現在、SiC業界は150mm（6インチ）から200mm（8インチ）へと移行している。業界における大型で高品質なSiCホモエピタキシャルウェハーの緊急需要を満たすため、150mmと200mmのサイズが採用されている。4H-SiCホモエピタキシャルウェーハ独自開発の200mm SiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上に作製に成功した。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、エピタキシャル成長速度は60μm/h以上を実現した。高速エピタキシーを実現しながら、エピタキシャルウェハの品質は優れている。150mmおよび200mmの膜厚均一性も良好である。SiCエピタキシャルウェーハ濃度は1.5%以内に制御可能であり、濃度均一性は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の二乗平均平方根Raは0.15nm未満であり、すべてのコアプロセス指標は業界の先進レベルにあります。
炭化ケイ素（SiC）炭化ケイ素は、第三世代半導体材料の代表例の一つです。高い絶縁破壊電界強度、優れた熱伝導率、大きな電子飽和ドリフト速度、そして強い耐放射線性といった特性を持ち、電力デバイスのエネルギー処理能力を大幅に向上させ、高出力、小型、高温、高放射線などの極限条件下における次世代電力電子機器のサービス要件を満たすことができます。これにより、スペースの削減、消費電力の削減、冷却要件の低減が可能になります。新エネルギー車、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ました。そのため、炭化ケイ素半導体は、次世代高出力電力電子機器を牽引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、第三世代半導体産業の発展に対する国家政策の支援により、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、産業チェーンの安定性がほぼ確保されています。そのため、業界の焦点は徐々にコスト管理と効率改善へと移っています。表1に示すように、150mmウェハと比較して、200mm SiCウェハはエッジ利用率が高く、単一ウェハチップの生産量は約1.8倍に増加します。技術が成熟すれば、単一チップの製造コストを30%削減できます。200mmウェハの技術革新は、「コスト削減と効率向上」を直接的に実現する手段であり、我が国の半導体産業が「並行」あるいは「リード」するための鍵となります。
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すべてエピタキシャル層を基盤として処理および準備されます。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段階です。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、中国における150mm SiCエピタキシャル装置の国産化率は比較的高いものの、200mmの全体的な配置は国際レベルに遅れています。したがって、国内第3世代半導体産業の発展のための大型で高品質な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200mm SiCエピタキシャル装置を紹介し、エピタキシャルプロセスを研究します。独自開発の200 mm炭化ケイ素エピタキシャル炉を用いて、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、150 mmおよび200 mmのSiCエピタキシャルウェハにおいて、濃度均一性<3%、膜厚不均一性<1.5%、表面粗さRa<0.2 nm、致命的欠陥密度<0.3グレイン/cm2を達成しました。この装置のプロセスレベルは、高品質SiCパワーデバイスの製造ニーズを満たすことができます。
1 実験
1.1 原則SiCエピタキシャルプロセス
4H-SiCホモエピタキシャル成長プロセスは、主に4H-SiC基板の高温インサイチュエッチングと均一化学気相成長プロセスの2つの重要なステップから構成されます。基板インサイチュ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損傷、残留研磨液、粒子、および酸化膜を除去することであり、エッチングによって基板表面に規則的な原子ステップ構造を形成できます。インサイチュエッチングは通常、水素雰囲気中で行われます。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、またはシランなどの補助ガスを少量添加することもできます。インサイチュ水素エッチングの温度は一般的に1600℃以上であり、反応チャンバーの圧力はエッチングプロセス中に一般的に2×10⁴ Pa以下に制御されます。
基板表面をその場エッチングで活性化した後、高温化学気相成長プロセスに入ります。すなわち、成長源（エチレン/プロパン、TCS/シランなど）、ドーピング源（n型ドーピング源窒素、p型ドーピング源TMAlなど）、および塩化水素などの補助ガスが、大量のキャリアガス（通常は水素）によって反応室に輸送されます。高温反応室でガスが反応した後、前駆体の一部が化学反応を起こしてウェーハ表面に吸着し、単結晶4H-SiC基板をテンプレートとして使用して、特定のドーピング濃度、特定の厚さ、およびより高い品質の単結晶均質4H-SiCエピタキシャル層が基板表面に形成されます。長年の技術開発を経て、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技術には、次の2つの典型的な特徴があります。
