현재 SiC 산업은 150mm(6인치)에서 200mm(8인치)로 변화하고 있습니다. 업계의 대형, 고품질 SiC 호모에피택셜 웨이퍼에 대한 긴급한 수요를 충족하기 위해 150mm 및 200mm4H-SiC 호모에피택셜 웨이퍼자체 개발한 200mm SiC 에피택셜 성장 장비를 이용해 국내 기판에 성공적으로 제조됐다. 150mm와 200mm에 적합한 호모에피택셜 공정이 개발되었으며, 이 공정에서는 에피택셜 성장 속도가 60um/h보다 클 수 있습니다. 고속 에피택시를 충족시키면서 에피택시 웨이퍼 품질이 우수합니다. 150mm와 200mm의 두께 균일성SiC 에피택셜 웨이퍼1.5% 이내로 제어할 수 있고 농도 균일성은 3% 미만이며 치명적인 결함 밀도는 0.3 입자/cm2 미만이며 에피택셜 표면 거칠기 평균 제곱근 Ra는 0.15nm 미만이며 모든 핵심 공정 지표는 다음과 같습니다. 업계의 고급 수준.
실리콘 카바이드(SiC)3세대 반도체 소재의 대표주자 중 하나이다. 이는 높은 항복 전계 강도, 우수한 열 전도성, 큰 전자 포화 드리프트 속도 및 강한 방사선 저항의 특성을 가지고 있습니다. 이는 전력 장치의 에너지 처리 용량을 크게 확장했으며 고전력, 소형, 고온, 고방사선 및 기타 극한 조건을 갖춘 장치에 대한 차세대 전력 전자 장비의 서비스 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 공간을 줄이고 전력 소비를 줄이며 냉각 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 이는 신에너지 차량, 철도 운송, 스마트 그리드 및 기타 분야에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 따라서 탄화규소 반도체는 차세대 고출력 전력전자소자를 선도할 이상적인 소재로 인식되고 있다. 최근 몇 년 동안 3세대 반도체 산업 발전을 위한 국가 정책 지원 덕분에 중국에서는 150mm SiC 소자 산업 시스템의 연구 개발 및 구축이 기본적으로 완료되었으며 산업 체인의 보안이 확보되었습니다. 기본적으로 보장됩니다. 따라서 업계의 초점은 점차 비용 관리와 효율성 향상으로 옮겨가고 있습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 150mm, 200mm SiC에 비해 엣지 활용률이 더 높으며 단일 웨이퍼 칩의 출력을 약 1.8배 늘릴 수 있습니다. 기술이 성숙되면 단일 칩의 제조 비용을 30%까지 줄일 수 있습니다. 200mm의 기술 혁신은 '비용 절감과 효율성 증대'의 직접적인 수단이자, 우리나라 반도체 산업이 '병행', 심지어 '선도'하는 관건이기도 하다.
Si 소자 공정과 다르게,SiC 반도체 전력 장치모두 가공되어 에피택셜 층을 초석으로 준비됩니다. 에피택셜 웨이퍼는 SiC 전력소자에 필수적인 기본 소재입니다. 에피택셜 레이어의 품질은 소자의 수율을 직접적으로 결정하며, 그 비용은 칩 제조 비용의 20%를 차지합니다. 따라서 에피택셜 성장은 SiC 전력 디바이스의 필수적인 중간 링크입니다. 에피택셜 공정 수준의 상한은 에피택셜 장비에 의해 결정됩니다. 현재 중국의 150mm SiC 에피텍셜 장비의 국산화 정도는 상대적으로 높지만 동시에 200mm의 전체 레이아웃은 국제 수준보다 뒤떨어져 있습니다. 따라서 국내 3세대 반도체산업 발전을 위한 대형, 고품질 에피택시재료 제조의 시급한 요구와 병목현상을 해결하기 위해 본 논문에서는 우리나라에서 성공적으로 개발한 200mm SiC 에피택셜 장비를 소개하고, 에피택셜 공정을 연구합니다. 공정 온도, 캐리어 가스 유량, C/Si 비율 등 공정 매개변수를 최적화하여 농도 균일성 <3%, 두께 불균일성 <1.5%, 거칠기 Ra <0.2 nm 및 치명적인 결함 밀도 <0.3 그레인 독립적으로 개발된 200mm 탄화규소 에피택셜 퍼니스를 사용하여 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 /cm2를 얻습니다. 장비 프로세스 수준은 고품질 SiC 전력 장치 준비 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
1개의 실험
1.1 원리SiC 에피텍셜프로세스
4H-SiC 균질에피택셜 성장 공정은 주로 4H-SiC 기판의 고온 현장 식각과 균일한 화학 기상 증착 공정이라는 두 가지 핵심 단계를 포함합니다. 기판 In-Situ 식각의 주요 목적은 웨이퍼 연마 후 기판의 표면 아래 손상, 잔류 연마액, 파티클 및 산화막을 제거하는 것이며, 식각을 통해 기판 표면에 규칙적인 원자 계단 구조를 형성할 수 있습니다. 현장 에칭은 일반적으로 수소 분위기에서 수행됩니다. 실제 공정 요구 사항에 따라 염화수소, 프로판, 에틸렌 또는 실란과 같은 소량의 보조 가스를 추가할 수도 있습니다. In-situ 수소 에칭의 온도는 일반적으로 1,600℃ 이상이며, 에칭 공정 동안 반응 챔버의 압력은 일반적으로 2×104 Pa 이하로 제어됩니다.
