均一性は3％未満、致命的な欠陥密度は0.3粒子/cm2未満、エピタキシャル表面粗さ根平均平方根RA​​は0.15 nm未満であり、すべてのコアプロセスがインダビューションである。

炭化シリコン（SIC）は、第3世代の半導体材料の代表者の1人です。それは、高い分解磁場強度、優れた熱伝導率、大きな電子飽和ドリフト速度、および強い放射抵抗の特性を持っています。電力デバイスのエネルギー処理能力を大幅に拡大し、高出力、小型、高温、高放射、その他の極端な条件を備えたデバイスの次世代電子電子機器のサービス要件を満たすことができます。スペースを削減し、消費電力を削減し、冷却要件を減らすことができます。それは、新しいエネルギー車、鉄道輸送、スマートグリッド、その他のフィールドに革新的な変化をもたらしました。したがって、シリコン炭化物半導体は、次世代の高出力電子電子デバイスを導く理想的な材料として認識されています。近年、第3世代の半導体産業の開発に対する国家政策の支援のおかげで、150 mm SICデバイス産業システムの研究開発と建設が基本的に中国で完了しており、産業鎖のセキュリティが基本的に保証されています。したがって、業界の焦点は徐々にコスト管理と効率の改善に移行しました。表1に示すように、150 mmと比較して、200 mm SICのエッジ利用率は高く、シングルウェーハチップの出力は約1.8倍増加する可能性があります。技術が成熟した後、単一のチップの製造コストを30％削減できます。 200 mmの技術的ブレークスルーは、「コストを削減し、効率を高める」直接的な手段であり、私の国の半導体産業が「平行して」または「リード」さえするための鍵でもあります。

SIデバイスプロセスとは異なり、SIC半導体パワーデバイスはすべて、礎石としてエピタキシャル層で処理および準備されています。エピタキシャルウェーハは、SICパワーデバイスに不可欠な基本材料です。エピタキシャル層の品質は、デバイスの収率を直接決定し、そのコストはチップ製造コストの20％を占めています。したがって、エピタキシャルの成長は、SICパワーデバイスの重要な中間リンクです。エピタキシャルプロセスレベルの上限は、エピタキシャル装置によって決定されます。現在、国内の150 mm SICエピタキシャル装置の局所化度は比較的高くなっていますが、200 mmの全体的なレイアウトは同時に国際レベルに遅れています。したがって、国内の第3世代の半導体産業の開発のための大規模で高品質のエピタキシャル材料製造の緊急のニーズとボトルネックの問題を解決するために、このペーパーでは、私の国で開発された200 mm SICエピタキシャル装置を紹介し、骨軸プロセスを研究します。プロセス温度、キャリアガス流量、C/SI比など、濃度の均一性<3％、厚さの不均一性<1.5％、粗さRA <0.2 nmおよび致命的な欠陥密度<0.3粒子/CM2 <0.3粒子150 mmおよび200 mM SIC Epitaxial Wafersが潜んでいる200 mmのcm2粒子/cm2 <0.3粒子/cm2を最適化することにより。機器プロセスレベルは、高品質のSICパワーデバイスの準備のニーズを満たすことができます。

1つの実験

1.1 SICエピタキシャルプロセスの原則

4H-SICホモエピタキシャル成長プロセスには、主に2つの重要なステップが含まれています。つまり、4H-SIC基質と均一な化学蒸気堆積プロセスの高温インジットエッチングです。基板内のエッチングの主な目的は、ウェーハ研磨後の基質の敷文表面損傷、残留研磨液、粒子、酸化物層、およびエッチングにより基質表面に基質表面に形成されることです。 in-situエッチングは通常、水素雰囲気で行われます。実際のプロセス要件によれば、塩化水素、プロパン、エチレン、シランなど、少量の補助ガスも追加できます。 in-situ水素エッチングの温度は一般に1 600°を超えており、反応チャンバーの圧力は一般に、エッチングプロセス中に2×104 PAを下回っています。

