8 인치 SIC 에피 택셜 퍼니스 및 동성애 과정 연구

현재 SIC 산업은 150mm (6 인치)에서 200mm (8 인치)로 전환되고 있습니다. 업계에서 대형 고품질 SIC 동종 동맥 내 웨이퍼에 대한 긴급한 수요를 충족시키기 위해 150mm 및 200mm 4H-Sic homoepitaxial wafers는 독립적으로 개발 된 200mm SIC 에피축 성장 장비를 사용하여 국내 기판에서 성공적으로 준비되었습니다. 150 mm 및 200 mm에 적합한 동종 동맥 택시 공정이 개발되었으며, 여기에서 에피 택셜 성장 속도는 60 μm/h보다 클 수 있습니다. 고속 에피 택시를 만나는 동안 에피 택셜 웨이퍼 품질은 우수합니다. 150 mm 및 200 mm sic 에피 탁스 웨이퍼의 두께 균일 성은 1.5%내에서 제어 될 수 있고, 농도 균일 성은 3%미만이고, 치명적 결함 밀도는 0.3 입자/cm2 미만이며, 에피 택셜 표면 거칠기 뿌리 평균 제곱 RA는 0.15 nm 미만이며 모든 코어 공정 지표는 산업의 진보적 수준에있다.

실리콘 카바이드 (SIC)는 3 세대 반도체 재료의 대표 중 하나입니다. 높은 파괴 전계 강도, 우수한 열전도율, 큰 전자 포화 드리프트 속도 및 강한 방사선 저항의 특성을 갖습니다. 전원 장치의 에너지 처리 용량을 크게 확장했으며 전력, 소량, 고온, 높은 방사선 및 기타 극한 조건을 갖춘 장치를위한 차세대 전력 전자 전자 장비의 서비스 요구 사항을 충족 할 수 있습니다. 공간을 줄이고 전력 소비를 줄이며 냉각 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 그것은 새로운 에너지 차량, 철도 운송, 스마트 그리드 및 기타 분야에 혁신적인 변화를 가져 왔습니다. 따라서, 실리콘 탄화물 반도체는 차세대 고전력 전력 전자 장치를 이끌어내는 이상적인 재료로 인식되었습니다. 최근에는 3 세대 반도체 산업의 개발에 대한 국가 정책 지원 덕분에 150mm SIC 장치 산업 시스템의 연구 개발 및 건설은 기본적으로 중국에서 완료되었으며 산업 체인의 보안은 기본적으로 보장되었습니다. 따라서 산업의 초점은 점차 비용 관리 및 효율성 개선으로 변화했습니다. 표 1에 도시 된 바와 같이, 150 mm와 비교하여, 200 mm SIC는 더 높은 에지 활용률을 가지며 단일 웨이퍼 칩의 출력은 약 1.8 배 증가 할 수있다. 기술이 성숙한 후 단일 칩의 제조 비용을 30%줄일 수 있습니다. 200mm의 기술 혁신은 "비용 절감 및 효율성 증가"의 직접적인 수단이며, 우리 국가의 반도체 산업이 "평행"또는 "리드"를 실행하는 핵심이기도합니다.

SI 장치 프로세스와 달리 SIC 반도체 전원 장치는 모두 초석으로 에피 택셜 층으로 처리되고 준비됩니다. 에피 택셜 웨이퍼는 SIC 전원 장치의 필수 기본 재료입니다. 에피 택셜 층의 품질은 장치의 수율을 직접 결정하며 비용은 칩 제조 비용의 20%를 차지합니다. 따라서, 에피 택셜 성장은 SIC 전원 장치의 필수 중간 링크입니다. 에피 택셜 공정 수준의 상한은 에피 택셜 장비에 의해 결정됩니다. 현재, 국내 150mm SIC 에피 택셜 장비의 국내화 정도는 상대적으로 높지만 200mm의 전체 레이아웃은 동시에 국제 수준보다 뒤떨어져 있습니다. 따라서, 국내 3 세대 반도체 산업의 개발을위한 대형 고품질 에피 택셜 재료 제조의 긴급한 요구와 병목 현상 문제를 해결하기 위해이 백서는 우리 나라에서 성공적으로 개발 된 200mm sic 에피 택셜 장비를 도입하고 상피 과정을 연구합니다. 공정 온도, 캐리어 가스 유속, C/SI 비율 등과 같은 공정 파라미터를 최적화함으로써, 농도 균일 성 <3%, 두께 비 불균형 <1.5%, 거칠기 RA <0.2 nm 및 치명적인 결함 밀도 <0.3 입자 150 mm 및 200 mm SIC 에스피스-웨이퍼가있는 200 mm Silicon Carbide Epitatial ilar ilar are are wital are with with wited. 장비 공정 수준은 고품질 SIC 전원 장치 준비의 요구를 충족시킬 수 있습니다.