기판 표면이 현장 에칭에 의해 활성화된 후 고온 화학 기상 증착 공정, 즉 성장 소스(예: 에틸렌/프로판, TCS/실란), 도핑 소스(n형 도핑 소스 질소)로 들어갑니다. , p형 도핑 소스 TMAl) 및 염화수소와 같은 보조 가스는 대량의 캐리어 가스(보통 수소)를 통해 반응 챔버로 운반됩니다. 고온 반응 챔버에서 가스가 반응한 후, 전구체의 일부가 화학적으로 반응하여 웨이퍼 표면에 흡착되고, 특정 도핑 농도, 특정 두께, 더 높은 품질을 갖는 단결정 균질 4H-SiC 에피층이 형성됩니다. 단결정 4H-SiC 기판을 템플릿으로 사용하여 기판 표면에 수년간의 기술 탐구 끝에 4H-SiC 동종에피택셜 기술은 기본적으로 성숙해 산업 생산에 널리 사용됩니다. 세계에서 가장 널리 사용되는 4H-SiC 호모에피택셜 기술은 두 가지 일반적인 특성을 가지고 있습니다.
(1) Off-axis(<0001> 결정면을 기준으로 <11-20> 결정 방향 방향) 경사 절단 기판을 주형으로 하여 불순물이 없는 고순도 단결정 4H-SiC 에피층을 형성한다. 계단식 성장 모드의 형태로 기판에 증착됩니다. 초기 4H-SiC 호모에피텍셜 성장은 성장을 위해 양극 결정 기판, 즉 <0001> Si 평면을 사용했습니다. 양극 결정 기판 표면의 원자 단차 밀도가 낮고 테라스가 넓습니다. 3C 결정 SiC(3C-SiC)를 형성하기 위한 에피택시 공정 중에 2차원 핵생성 성장이 일어나기 쉽습니다. Off-axis 절단을 통해 4H-SiC <0001> 기판 표면에 고밀도, 좁은 테라스 폭의 원자 계단을 도입할 수 있으며, 흡착된 전구체는 표면 확산을 통해 상대적으로 낮은 표면 에너지로 원자 계단 위치에 효과적으로 도달할 수 있습니다. . 단계에서는 전구체 원자/분자단 결합 위치가 독특하므로 단계 흐름 성장 모드에서 에피택시층은 기판의 Si-C 이중 원자층 적층 순서를 완벽하게 상속하여 동일한 결정으로 단결정을 형성할 수 있습니다. 기판으로서의 위상.
(2) 염소 함유 실리콘 소스를 도입하여 고속 에피택셜 성장이 달성됩니다. 기존 SiC 화학 기상 증착 시스템에서는 실란과 프로판(또는 에틸렌)이 주요 성장원입니다. 성장원 유량을 증가시켜 성장속도를 높이는 과정에서 실리콘 성분의 평형분압이 지속적으로 증가함에 따라 균질한 기상 핵형성에 의해 실리콘 클러스터가 형성되기 쉬워지므로 이용률이 크게 감소한다. 실리콘 소스. 실리콘 클러스터의 형성은 에피택셜 성장 속도의 향상을 크게 제한합니다. 동시에 실리콘 클러스터는 단계 흐름 성장을 방해하고 결함 핵 생성을 유발할 수 있습니다. 균질한 기상 핵생성을 방지하고 에피택셜 성장 속도를 높이기 위해 염소 기반 실리콘 소스를 도입하는 것이 현재 4H-SiC의 에피택셜 성장 속도를 높이는 주류 방법입니다.
