為世界上第一條 200mm 碳化硅中試線鋪平道路
為世界上第一條 200mm 碳化硅中試線鋪平道路
來源： 碳化硅SiC半導(dǎo)體材料
摘要
近年來，基于碳化硅(SiC)的電力電子行業(yè)迅速擴(kuò)張，但供應(yīng)商正在努力滿足市場對最終設(shè)備和起始原材料的需求，如今這些原材料由直徑為 150 毫米（6 英寸）的 SiC 晶片組成。為此，碳化硅電力電子領(lǐng)域的頂級工業(yè)企業(yè)開始著手開發(fā)直徑為 200 毫米（8 英寸）的下一代晶圓。這項(xiàng)工作描述了最近在實(shí)施世界上第一條生產(chǎn)基于 200 毫米 SiC 晶片的功率器件的工業(yè)中試線方面取得的成果。特別是 200 mm SiC 晶錠的晶體生長、晶片的切片和拋光、外延層的沉積，并介紹了試點(diǎn)線路中的第一個(gè)測試。
1 . 引言
在過去的十年中，碳化硅(SiC) 已經(jīng)從具有高潛力但存在可靠性問題的寬帶隙半導(dǎo)體發(fā)展成為電力電子領(lǐng)域中不可或缺的首選材料 [ 1 , 2 ]。過去幾年主要受電動(dòng)汽車普及帶動(dòng)的 SiC 功率器件市場的擴(kuò)張速度如此之快，以至于許多供應(yīng)商都在努力滿足對 SiC 功率器件的需求 [ 3 , 4 ]，到目前為止，直徑為 150 毫米（6 英寸）的晶圓。作為下一步打算，幾家公司不僅通過投資 150 毫米晶圓廠來擴(kuò)大其生產(chǎn)能力，而且還開始開發(fā)直徑為 200 毫米（8 英寸）的下一代 SiC 晶圓 [ 5 ]。事實(shí)上，晶圓直徑增加 50 毫米對應(yīng)于 78% 的面積增大，因此，相同數(shù)量的每個(gè)晶圓的器件數(shù)量可能會(huì)增加。200 毫米 SiC 晶片的首次演示報(bào)告于 2015 年 [ 6 , 7 ]，但晶體質(zhì)量仍然比 150 毫米對應(yīng)物差很多。在生產(chǎn)線上實(shí)際應(yīng)用 200 mm SiC 晶片的時(shí)機(jī)尚未成熟。
2018年，一個(gè)名為REACTION（歐洲碳化硅八英寸試驗(yàn)線）的歐洲項(xiàng)目獲得資助，旨在開發(fā)世界上第一條用于生產(chǎn)功率器件的200毫米碳化硅試驗(yàn)線設(shè)施[ [8]、[9]、[10]]。來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的 27 個(gè)合作伙伴加入了該項(xiàng)目。不同合作伙伴一致認(rèn)為，200mm SiC晶圓的發(fā)展必須達(dá)到兩大里程碑，主要與材料的晶體質(zhì)量有關(guān)：機(jī)械化學(xué)拋光晶圓和高質(zhì)量晶圓。機(jī)械級晶圓的目的是支持與 200 毫米晶圓尺寸兼容的新生長反應(yīng)器的開發(fā)，優(yōu)化切片和拋光步驟，并測試中試生產(chǎn)線中不同生產(chǎn)工具的處理能力。出于這個(gè)原因，從晶體質(zhì)量的角度來看，這些樣品并不意味著可以與最先進(jìn)的 150 毫米晶片相媲美。另一方面，在這項(xiàng)工作中，我們概述了該聯(lián)盟為生產(chǎn)機(jī)械和開發(fā)級別的 200 毫米 SiC 晶片以及建立試生產(chǎn)線而執(zhí)行的早期開發(fā)步驟。特別介紹了 200 mm SiC 晶錠的晶體生長、晶片的切片和拋光、外延層的沉積以及中試生產(chǎn)線的首次測試。
2 . 200 mm 4H-SiC 晶錠的晶體生長
本工作中介紹的機(jī)械和開發(fā)級 200 mm 4H-SiC 晶片由 II-VI Incorporated 制造。所述的SiC晶錠使用與專有的反應(yīng)器設(shè)計(jì)[物理氣相傳輸（PVT）法生長11 ]。圖 1顯示了與本工作中使用的系統(tǒng)相似但不完全相同的通用 PVT 系統(tǒng)的示意圖。反應(yīng)器的核心是石墨坩堝，里面裝有高純度的碳化硅粉末和晶種。坩堝被感應(yīng)加熱到 2000 °C 以上的溫度。在如此高的溫度下，SiC 粉末升華，產(chǎn)生的蒸汽通過熱梯度傳輸在坩堝內(nèi)朝著單晶 SiC 晶種生長。晶種晶片作為進(jìn)入蒸汽的成核中心，也用于