1 실험

1.1 SIC 에피 택셜 프로세스의 원리

4H-Sic homoepitaxial 성장 공정은 주로 2 개의 주요 단계, 즉 4H-SIC 기판 및 균질 화학 증기 증착 공정의 고온 내 현장 에칭을 포함한다. 기판 내시 투 에칭의 주요 목적은 웨이퍼 연마, 잔류 연마 액체, 입자 및 산화물 층 후 기판의 지하 손상을 제거하는 것입니다. 그리고 정기적 인 원자 단계 구조는 에칭에 의해 기질 표면에 형성 될 수 있습니다. 현장 에칭은 일반적으로 수소 대기에서 수행됩니다. 실제 공정 요구 사항에 따르면, 클로라이드, 프로판, 에틸렌 또는 실란과 같은 소량의 보조 가스를 첨가 할 수도 있습니다. 현장 수소 에칭의 온도는 일반적으로 1 600 ℃ 이상이며, 반응 챔버의 압력은 일반적으로 에칭 공정 동안 2 × 104 PA 아래로 제어된다.

기질 표면이 현장 에칭에 의해 활성화 된 후, 이는 고온 화학 증기 증착 공정, 즉 성장원 (예 : 에틸렌/프로판, TCS/실란), 도핑 소스 (N- 형 도핑 소스 질소 T TMAL), P- 타입 도핑 소스 TMAL) 및 수소 가스와 같은 반응을 보인다. 가스 (보통 수소). 고온 반응 챔버에서 가스가 반응 한 후, 전구체의 일부는 웨이퍼 표면에 화학적으로 반응하고, 특정 도핑 농도, 특이 적 두께, 특이 적 두께, 및 더 높은 품질은 단일-결정 4H-Sic 기판을 사용하여 기판 표면에 형성된다. 수년간의 기술 탐사 후, 4H-SIC homoepitaxial 기술은 기본적으로 성숙되어 산업 생산에 널리 사용됩니다. 세계에서 가장 널리 사용되는 4H-Sic homoepitaxial 기술은 두 가지 전형적인 특성을 가지고 있습니다. (1) (<1001> 결정 방향에 대한 <11-20> 결정 방향을 향한) 비스듬한 컷 기판을 주형으로 사용하는 비열한 기질을 사용하여, 불순물의 형태에 대한 하위 조절기의 고급 단일 조절 4H-sic 에피 탁상 층으로서의 템플릿으로서의 비스듬한 컷 기판을 사용합니다. 초기 4H-Sic homoepitaxial 성장은 양성 결정 기질, 즉 성장을위한 <0001> si 평면을 사용 하였다. 양성 결정 기판 표면의 원자 계단의 밀도는 낮고 테라스는 넓습니다. 2 차원 핵 생성 성장은 에피 택시 과정에서 3C 결정 SIC (3C-SIC)를 형성하기 쉽다. 축 오프 축 절단, 고밀도, 좁은 테라스 너비 원자 계단은 4H-SIC <0001> 기판의 표면에 도입 될 수 있으며, 흡착 된 전구체는 표면 확산을 통해 상대적으로 낮은 표면 에너지로 원자체 단계 위치에 효과적으로 도달 할 수 있습니다. 단계에서, 전구체 원자/분자 그룹 결합 위치는 독특하므로, 단계 흐름 성장 모드에서, 에피 택셜 층은 기판의 SI-C 이중 원자 층 스태킹 서열을 완벽하게 상속하여 기판과 동일한 결정 위상을 갖는 단일 결정을 형성 할 수있다. (2) 염소 함유 실리콘 공급원을 도입함으로써 고속 에피 탁상 성장이 달성된다. 기존의 SIC 화학 증기 증착 시스템에서, 실란 및 프로판 (또는 에틸렌)이 주요 성장원이다. 실리콘 성분의 평형 부분 압력이 계속 증가함에 따라 성장원 유속을 증가시킴으로써 성장 속도를 증가시키는 과정에서, 균질 한 가스 상 핵 생성에 의해 실리콘 클러스터를 형성하기 쉽고, 이는 실리콘 공급원의 이용률을 크게 감소시킨다. 실리콘 클러스터의 형성은 에피 택셜 성장률의 개선을 크게 제한한다. 동시에, 실리콘 클러스터는 단계 흐름 성장을 방해하고 결함 핵 생성을 유발할 수 있습니다. 균질 가스 상 핵 생성을 피하고 에피 택시 성장 속도를 증가시키기 위해, 염소 기반 실리콘 공급원의 도입은 현재 4H-SIC의 에피축 성장 속도를 증가시키는 주류 방법이다.

