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の研究

現在、SiC 業界は 150 mm (6 インチ) から 200 mm (8 インチ) への変革を進めています。業界の急務である大型高品質SiCホモエピタキシャルウェーハの需要に応えるため、独自に開発した200mm SiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上に150mmおよび200mmの4H-SiCホモエピタキシャルウェーハの作製に成功しました。 150 mm および 200 mm に適したホモエピタキシャル プロセスが開発され、エピタキシャル成長速度は 60 μm/h を超えることができます。高速エピタキシーに対応しながら、優れたエピタキシャルウェーハ品質を実現します。 150 mm および 200 mm の SiC エピタキシャル ウェーハの厚さ均一性は 1.5% 以内に制御でき、濃度均一性は 3% 未満、致命的欠陥密度は 0.3 粒子/cm2 未満、エピタキシャル表面粗さの二乗平均平方根 Ra は0.15 nm未満であり、すべてのコアプロセス指標は業界の高度なレベルにあります。

炭化ケイ素（SiC）は第3世代半導体材料の代表的なものの1つです。高い絶縁破壊電界強度、優れた熱伝導性、大きな電子飽和ドリフト速度、および強い放射線耐性という特徴を備えています。パワーデバイスのエネルギー処理能力を大幅に拡張し、高出力、小型、高温、高放射線、その他の極限条件のデバイスに対する次世代パワーエレクトロニクス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、冷却要件を削減できます。新エネルギー自動車、鉄道輸送、スマートグリッドなどの分野に革命的な変化をもたらした。したがって、炭化ケイ素半導体は、次世代の高出力パワーエレクトロニクスデバイスをリードする理想的な材料として認識されるようになりました。近年、第3世代半導体産業の発展に対する国家政策の支援のおかげで、中国では150mm SiCデバイス産業システムの研究開発と構築がほぼ完了しており、産業チェーンの安全性が高まっています。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改善に移ってきました。表1に示すように、200mm SiCは150mmに比べてエッジ利用率が高く、枚葉チップの生産量を約1.8倍に高めることができます。技術が成熟すると、単一チップの製造コストを 30% 削減できるようになります。 200mmという技術的ブレークスルーは「コスト削減と効率向上」の直接的な手段であり、我が国の半導体産業が「並走」、さらには「リード」するための鍵でもある。

Si デバイスのプロセスとは異なり、SiC 半導体パワーデバイスはすべてエピタキシャル層を基礎として処理および準備されます。エピタキシャルウエハはSiCパワーデバイスに欠かせない基礎材料です。エピタキシャル層の品質はデバイスの歩留まりを直接決定し、そのコストはチップ製造コストの20%を占めます。したがって、エピタキシャル成長は、SiC パワーデバイスにおける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まります。現在、国内の 150 mm SiC エピタキシャル装置の現地化度は比較的高いですが、同時に 200 mm の全体的なレイアウトは国際レベルに遅れています。したがって、国内の第3世代半導体産業の発展のための大型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問題を解決するために、本稿では、我が国で開発に成功した200 mm SiCエピタキシャル装置を紹介します。そしてエピタキシャル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比などのプロセスパラメータを最適化することにより、濃度均一性<3%、厚さ不均一性<1.5%、粗さRa<0.2nm、致命的欠陥密度<0.3粒子を実現自社開発の200 mm炭化ケイ素エピタキシャル炉を使用して、150 mmおよび200 mmのSiCエピタキシャルウェーハ/cm2が得られます。装置プロセスレベルは、高品質のSiCパワーデバイス準備のニーズを満たすことができます。

1 実験

1.1 SiCエピタキシャルプロセスの原理

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、すなわち4H-SiC基板の高温その場エッチングと均一化学気相成長プロセスが含まれます。基板in-situエッチングの主な目的は、ウェーハ研磨後の基板の表面下のダメージ、残留研磨液、パーティクル、酸化層を除去することであり、エッチングにより基板表面に規則的な原子ステップ構造を形成することができます。現場エッチングは通常、水素雰囲気中で実行されます。実際のプロセス要件に応じて、塩化水素、プロパン、エチレン、シランなどの少量の補助ガスを追加することもできます。その場水素エッチングの温度は一般に1600℃以上であり、エッチングプロセス中の反応チャンバの圧力は一般に2×104Pa以下に制御される。