（１）<0001>結晶面に対して<11-20>結晶方向に向かって斜めにカットした基板をテンプレートとして用い、ステップフロー成長モードで、不純物のない高純度単結晶4H-SiCエピタキシャル層を基板上に堆積させる。初期の4H-SiCホモエピタキシャル成長では、正結晶基板、すなわち<0001> Si面を成長面として用いていた。正結晶基板の表面の原子ステップ密度は低く、テラス幅は広い。エピタキシャル成長プロセス中に二次元核生成成長が起こりやすく、3C結晶SiC（3C-SiC）が形成される。オフアクシスカットにより、4H-SiC <0001>基板の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って比較的低い表面エネルギーの原子ステップ位置に効果的に到達することができる。ステップでは、前駆体原子／分子群の結合位置が一意であるため、ステップフロー成長モードでは、エピタキシャル層は基板のSi-C二重原子層の積層順序を完全に継承し、基板と同じ結晶相を持つ単結晶を形成することができる。
（２）塩素含有シリコン源を導入することで高速エピタキシャル成長が実現する。従来のSiC化学気相成長システムでは、シランとプロパン（またはエチレン）が主な成長源である。成長源流量を増加させて成長速度を上げる過程で、シリコン成分の平衡分圧が上昇し続けると、均一気相核生成によってシリコンクラスターが形成されやすくなり、シリコン源の利用率が大幅に低下する。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阻害し、欠陥核生成を引き起こす可能性がある。均一気相核生成を回避し、エピタキシャル成長速度を上げるために、塩素系シリコン源の導入が現在、4H-SiCのエピタキシャル成長速度を上げる主流の方法となっている。
1.2 200 mm (8インチ) SiCエピタキシャル装置およびプロセス条件
本論文で説明する実験はすべて、中国電子科技集団公司第48研究所が独自に開発した150/200 mm (6/8インチ) 対応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、ウェーハの完全自動ローディングとアンローディングをサポートしています。図1は、エピタキシャル装置の反応室の内部構造の概略図です。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、断熱カーボンフェルト、高純度特殊グラファイト空洞、グラファイトガス浮遊回転ベースなど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、ベル内部の反応室は中周波誘導電源によって電磁加熱されます。図1（b）に示すように、キャリアガス、反応ガス、ドーピングガスはすべて、反応室の上流から下流に向かって水平層流でウェーハ表面を通過し、テールガス端から排出されます。ウェー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支えられたウェーハは、プロセス中常に回転されます。
実験で使用した基板は、山西碩科結晶製の市販の150 mm、200 mm (6 インチ、8 インチ) <1120> 方向 4° オフアングル導電性 n 型 4H-SiC 両面研磨 SiC 基板です。プロセス実験では、トリクロロシラン (SiHCl3、TCS) とエチレン (C2H4) を主な成長源として使用し、TCS と C2H4 はそれぞれシリコン源と炭素源として使用し、高純度窒素 (N2) を n 型ドーピング源として使用し、水素 (H2) を希釈ガスおよびキャリアガスとして使用しました。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 ～ 12×103 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ハのテストと特性評価
フーリエ赤外分光計（機器メーカー Thermalfisher、モデル iS50）と水銀プローブ濃度計（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値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、ウェーハの中心で 5 mm のエッジ除去を行い、主基準エッジの法線と 45° で交差する直径線に沿って点を取ることによって決定しました。150 mm ウェーハの場合は、単一の直径線に沿って 9 点（2 つの直径は互いに垂直）を取り、200 mm ウェーハの場合は、図 2 に示すように 21 点を取りました。原子間力顕微鏡（機器メーカー 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 のエッジ除去）の 30 μm×30 μm の領域を選択し、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、表面欠陥テスター（装置メーカー：中国電子）を使用して測定されました。3Dイメージャーは、Kefenghua製のレーダーセンサー（モデルMars 4410 pro）によって特性評価されました。
投稿日時：2024年9月4日