1.2 200 mm (8 인치) sic 에피 택셜 장비 및 공정 조건

이 논문에 설명 된 실험은 모두 150/200mm (6/8 인치) 호환 모 놀 놀리 식 수평 핫 월 SIC 에피 택셜 장비 48 차 중국 전자 기술 연구소 (Institute of China Electronics Technology Group Corporation)에서 독립적으로 개발되었습니다. 에피 택셜 퍼니스는 완전 자동 웨이퍼 하중 및 언 로딩을 지원합니다. 그림 1은 에피 택셜 장비의 반응 챔버의 내부 구조에 대한 개략도입니다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 반응 챔버의 외벽은 수냉식 인터레이어를 갖는 석영 벨이며, 종의 내부는 열 절연 탄소 펠트, 고온 특수 흑연 공동, 흑연 가스 가스베이스 등으로 구성된 고온 반응 챔버이며, 전체 석영 종은 실린트 챔버로 덮여있다. 중간 주파수 유도 전원 공급 장치. 도 1 (b)에 도시 된 바와 같이, 캐리어 가스, 반응 가스 및 도핑 가스는 모두 반응 챔버의 상류에서 반응 챔버의 하류까지 수평 층류에서 웨이퍼 표면을 통과하고 꼬리 가스 말단으로부터 배출된다. 웨이퍼 내의 일관성을 보장하기 위해 공기 부유물베이스에 의해 운반되는 웨이퍼는 프로세스 중에 항상 회전됩니다.

실험에 사용 된 기판은 상업적인 150 mm, 200 mm (6 인치, 8 인치) <1120> 방향 4 ° 오프 앵글 전도성 N- 타입 N- 이중 측면 광택제 기판에 의해 생성 된 것입니다. 트리클로로 실란 (SIHCL3, TCS) 및 에틸렌 (C2H4)은 공정 실험에서 주요 성장원으로 사용되며, 그중 TCS 및 C2H4는 각각 실리콘 공급원 및 탄소 공급원으로 사용되며, 고급 질소 (N2)는 N- 타입 도핑원으로 사용되며, 수소 (H2)는 희석 기체로 사용됩니다. 에피 택셜 공정 온도 범위는 1 600 ~ 1 660 ℃이고, 공정 압력은 8 × 103 ~ 12 × 103 PA이고, H2 캐리어 가스 유량은 100 ℃ 140 L/분이다.

1.3 에피 택셜 웨이퍼 테스트 및 특성화

푸리에 적외선 분광계 (장비 제조업체 Thermalfisher, Model IS50) 및 수은 프로브 농도 테스터 (장비 제조업체 Semilab, Model 530L)를 사용하여 에피축 층 두께 및 도핑 농도의 평균 및 분포를 특성화했습니다. 에피 택셜 층에서 각 지점의 두께 및 도핑 농도는 5mm 가장자리 제거와 웨이퍼의 중심에서 45 °에서 메인 기준 가장자리의 정상 선을 교차하는 직경을 따라 지점을 취함으로써 결정되었다. 150mm 웨이퍼의 경우, 단일 직경 라인 (2 개의 직경은 서로 수직 인 경우)을 따라 9 점을 가져 왔고, 200mm 웨이퍼의 경우,도 2와 같이 21 점은 원자력 현미경 (장비 제조업체 Bruker, 모델 치수 아이콘)을 사용하여 중심 영역에서 30 × × 30 μM 영역 (5 MM 최종 영역)을 선택하여 사용되었다. 에피 택셜 층의 표면 거칠기; 에피 택셜 층의 결함은 특성화를 위해 표면 결함 테스터 (장비 제조업체 China Electronics Kefenghua, Model MARS 4410 Pro)를 사용하여 측정되었습니다.