圖1。用于SiC晶錠晶體生長的典型 PVD 反應(yīng)器的示意圖。
大量的生長實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，致力于支持 REACTION 項(xiàng)目的 200 毫米沉底的開發(fā)。由于晶種的直徑和質(zhì)量對晶片質(zhì)量至關(guān)重要，因此大部分生長實(shí)驗(yàn)都集中在將高質(zhì)量晶種擴(kuò)展到大于 200 毫米的直徑。
3 . 使用 SiC 晶錠制造 200 mm 外延晶圓
一旦SiC晶錠生長出來，就必須從它上切下晶片。制造過程的這一部分絕不是微不足道的，并且在產(chǎn)品的最終質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用。事實(shí)上，晶圓切片的幾個(gè)方面至關(guān)重要，例如晶體取向、產(chǎn)量最大化、材料損失和加工成本最小化、實(shí)現(xiàn)低缺陷表面等 。涉及不同的工藝工具，其中一些必須重新設(shè)計(jì)才能與 200 毫米晶圓一起使用。所有涉及的工具都需要對工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以確保從 150 毫米尺寸變?yōu)?200 毫米尺寸時(shí)具有良好的最終質(zhì)量和產(chǎn)量。將生長的晶錠磨成 200 毫米直徑，并通過多線鋸成功切片。對所得原始晶片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光，以獲得標(biāo)稱厚度為 500 μm 的低粗糙度、外延就緒晶片。
已向項(xiàng)目合作伙伴交付了 50 多個(gè)直徑為 200 毫米的單晶襯底。從形態(tài)學(xué)和電學(xué)角度對襯底進(jìn)行表征。通過 FlatMaster 200 測量的交付晶圓的平均厚度為 500.8 μm，這表明切片工藝提供了良好的晶圓到晶圓再現(xiàn)性。發(fā)現(xiàn)平均總晶片內(nèi)厚度變化 (TTV) 約為 5.9 μm。交付晶圓的平均翹曲為 46 μm；雖然這個(gè)值還有待改善，但它應(yīng)該已經(jīng)能夠使用中試線的制造工具。通過非接觸式映射系統(tǒng) LEI 1510 測量的晶片電阻率在交付的樣品中具有 22.8 mΩ?cm 的平均值，晶片內(nèi)的變化小于 3%。該電阻率值正好在 15-25 mΩ?cm 的目標(biāo)范圍內(nèi)。
為了量化基板中的晶體缺陷分布，使用熔融 KOH 浴進(jìn)行選擇性蝕刻[ 13 ]。所采用的 KOH 溶液在螺紋刃位錯(cuò)(TED) 和螺紋螺型位錯(cuò)(TSD)方面比常規(guī) KOH 浴更具選擇性。事實(shí)上，TSD 的蝕刻速率高于 TED，導(dǎo)致 TSD 的蝕刻坑比 TED 更大，這可以根據(jù)顯微鏡圖像輕松區(qū)分。螺紋混合位錯(cuò) (TMD) 將被視為 TSD，而基面位錯(cuò)密度(BPD) 很容易被識別。通過自動(dòng) Sica 系統(tǒng)對選擇性蝕刻產(chǎn)生的表面特征進(jìn)行分析。
圖 2顯示了總?cè)毕菝芏?DD)、BPD 和 TSD 晶片圖，通過對來自兩個(gè)不同生長運(yùn)行的晶片進(jìn)行選擇性蝕刻獲得。特別是，圖 2 (a)–(c) 中的圖是指在 200 mm 晶圓開發(fā)的早期階段生產(chǎn)的晶圓（以下稱為樣品 A），而圖 2 (d)–(f)中的圖) 是在使用改進(jìn)的生長工藝生長的晶片上獲得的（以下稱為樣品 B）。樣品 A 的總 DD 的平均值大約為 11,000 cm -2，晶片內(nèi)的 BPD 變化很大，如圖2 (b) 所示。樣品 A 的平均位錯(cuò)密度為 11,256 cm -2、1807 cm -2和 3739 cm-2 分別表示 DD、BPD 和 TSD。相比之下，樣品 B 的總 DD 小于 4000 cm -2，即幾乎比樣品 A 低三倍。樣品 B 的平均位錯(cuò)密度為 3885 cm -2、951 cm -2和 716 cm - 2為DD，BPD和TSD，分別。