基板表面がその場エッチングによって活性化された後、高温化学蒸着プロセスに入ります。つまり、成長ソース (エチレン/プロパン、TCS/シランなど)、ドーピング ソース (n 型ドーピング ソース窒素など) 、p型ドーピングソースTMAl）、および塩化水素などの補助ガスは、大流量のキャリアガス（通常は水素）を通じて反応チャンバーに輸送されます。高温の反応室内でガスが反応した後、前駆体の一部が化学反応してウェーハ表面に吸着し、特定のドーピング濃度、特定の厚さ、より高品質な単結晶の均質な4H-SiCエピタキシャル層が形成されます。単結晶4H-SiC基板をテンプレートとして基板表面に作製します。長年にわたる技術探求を経て、4H-SiC ホモエピタキシャル技術は基本的に成熟し、工業生産に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技術には、次の 2 つの典型的な特徴があります。 (1) オフアクシス (<0001> 結晶面に対して、<11-20> 結晶方向に向かって) 斜めカット基板を基板として使用します。テンプレートとして、不純物を含まない高純度単結晶4H-SiCエピタキシャル層をステップフロー成長モードで基板上に堆積します。初期の 4H-SiC ホモエピタキシャル成長では、成長に正の結晶基板、つまり <0001> Si 面が使用されました。正極結晶基板表面の原子ステップ密度は低く、テラスが広い。二次元核生成成長は、3C 結晶 SiC (3C-SiC) を形成するエピタキシー プロセス中に容易に発生します。オフアクシスカットにより、4H-SiC<0001>基板表面に高密度で狭いテラス幅の原子ステップを導入することができ、吸着した前駆体は表面拡散により比較的低い表面エネルギーで効果的に原子ステップ位置に到達することができます。 。ステップでは、前駆体原子/分子グループの結合位置が独特であるため、ステップフロー成長モードでは、エピタキシャル層は基板のSi-C二原子層積層順序を完全に継承して、同じ結晶を有する単結晶を形成できます。基板としての相。 （２）塩素を含むシリコンソースを導入することにより、高速エピタキシャル成長を実現する。従来の SiC 化学蒸着システムでは、シランとプロパン (またはエチレン) が主な成長源です。成長ソース流量を増加させて成長速度を高める過程では、シリコン成分の平衡分圧が増加し続けるため、均一気相核生成によりシリコンクラスターが形成されやすくなり、シリコンの利用率が大幅に低下します。シリコン源。シリコンクラスターの形成は、エピタキシャル成長速度の向上を大きく制限する。同時に、シリコンクラスターはステップフロー成長を妨げ、欠陥核生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、エピタキシャル成長速度を高めるために、塩素系シリコンソースの導入が現在 4H-SiC のエピタキシャル成長速度を高める主流の方法となっています。

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、中国電子技術集団公司第 48 研究所が独自に開発した 150/200 mm (6/8 インチ) 互換の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、完全自動のウェーハのロードおよびアンロードをサポートします。図１はエピタキシャル装置の反応室の内部構造の模式図である。図1に示すように、反応室の外壁は水冷中間層を備えた石英ベルであり、ベルの内部は高純度の断熱カーボンフェルトで構成される高温反応室です。石英ベル全体は円筒形の誘導コイルで覆われており、ベル内の反応室は中周波誘導電源により電磁加熱されます。図1(b)に示すように、キャリアガス、反応ガス、ドーピングガスはいずれも反応室の上流から反応室の下流に向かって水平層流となってウエハ表面を流れ、テールから排出されます。ガスエンド。ウエハ内の均一性を確保するため、エアフローティングベースで搬送されるウエハはプロセス中常に回転させられます。

実験に使用した基板は、山西酒科クリスタル製の市販の150mm、200mm（6インチ、8インチ）<1120>方向4°オフ角導電性n型4H-SiC両面研磨SiC基板である。プロセス実験では、トリクロロシラン (SiHCl3、TCS) とエチレン (C2H4) が主な成長源として使用され、そのうち TCS と C2H4 は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) は n-タイプのドーピングソースであり、希釈ガスとキャリアガスとして水素 (H2) が使用されます。エピタキシャルプロセスの温度範囲は1600〜1660℃、プロセス圧力は8×103〜12×103Pa、H2キャリアガス流量は100〜140L/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

フーリエ赤外分光計 (装置メーカー Thermalfisher、モデル iS50) および水銀プローブ濃度テスター (装置メーカー 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性評価しました。エピタキシャル層の各点の厚さとドーピング濃度は、5 mmのエッジ除去を行ったウェーハの中心で主基準エッジの法線と45°で交差する直径線に沿った点を取得することによって決定されました。図 2 に示すように、150 mm ウェーハの場合は 1 本の直径線 (2 つの直径は互いに直交) に沿って 9 点が取得され、200 mm ウェーハの場合は 21 点が取得されました。 原子間力顕微鏡 (装置メーカー) Bruker、モデル Dimension Icon) を使用して、エピタキシャル ウェーハの中心領域とエッジ領域 (5 mm エッジ除去) の 30 μm × 30 μm 領域を選択し、エピタキシャル層の表面粗さをテストしました。エピタキシャル層の欠陥は、特性評価のために表面欠陥検査装置（装置メーカー、チャイナ・エレクトロニクス・ケフェンファ、モデルMars 4410 pro）を使用して測定された。

2 実験結果と考察

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、ドーピング濃度および均一性は、エピタキシャルウェーハの品質を判断するための中心的な指標の 1 つです。正確に制御可能な厚さ、ウェーハ内のドーピング濃度、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準です。