基質表面がin-situエッチングによって活性化された後、高温化学蒸気堆積プロセス、つまり成長源（エチレン/プロパン、TCS/シランなど）、ドーピング源（N型ドーピング源（N型窒素、nitrogen、p型ドーピング源）、およびアキサイリアガスの輸送型chamberの輸送型に入ります。キャリアガス（通常は水素）。ガスが高温反応チャンバーで反応した後、前駆体の一部は化学的に反応し、ウェーハ表面に吸着し、特異的なドーピング濃度、特異的厚さ、およびより高い品質の単一結晶均質な4H-SICエピタキシャル層が、一次型基板として一次基準として基サブストレート表面に形成されます。長年の技術的探査の後、4H-SICホモエピタキシャル技術は基本的に成熟しており、工業生産で広く使用されています。世界で最も広く使用されている4H-SICホモエピタキシャルテクノロジーには、2つの典型的な特性があります。（1）オフ軸（<11-20>結晶方向に比べて、<11-20>クリスタル方向に向かって）斜めの切断基板を使用して、テンプルとしての斜めの切断基板、高純度の単結晶4H-sicエピタキシャル層が浸水して浸水します。初期の4H-SICホモエピタキシャル成長は、陽性の結晶基質、つまり成長のために<0001> SI平面を使用しました。正の結晶基質の表面上の原子ステップの密度は低く、テラスは広いです。 2次元の核生成の成長は、エピタキシープロセス中に発生しやすく、3C結晶SIC（3C-SIC）を形成します。軸外切断により、4H-SIC <0001>基板の表面に高密度の狭いテラス幅の原子ステップを導入でき、吸着前の前駆体は、表面拡散を介して比較的低い表面エネルギーで原子ステップ位置に効果的に到達できます。ステップでは、前駆体原子/分子基結合位置は一意であるため、ステップフロー成長モードでは、エピタキシャル層が基質のSi-C二重原子層スタッキング配列を完全に継承して、基質と同じ結晶相を持つ単結晶を形成できます。 （2）塩素含有シリコン源を導入することにより、高速エピタキシャルの成長が達成されます。従来のSIC化学蒸気堆積システムでは、シランとプロパン（またはエチレン）が主な成長源です。シリコン成分の平衡部分的圧力が増加し続けるにつれて、成長源流量を増加させることにより成長速度を上げる過程で、均質な気相核生成によりシリコンクラスターを形成することが容易になり、シリコン源の利用率が大幅に低下します。シリコンクラスターの形成により、エピタキシャル成長速度の改善が大幅に制限されます。同時に、シリコンクラスターはステップフローの成長を乱し、欠陥の核形成を引き起こす可能性があります。均質な気相核生成を回避し、骨縁増加速度を増加させるために、塩素ベースのシリコン源の導入は現在、4H-SICのエピタキシャル成長率を増加させる主流の方法です。

1.2 200 mm（8インチ）SICエピタキシャル装置とプロセス条件

この論文で説明されている実験はすべて、第48中国電子技術グループグループCorporationによって独立して開発された独立して開発された150/200 mm（6/8インチ）互換性のあるモノリシック水平ホットウォールSICエピタキシャル装置で実施されました。エピタキシャル炉は、完全に自動化されたウェーハの荷重と荷降ろしをサポートします。図1は、エピタキシャル装置の反応チャンバーの内部構造の概略図です。図1に示すように、反応チャンバーの外壁は水冷層を備えた石英ベルであり、ベルの内側は高温反応チャンバーであり、熱断熱炭素フェルト、高純度の特殊なグラファイト空洞、グラファイトガス強化回転ベースなどで構成されています。中周波誘導電源。図1（b）に示すように、キャリアガス、反応ガス、およびドーピングガスはすべて、反応チャンバーの上流から反応チャンバーの下流まで水平方向の層流でウェーハ表面を流れ、尾ガス端から排出されます。ウェーハ内の一貫性を確保するために、空気浮遊ベースによって運ばれるウェーハは常にプロセス中に回転します。

