現在、SiC業界は150mm（6インチ）から200mm（8インチ）へと移行しています。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ーハの緊急需要に応えるため、150mmと200mmのウェーハが求められています。4H-SiCホモエピタキシャルウェハ独自開発の200mmSiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上にSiCエピタキシャル成長膜を作製することに成功しました。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、60um/h以上のエピタキシャル成長速度を実現しました。高速エピタキシャル成長を実現しながら、エピタキシャルウェーハの品質は良好です。150mmおよび200mmのSiCエピタキシャルウェーハの厚さ均一性は、150mmおよび200mmで良好です。SiCエピタキシャルウエハ1.5%以内に制御可能、濃度均一性は3%未満、致命的欠陥密度は0.3個/cm2未満、エピタキシャル表面粗さ二乗平均平方根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）は、第三世代半導体材料の代表の一つです。高い破壊電界強度、優れた熱伝導率、大きな電子飽和ドリフト速度、強い耐放射線性などの特徴を有し、パワーデバイスのエネルギー処理能力を大幅に拡大し、高出力、小型、高温、高放射線などの過酷な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。スペースの削減、消費電力の削減、冷却要件の軽減が可能で、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、第三世代半導体産業の発展に対する国の政策支援により、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基本的に完了し、産業チェーンの安全性が基本的に保証されました。そのため、業界の焦点は徐々にコスト管理と効率向上に移行しています。表1に示すように、200mm SiCは150mmと比較してエッジ利用率が高く、シングルウェーハチップの生産量を約1.8倍に増加させることができます。技術が成熟すれば、シングルチップの製造コストを30%削減できます。200mmの技術革新は、「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」あるいは「先行」するための鍵でもあります。
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SiC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加工・製造されています。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%を占めています。そのため、SiCパワーデバイスにおいてエピタキシャル成長は不可欠な中間リンクです。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、中国における150mm SiCエピタキシャル装置のローカライズ度は比較的高いですが、200mmの全体的な配置は国際レベルに遅れをとっています。そこで、国内の第3世代半導体産業の発展に向けた大型、高品質エピタキシャル材料製造の喫緊のニーズとボトルネック問題を解決するため、本稿ではわ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。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で、独自開発の200mmシリコンカーバイドエピタキシャル炉を用いて、150mmおよび200mmのSiCエピタキシャルウェーハにおいて、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グレイン/cm2を実現しました。この装置のプロセスレベルは、高品質SiCパワーデバイス製造のニーズを満たすことができます。
1つの実験
1.1 の原則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ーエッチングと均一化学蒸着プロセスという2つの重要なステップで構成されています。基板インサイチュー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損傷、残留研磨液、パーティクル、酸化膜を除去し、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することです。インサイチューエッチングは通常、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、シランなどの少量の補助ガスを添加することもできます。インサイチュー水素エッチングの温度は通常1600℃以上で、エッチングプロセス中の反応室の圧力は通常2×104 Pa以下に制御されます。
基板表面をインサイチュー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。つまり、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）、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）を介して反応室に輸送されます。ガスが高温反応室で反応した後、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、特定のドーピング濃度、特定の厚さ、高品質の単結晶均質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、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）斜めカット基板をテンプレートとして、ステップフロー成長モードの形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します。初期の4H-SiCホモエピタキシャル成長では、正結晶基板、つまり<0001>Si面を成長に使用しました。正結晶基板表面の原子ステップの密度は低く、テラスは広いです。エピタキシープロセス中に2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、吸着された前駆体は表面拡散を通じて比較的低い表面エネルギーで原子ステップ位置に効果的に到達できます。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二重原子層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できます。
（2）塩素含有シリコン源を導入することにより、高速エピタキシャル成長を実現できます。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）が主な成長源です。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増加し続けると、均一気相核形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します。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します。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、欠陥核形成を引き起こす可能性があります。均一気相核形成を回避してエピタキシャル成長速度を上げるために、塩素ベースのシリコン源を導入することが、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
本稿で述べた実験はすべて、中国電子科技集団公司第48研究所が独自に開発した150/200mm（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た。エピタキシャル炉は、全自動ウェーハのロードとアンロード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、ベルの内部は断熱カーボンフェルト、高純度特殊グラファイトキャビティ、グラファイトガスフローティング回転ベースなどで構成される高温反応室である。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って電磁加熱される。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へと水平層流となってウェーハ表面を流れ、テールガス出口から排出されます。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搬送されるウェーハは、処理中常に回転しています。
実験に使用した基板は、山西碩克水晶社製の市販の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）を主な成長源として使用し、そのうちTCSとC2H4を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）を希釈ガスとキャリアガスとして使用した。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/分である。
1.3 エピタキシャルウェーハの試験と特性評価
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試験装置（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およびドーピング濃度の平均および分布を特性評価しました。エピタキシャル層の各ポイントの厚さおよびドーピング濃度は、5 mm のエッジ除去でウェーハの中心で主基準エッジの法線と 45° で交差する直径ラインに沿ってポイントを取得することによって決定しました。図 2 に示すように、150 mm ウェーハの場合は 1 つの直径ラインに沿って 9 ポイント（2 つの直径が互いに垂直）を取得し、200 mm ウェーハの場合は 21 ポイントを取得しました。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およびエッジ領域（5 mm のエッジ除去）で 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、表面欠陥検査装置（装置メーカー：China Electronics）を使用して測定されました。3Dイメージャーは、Kefenghua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