図 3 は、150 mm および 200 mm の SiC エピタキシャル ウェーハの厚さの均一性と分布曲線を示しています。この図から、エピタキシャル層の厚さ分布曲線はウェーハの中心点に対して対称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秒であり、１５０ｍｍエピタキシャルウェーハの平均エピタキシャル層厚さは１０．８９μｍであり、厚さ均一性は１．０５％である。計算によると、エピタキシャル成長速度は 65.3 μm/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の下では、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、全体の成長速度は60.60μm/hで、150mmのエピタキシャル成長よりも若干低くなります。レート。これは、シリコンソースや炭素ソースが反応室の上流側からウェーハ表面を通って反応室の下流側に流れる際に明らかにロスがあり、ウェーハ面積が150mmよりも200mmの方が大きいためである。 200mmウエハの表面をガスが流れる距離は長くなり、途中で消費される原料ガスも多くなります。ウェーハが回転し続ける条件下では、エピタキシャル層全体の厚さが薄くなるため、成長速度が遅くなります。全体として、150 mm および 200 mm エピタキシャル ウェーハの厚さの均一性は優れており、装置のプロセス能力は高品質デバイスの要件を満たすことができます。

2.2 エピタキシャル層のドーピング濃度と均一性

図 4 は、150 mm および 200 mm の SiC エピタキシャル ウェーハのドーピング濃度の均一性と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上の濃度分布曲線はウェーハ中心に対して明らかな対称性を持っています。 150mmと200mmのエピタキシャル層のドーピング濃度均一性はそれぞれ2.80%と2.66%で、3%以内に制御可能であり、国際的な同様の装置の中で優れたレベルである。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」字型に分布します。これは主に横型ホットウォールエピタキシャル炉の流れ場によって決定されます。これは、横型気流エピタキシャル成長炉の気流方向が垂直方向であるためです。空気入口端（上流）から空気が流れ出し、ウェーハ表面を通る層流として下流端から流出します。炭素源 (C2H4) の「途中での消耗」速度はシリコン源 (TCS) の速度よりも高いため、ウェーハが回転すると、ウェーハ表面上の実際の C/Si はエッジから端に向かって徐々に減少します。中心（中心の炭素源が少ない）では、C と N の「競合位置理論」に従って、ウェーハの中心のドーピング濃度はエッジに向かって徐々に減少します。優れた濃度均一性を得るために、エピタキシャルプロセス中に補償としてエッジ N2 が追加され、中心からエッジへのドーピング濃度の減少が遅くなり、最終的なドーピング濃度曲線が「W」字型になります。

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もエピタキシャルウェーハの品質を測定するための中心的なパラメータであり、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 では欠陥に対する要件が異なりますが、ドロップ欠陥、三角形欠陥、キャロット欠陥、コメット欠陥などのより明白な表面形態欠陥は、SBD および MOSFET デバイスのキラー欠陥として定義されています。これらの欠陥を含むチップは故障する確率が高いため、キラー欠陥の数を制御することは、チップの歩留まりを向上させ、コストを削減するために非常に重要です。図5は、150mmおよび200mmの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条件下では、キャロット欠陥とコメット欠陥は基本的に除去できますが、ドロップ欠陥と三角欠陥はエピタキシャル装置の稼働中の清浄度管理、グラファイトの不純物レベルに関係します。反応チャンバー内の部品、および基板の品質。表2より、150mmおよび200mmエピタキシャルウェーハの致命的欠陥密度は0.3個/cm2以内に制御できており、同種の装置としては優れたレベルであることがわかります。 150mmエピタキシャルウェーハの致命欠陥密度制御レベルは200mmエピタキシャルウェーハより優れています。これは、150 mm の基板準備プロセスが 200 mm の基板準備プロセスよりも成熟しており、基板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が優れているためです。

2.4 エピタキシャルウェーハの表面粗さ

図 6 は、150 mm および 200 mm の 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、150 mm と 200 mm のエピタキシャル ウェーハの表面二乗平均平方根粗さ 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現象がなく滑らかです。エピタキシャル層の成長がエピタキシャルプロセス全体を通じて常にステップフロー成長モードを維持し、ステップ凝集が発生しないことを示します。最適化されたエピタキシャル成長プロセスを使用することにより、150 mmおよび200 mmのローアングル基板上に平滑な表面を有するエピタキシャル層が得られることが分かる。

3. 結論

自社開発の200mm SiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上に150mmおよび200mmの4H-SiCホモエピタキシャルウェーハの作製に成功し、150mmおよび200mmに適したホモエピタキシャルプロセスを開発した。エピタキシャル成長速度は 60 μm/h を超える場合があります。高速エピタキシーの要件を満たしながらも、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 の SiC エピタキシャル ウェーハの厚さ均一性は 1.5% 以内に制御でき、濃度均一性は 3% 未満、致命的欠陥密度は 0.3 粒子/cm2 未満、エピタキシャル表面粗さの二乗平均平方根 Ra は0.15nm未満。エピタキシャルウェーハのコアプロセス指標は業界最高レベルにあります。

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