実験で使用されている基質は、シャンクシュオーククリスタルによって生成された4°の角度導電性Nタイプの導電性Nタイプ4H型双方向の磨かれたSIC基質4°の150 mm、200 mm（6インチ、8インチ）<1120>方向です。トリクロロシラン（SIHCL3、TCS）およびエチレン（C2H4）は、プロセス実験の主要な成長源として使用されます。その中には、TCSとC2H4がそれぞれシリコン源と炭素源として使用され、高純度窒素（N2）がN型ドッピング源として使用され、水素（H2）が希薄化ガスおよび希薄化ガスとして使用されます。エピタキシャルプロセス温度範囲は1 600〜1 660℃、プロセス圧力は8×103〜12×103 Pa、H2キャリアガス流量は100〜140 l/minです。

1.3エピタキシャルウェーハのテストと特性評価

フーリエ赤外線分光計（機器メーカーサーマフィッシャー、モデルIS50）および水銀プローブ濃度テスター（機器メーカーSemilab、モデル530L）を使用して、エピタキシャル層の厚さとドーピング濃度の平均と分布を特徴付けました。エピタキシャル層の各ポイントの厚さとドーピング濃度は、5 mmのエッジを除去してウェーハの中心にある45°のメイン参照エッジの通常のラインと交差する直径に沿ってポイントをとることにより決定されました。 150 mmウェーハの場合、9ポイントを直径1ラインに沿って取得しました（互いに2つの直径が垂直でした）、200 mmウェーハでは、図2に示すように21ポイントを採取しました。エピタキシャル層の粗さ;エピタキシャル層の欠陥は、特性評価のために表面欠陥テスター（機器メーカーチャイナエレクトロニクスkefenghua、Model Mars 4410 Pro）を使用して測定されました。

2実験結果と議論

2.1エピタキシャル層の厚さと均一性

エピタキシャル層の厚さ、ドーピング濃度、均一性は、エピタキシャルウェーハの品質を判断するためのコア指標の1つです。正確に制御可能な厚さ、ドーピング濃度、ウェーハ内の均一性は、SICパワーデバイスの性能と一貫性を確保するための鍵であり、エピタキシャル層の厚さとドーピング濃度の均一性も、エピタキシャル装置のプロセス能力を測定するための重要な基盤です。

図3は、厚さの均一性と150 mmおよび200 mMのSICエピタキシャルウェーハの分布曲線を示しています。図から、エピタキシャル層の厚さ分布曲線がウェーハの中心点について対称的であることがわかります。エピタキシャルプロセス時間は600秒で、150 mmエピタキシャルウェーハの平均エピタキシャル層の厚さは10.89μmで、厚さの均一性は1.05％です。計算により、エピタキシャル成長速度は65.3μm/hであり、これは典型的な高速エピタキシャルプロセスレベルです。同じエピタキシャルプロセス時間では、200 mmエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の厚さは10.10μm、厚さの均一性は1.36％以内で、全体の成長速度は60.60μm/hで、150 mmのエピタキシャル成長率よりもわずかに低くなります。これは、ウェーハ室の上流からウ​​ェーハ表面を通って反応チャンバーの下流に流れ、200 mmウェーハ領域が150 mmよりも大きい場合、シリコンソースと炭素源が流れに沿って明らかな損失があるためです。ガスは、200 mmウェーハの表面を距離を長く流れ、途中で消費されるソースガスはより多くなります。ウェーハが回転し続けるという条件下では、エピタキシャル層の全体的な厚さが薄いため、成長速度が遅くなります。全体として、150 mmと200 mmのエピタキシャルウェーハの厚さの均一性は優れており、機器のプロセス能力は高品質のデバイスの要件を満たすことができます。