2 실험 결과 및 토론

2.1 에피 택셜 층 두께 및 균일 성

에피 택셜 층 두께, 도핑 농도 및 균일 성은 에피 택셜 웨이퍼의 품질을 판단하기위한 핵심 지표 중 하나입니다. 정확하게 제어 가능한 두께, 웨이퍼 내의 도핑 농도 및 균일 성은 SIC 전력 장치의 성능 및 일관성을 보장하는 열쇠이며, 에피 택셜 층 두께 및 도핑 농도 균일 성도 에피 택셜 장비의 공정 능력을 측정하는 데 중요한 기초입니다.

그림 3은 150 mm 및 200 mm siC 에피 택셜 웨이퍼의 두께 균일 성 및 분포 곡선을 보여줍니다. 그림에서 에피 택셜 층 두께 분포 곡선이 웨이퍼의 중심점에 대해 대칭임을 알 수 있습니다. 에피 택셜 공정 시간은 600 초이고, 150 mm 에피 택셜 웨이퍼의 평균 에피 택셜 층 두께는 10.89 μm이고 두께 균일 성은 1.05%입니다. 계산에 의해, 에피축 성장률은 65.3 μm/h이며, 이는 전형적인 빠른 에피 택셜 공정 수준이다. 동일한 에피 택셜 공정 시간 하에서, 200 mm 에피 택셜 웨이퍼의 에피 택셜 층 두께는 10.10 μm이고, 두께 균일 성은 1.36%내이며, 전체 성장률은 60.60 μm/h이며, 이는 150 mm 에피축 성장률보다 약간 낮다. 이는 웨이퍼 표면을 통해 반응 챔버의 하류로 반응 챔버의 상류로부터 실리콘 공급원 및 탄소 공급원이 반응 챔버의 하류로 흐르고 200mm 웨이퍼 영역이 150mm보다 크기 때문에 명백한 손실이 있기 때문이다. 가스는 200mm 웨이퍼의 표면을 통해 더 먼 거리로 흐르고, 그 길을 따라 소비 된 소스 가스가 더 많습니다. 웨이퍼가 계속 회전하는 조건 하에서, 에피 택셜 층의 전체 두께가 더 얇아서 성장 속도가 느려집니다. 전반적으로, 150 mm 및 200 mm 에피 택셜 웨이퍼의 두께 균일 성은 우수하며 장비의 공정 기능은 고품질 장치의 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다.

2.2 에피 택셜 층 도핑 농도 및 균일 성

그림 4는 도핑 농도 균일 성 및 150mm 및 200mm SIC 에피 택셜 웨이퍼의 곡선 분포를 보여줍니다. 그림에서 볼 수있는 바와 같이, 에피 택셜 웨이퍼의 농도 분포 곡선은 웨이퍼의 중심에 비해 명백한 대칭을 갖는다. 150 mm 및 200 mm 에피 택셜 층의 도핑 농도 균일 성은 각각 2.80%와 2.66%이며, 이는 3% 내에 제어 될 수 있으며, 이는 국제적인 유사한 장비들 사이에서 우수한 수준이다. 에피 택셜 층의 도핑 농도 곡선은 직경 방향을 따라 "W"모양으로 분포되어 있으며, 수평 기류 에피축 성장 용광로의 공기 흐름 방향은 공기 입구 (위)에서 나오기 때문에 수평 기류 에피축 성장 가로의 공기 흐름 방향으로부터 주로 결정됩니다. 탄소 공급원 (C2H4)의 "고갈 고갈"속도는 실리콘 소스 (TCS)의 비율보다 높기 때문에, 웨이퍼가 회전 할 때, 웨이퍼 표면의 실제 C/SI는 Edge에서 중심으로 점차 감소합니다 (중심의 탄소 공급원은 중심의 경쟁 위치 이론”, C 및 N의 중심에 따라 점점 감소합니다. 탁월한 농도 균일 성을 얻기 위해, 에지 N2는 에피 탁상 공정 동안 보상으로 첨가되어 중심에서 가장자리까지 도핑 농도의 감소를 늦추어 최종 도핑 농도 곡선이 "W"형태를 나타냅니다.