與樣品A相比，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)；樣品 B 的 DD 改進(jìn)歸因于更好的晶種晶體質(zhì)量和優(yōu)化的生長參數(shù)。這對于未來高質(zhì)量 200 mm SiC 晶片的發(fā)展來說是一個(gè)很有希望的結(jié)果。值得注意的是在 0.25 cm -2的晶片上測得的平均微管密度低于 0.5 cm -2的目標(biāo)并且已經(jīng)非常接近商用 150 mm SiC n 型襯底的當(dāng)前值，即<1 cm -2。
圖2。從樣品 A (a)–(c) 和樣品 B (d)–(f) 的選擇性濕蝕刻測試中獲得的DD 、BPD和TSD 的晶圓圖。
4 . 生產(chǎn)工具的初步處理和兼容性測試
II-VI Incorporated 生產(chǎn)的部分機(jī)械級晶圓被送往意法半導(dǎo)體 (STM)，使用 200 毫米SiC 中試線的工業(yè)生產(chǎn)工具進(jìn)行處理和兼容性測試。事實(shí)上，晶圓的厚度和電阻率波動(dòng)、彎曲、邊緣碎裂和表面缺陷等特征會(huì)嚴(yán)重影響甚至損壞生產(chǎn)線上的一些工具。因此，必須進(jìn)行初步的兼容性測試。
值得注意的是，STM 能夠在功率器件生產(chǎn)所需的主要工具內(nèi)處理 200 毫米 SiC 晶片，例如自動(dòng)檢測工具、光刻步進(jìn)機(jī)、注入機(jī)、用于熱處理和氧化物生長的烤箱、用于沉積電介質(zhì)和金屬薄膜、濕法蝕刻臺(tái)、洗滌器等。這些測試的成功確實(shí)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)試驗(yàn)線的基本步驟，這需要 STM 方面的大量經(jīng)濟(jì)和技術(shù)投資。
第一批晶圓在邊緣處顯示出很少的小芯片，這導(dǎo)致了工具內(nèi)的對齊問題。II-VI Incorporated 解決并迅速解決了邊緣芯片的形成問題。圖 3顯示了在 STM 生產(chǎn)線上對 200 毫米 SiC 晶片進(jìn)行的缺陷圖和自動(dòng)電子顯微鏡檢查的示例。在基材表面發(fā)現(xiàn)了一些缺陷，主要是劃痕和凹坑。缺陷的類型和位置表明晶片制造過程中的切片和拋光步驟需要進(jìn)一步優(yōu)化。
圖3。(A) 使用 Altair 系統(tǒng)獲得的 200 毫米機(jī)械級晶圓的典型缺陷圖和 (b)在 STM 試驗(yàn)線中執(zhí)行的相應(yīng)自動(dòng)電子顯微鏡檢查。左上角的前五幅圖像是與晶體缺陷相關(guān)的凹坑，而其他四幅圖像則顯示了可能由切片和拋光步驟引起的劃痕。
5 . 在 200 mm SiC 晶片上生長 4H-SiC 外延層
為了進(jìn)一步改善晶體質(zhì)量和用于前端工藝制備晶片，在晶片的化學(xué)-機(jī)械拋光的側(cè)通常被沉積的外延層的碳化硅。在 REACTION 項(xiàng)目的框架內(nèi)，LPE Spa 負(fù)責(zé)開發(fā)一種新的化學(xué)氣相 (CVD) 反應(yīng)器，用于在 200 毫米晶圓上生長 SiC 外延層。
在 200 毫米晶圓上開發(fā) SiC 外延層由 LPE Spa 在其位于卡塔尼亞的實(shí)驗(yàn)室開始，使用原型 CVD 反應(yīng)器不控制晶圓旋轉(zhuǎn)并配備單區(qū)氣體注入系統(tǒng)。第一個(gè)原型將在 REACTION 項(xiàng)目期間得到改進(jìn)，上述功能將包含在反應(yīng)器的最終版本中。
n 型 4H-SiC 外延層的生長是在 1600 °C 以上的溫度下進(jìn)行的，使用三氯硅烷 (SiHCl 3 ) 和乙烯 (C 2 H 4 ) 作為前驅(qū)體 [ 14 ]，氮作為 n 型摻雜氣體。以這種方式實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 30 μm/h 的生長速度。產(chǎn)生標(biāo)稱厚度為6.5μm且施主摻雜濃度為9.5×10 15 cm -3的外延層。生長后，沉積的外延層的厚度通過紅外快速傅里葉變換光譜 (FTIR) 測量，而摻雜濃度則通過汞探針獲得的電容測量值估算。