2.2エピタキシャル層ドーピング濃度と均一性

図4は、ドーピング濃度の均一性と150 mmおよび200 mmのSICエピタキシャルウェーハの曲線分布を示しています。図からわかるように、エピタキシャルウェーハの濃度分布曲線は、ウェーハの中心と比較して明らかな対称性を持っています。 150 mmおよび200 mmのエピタキシャル層のドーピング濃度の均一性はそれぞれ2.80％と2.66％であり、3％以内で制御できます。エピタキシャル層のドーピング濃度曲線は、直径方向に沿って「W」形状に分布しています。これは、主に水平の熱い壁のエピタキシャル炉の流れ場によって決定されます。炭素源（C2H4）の「沿った道に沿った枯渇」レートはシリコン源（TCS）のそれよりも高いため、ウェーハが回転すると、ウェーハ表面の実際のC/SIは、中心の炭素源から徐々に減少します（中心の炭素源は少なくなります）。優れた濃度の均一性を得るために、エッジN2はエピタキシャルプロセス中に補償として追加され、中心からエッジへのドーピング濃度の減少を遅くし、最終的なドーピング濃度曲線が「W」形状を示します。

2.3エピタキシャル層の欠陥

厚さとドーピング濃度に加えて、エピタキシャル層の欠陥制御のレベルは、エピタキシャルウェーハの品質を測定するためのコアパラメーターであり、エピタキシャル装置のプロセス能力の重要な指標です。 SBDとMOSFETには欠陥の要件が異なりますが、ドロップ欠陥、三角形の欠陥、ニンジン欠陥、彗星欠陥などのより明らかな表面形態の欠陥は、SBDおよびMOSFETデバイスのキラー欠陥として定義されます。これらの欠陥を含むチップの故障の可能性は高いため、チップの収量を改善し、コストを削減するには、キラー欠陥の数を制御することが非常に重要です。図5は、150 mmおよび200 mM SICエピタキシャルウェーハのキラー欠陥の分布を示しています。 C/SI比に明らかな不均衡がないという条件下では、ニンジンの欠陥と彗星の欠陥を基本的に排除することができますが、滴の欠陥と三角形の欠陥は、エピタキシャル装置の操作中の清潔さの制御、反応チャンバーのグラファイト部分の不純物レベル、および基質の品質に関連しています。表2から、150 mmおよび200 mMエピタキシャルウェーハの致命的な欠陥密度を0.3粒子/cm2内で制御できることがわかります。 150 mmエピタキシャルウェーハの致命的な欠陥密度制御レベルは、200 mmエピタキシャルウェーハのそれよりも優れています。これは、150 mmの基質調製プロセスが200 mmのそれよりも成熟しており、基質の品質が優れており、150 mmグラファイト反応チャンバーの不純物制御レベルの方が優れているためです。

2.4エピタキシャルウェーハ表面粗さ

図6は、150 mmおよび200 mm SICエピタキシャルウェーハの表面のAFM画像を示しています。図からわかるように、表面根平均平方根RA​​は150 mmおよび200 mmエピタキシャルウェーハ剤の角根RAはそれぞれ0.129 nmと0.113 nmであり、エピタキシャル層の表面は明らかなマクロステップ凝集フェノメノンなしで滑らかであり、エピタックス層全体が常に段階的な流れモードを維持することを示すことを示しています。滑らかな表面を持つエピタキシャル層は、最適化されたエピタキシャル成長プロセスを使用して、150 mmおよび200 mmの低角度基質で得られることがわかります。

3。結論

自己開発の200 mm SICエピタキシャル成長装置を使用して、150 mmおよび200 mm 4H-SICホモエピタキシャルウェーハを家庭基板上で正常に調製し、150 mmと200 mMに適したホモエピタキシャルプロセスを開発しました。エピタキシャル成長率は60μm/hを超える場合があります。高速エピタキシー要件を満たしている間、エピタキシャルウェーハの品質は優れています。 150 mmおよび200 mm SICエピタキシャルウェーハの厚さの均一性は1.5％以内で制御でき、濃度の均一性は3％未満、致命的な欠陥密度は0.3粒子/cm2未満であり、エピタキシャル表面粗さ根平均平方根RA​​は0.15 nm未満です。エピタキシャルウェーハのコアプロセスインジケーターは、業界の高度なレベルにあります。

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