2.3 에피 택셜 층 결함

두께 및 도핑 농도 외에도, 에피 택셜 층 결함 제어의 수준은 또한 에피 택셜 웨이퍼의 품질을 측정하고 에피축 장비의 공정 능력의 중요한 지표를 측정하기위한 핵심 매개 변수이다. SBD와 MOSFET은 결함에 대한 요구 사항이 다르지만, 드롭 결함, 삼각형 결함, 당근 결함 및 혜성 결함과 같은보다 명백한 표면 형태 결함은 SBD 및 MOSFET 장치의 킬러 결함으로 정의됩니다. 이러한 결함을 포함하는 칩의 고장 확률은 높기 때문에 칩 수확량을 개선하고 비용을 줄이기 위해서는 킬러 결함 수를 제어하는 ​​것이 매우 중요합니다. 그림 5는 150 mm 및 200 mm siC 에피 택셜 웨이퍼의 킬러 결함 분포를 보여줍니다. C/SI 비율에 명백한 불균형이 없다는 조건 하에서, 당근 결함 및 혜성 결함은 기본적으로 제거 될 수 있으며, 낙하 결함 및 삼각형 결함은 상피 장비의 작동 중 청정 제어, 반응 챔버의 흑연 부품의 불순물 수준 및 기질의 품질과 관련이있다. 표 2에서, 우리는 150 mm 및 200 mm 에피 택셜 웨이퍼의 치명적인 결함 밀도가 0.3 입자/cm2 내에서 제어 될 수 있으며, 이는 동일한 유형의 장비에 대한 우수한 수준임을 알 수있다. 150 mm 에피 덱스 웨이퍼의 치명적인 결함 밀도 제어 수준은 200 mm 에피 택셜 웨이퍼보다 우수합니다. 이는 150mm 기질 제조 공정이 200mm보다 더 성숙하기 때문에 기질 품질이 더 좋으며 150mm 흑연 반응 챔버의 불순물 제어 수준이 더 좋습니다.

2.4 에피 택셜 웨이퍼 표면 거칠기

그림 6은 150mm 및 200mm SIC 에피 택셜 웨이퍼 표면의 AFM 이미지를 보여줍니다. 그림에서 볼 수있는 바와 같이, 150 mm 및 200 mm 에피 택셜 웨이퍼의 표면 뿌리 평균 정사각형 거칠기 RA는 각각 0.129 nm 및 0.113 nm이며, 에피 택셜 층의 표면은 명백한 거시-단계 집계 현상이없고, 상장 층의 성장은 항상 전체적으로 유동성을 유지한다는 것을 나타내었다. 부드러운 표면을 갖는 에피 택셜 층은 최적화 된 에피축 성장 공정을 사용하여 150 mm 및 200 mm 저각 기판에서 얻을 수 있음을 알 수있다.

3. 결론

150 mm 및 200 mm 4H-sic homoepitaxial wafers는 자체 개발 된 200 mm siC 에피 택셜 성장 장비를 사용하여 국내 기판에서 성공적으로 준비되었고 150 mm 및 200 mm에 적합한 동종 동맥 과정이 개발되었습니다. 에피 택셜 성장률은 60 μm/h보다 클 수 있습니다. 고속 에피 택시 요구 사항을 충족하는 동안 에피 택셜 웨이퍼 품질은 우수합니다. 150 mm 및 200 mm siC 에피 탁스 웨이퍼의 두께 균일 성은 1.5%내에서 제어 될 수 있고, 농도 균일 성은 3%미만이고, 치명적 결함 밀도는 0.3 입자/cm2 미만이고, 에피 택션 표면 거칠기 뿌리 평균 제곱 RA는 0.15 nm 미만이다. 에피 택셜 웨이퍼의 핵심 프로세스 지표는 업계의 고급 수준에 있습니다.

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