圖 4 (a) 顯示了通過原型 CVD 反應(yīng)器沉積在 200 毫米機(jī)械級 SiC 晶片上的外延層的典型厚度圖。晶圓厚度的平均值為 6.44 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.05 μm。晶片厚度均勻性，評估為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值之間的比率，為 0.8%。觀察到外延層厚度從中心到邊緣略微徑向增加，小于 0.2 μm；厚度圖的不對稱性主要是由于原型反應(yīng)器中的單區(qū)氣體注入。圖 4 (b) 顯示了由 LPE Spa 在商用 150 mm SiC 晶片上通過標(biāo)準(zhǔn) CVD 反應(yīng)器沉積的外延層厚度圖 [ 15]]。晶圓厚度的平均值為 10.45 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.04 μm。在這種情況下，晶片厚度均勻度為 0.4%，因此，非常接近使用原型反應(yīng)器在 200 毫米晶片上獲得的值。
圖 4。(a) 200 mm 機(jī)械級SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型厚度圖。
圖5（a）和（b）顯示了對應(yīng)于圖4中已經(jīng)呈現(xiàn)的外延層的摻雜圖，分別生長在（a）200mm SiC晶片和（b）150mm SiC商業(yè)晶片上。200mm晶圓的平均摻雜值為9.54×10 15 cm -3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.53×10 15 cm -3，晶圓摻雜均勻度為5.6%。
另一方面，商用 150 mm 晶圓的平均摻雜值為 11.9 × 10 15 cm -3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.14 × 10 15 cm -3，以及 1.1% 的晶圓摻雜均勻度。盡管機(jī)械級 200 毫米晶圓已經(jīng)顯示出良好的厚度和摻雜分布，但使用更先進(jìn)的 200 毫米外延反應(yīng)器最終版本，摻雜的晶圓均勻性將得到改善。
圖 5。(a) 200 mm 機(jī)械級SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型摻雜圖。
6 . 總結(jié)
這項(xiàng)工作概述了最近在 REACTION 項(xiàng)目框架內(nèi)獲得的基于 200 毫米SiC晶片的世界上第一條工業(yè)試驗(yàn)線的實(shí)施取得的成就。回顧了用于 200 毫米 SiC 晶錠晶體生長的新型 PVD 反應(yīng)器的開發(fā)，并描述了將晶錠切成外延就緒晶片的步驟。通過使用熔融 KOH 進(jìn)行選擇性蝕刻來評估由早期生長運(yùn)行產(chǎn)生的晶片的晶體質(zhì)量。測量證明，襯底的晶體質(zhì)量超過了項(xiàng)目最初為初步開發(fā)階段設(shè)定的要求，并且在微管密度方面甚至非常接近商用 150 mm SiC n 型襯底的當(dāng)前值.
此外，還描述了使用原型 CVD 系統(tǒng)在 200 毫米晶圓上沉積 SiC 外延層，并介紹了沉積在機(jī)械級晶圓上的薄膜的主要特征。測量結(jié)果表明，外延層厚度在 200 毫米晶圓的整個(gè)表面上非常均勻，與在 150 毫米商用晶圓上獲得的均勻性相似。摻雜均勻性也相當(dāng)不錯(cuò)，但仍與通常在 150 毫米對應(yīng)物中獲得的一致。此外，試生產(chǎn)線的許多生產(chǎn)工具都使用機(jī)械級晶圓進(jìn)行了測試，并成功證明了它們與 200 mm SiC 的兼容性?？傊?，這項(xiàng)工作朝著在 200 mm SiC 晶片上制造下一代功率器件邁出了重要的一步。
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