1.2 200mm(8인치) SiC 에피텍셜 장비 및 공정 조건
본 문서에 설명된 실험은 모두 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation에서 독립적으로 개발한 150/200mm(6/8인치) 호환 모놀리식 수평 열벽 SiC 에피택셜 장비에서 수행되었습니다. 에피택셜로는 전자동 웨이퍼 로딩 및 언로딩을 지원합니다. 그림 1은 에피택셜 장비의 반응 챔버 내부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 그림 1에서 보는 바와 같이, 반응실 외벽은 수냉식 중간층을 갖는 석영 벨로 되어 있고, 벨 내부는 고순도의 단열 카본펠트로 구성된 고온 반응실로 이루어져 있다. 특수 흑연 캐비티, 흑연 가스 부유 회전 베이스 등 전체 석영 벨은 원통형 유도 코일로 덮여 있으며 벨 내부의 반응 챔버는 중주파 유도 전원 공급 장치에 의해 전자기적으로 가열됩니다. 그림 1(b)에 도시된 바와 같이, 캐리어 가스, 반응 가스, 도핑 가스는 모두 반응 챔버의 상류에서 반응 챔버의 하류로 수평 층류로 웨이퍼 표면을 통과하여 흐르며 테일에서 배출됩니다. 가스 끝. 웨이퍼 내의 일관성을 보장하기 위해 공기 플로팅 베이스에 의해 운반되는 웨이퍼는 공정 중에 항상 회전됩니다.
실험에 사용된 기판은 Shanxi Shuoke Crystal에서 생산한 상업용 150mm, 200mm(6인치, 8인치) <1120> 방향 4°오프각 전도성 n형 4H-SiC 양면 연마 SiC 기판입니다. 공정실험에서는 삼염화실란(SiHCl3, TCS)과 에틸렌(C2H4)을 주요 성장원으로 사용하였으며, 그 중 TCS와 C2H4는 각각 실리콘원과 탄소원으로 사용하였고, 고순도 질소(N2)는 n-원으로 사용하였다. 유형의 도핑 소스이며 수소(H2)가 희석 가스 및 캐리어 가스로 사용됩니다. 에피텍셜 공정의 온도 범위는 1 600 ~1 660 ℃, 공정 압력은 8×103 ~12×103 Pa, H2 운반 가스 유량은 100 ~ 140 L/min입니다.
1.3 에피택셜 웨이퍼 테스트 및 특성화
푸리에 적외선 분광기(장비 제조업체 Thermalfisher, 모델 iS50) 및 수은 프로브 농도 테스터(장비 제조업체 Semilab, 모델 530L)를 사용하여 에피택셜 층 두께와 도핑 농도의 평균 및 분포를 특성화했습니다. 에피택셜 층의 각 지점의 두께 및 도핑 농도는 5mm 가장자리 제거를 통해 웨이퍼 중심에서 45°에서 주 기준 가장자리의 법선과 교차하는 직경선을 따라 점을 취하여 결정되었습니다. 150mm 웨이퍼의 경우 그림 2와 같이 단일 직경 선을 따라 9개 지점을 채취하고(두 직경은 서로 수직임), 200mm 웨이퍼의 경우 21개 지점을 채취했습니다. 원자력현미경(장비 제조사 Bruker, 모델 Dimension Icon)을 사용하여 에피택셜 웨이퍼의 중앙 영역과 가장자리 영역(5mm 가장자리 제거)에서 30μm×30μm 영역을 선택하여 에피택셜 표면 거칠기를 테스트했습니다. 층; 에피택셜 층의 결함은 표면 결함 테스터(장비 제조업체인 China Electronics)를 사용하여 측정되었습니다. 3D 이미저는 Kefenghua의 레이더 센서(모델 Mars 4410 pro)를 사용하여 특성화되었습니다.
게시 시간: 2024년 9월 4일