2 Resultados experimentales y discusión
2.1Capa epitaxialespesor y uniformidad
El espesor de la capa epitaxial, la concentración de dopaje y la uniformidad son indicadores clave para evaluar la calidad de las obleas epitaxiales. Un control preciso del espesor, la concentración de dopaje y la uniformidad dentro de la oblea son clave para garantizar el rendimiento y la consistencia de la misma.dispositivos de potencia de SiC, y el espesor de la capa epitaxial y la uniformidad de la concentración de dopaje también son bases importantes para medir la capacidad de proceso del equipo epitaxial.
La figura 3 muestra la curva de uniformidad y distribución de espesores de 150 mm y 200 mm.Obleas epitaxiales de SiCLa figura muestra que la curva de distribución del espesor de la capa epitaxial es simétrica respecto al punto central de la oblea. El tiempo de procesamiento epitaxial es de 600 s, el espesor promedio de la capa epitaxial de la oblea de 150 mm es de 10,89 µm y la uniformidad del espesor es del 1,05 %. Según los cálculos, la tasa de crecimiento epitaxial es de 65,3 µm/h, lo que representa un nivel típico de proceso epitaxial rápido. Con el mismo tiempo de procesamiento epitaxial, el espesor de la capa epitaxial de la oblea de 200 mm es de 10,10 µm, la uniformidad del espesor es del 1,36 % y la tasa de crecimiento total es de 60,60 µm/h, ligeramente inferior a la de la oblea de 150 mm. Esto se debe a que existe una pérdida evidente durante el flujo de la fuente de silicio y la fuente de carbono desde la parte superior de la cámara de reacción a través de la superficie de la oblea hasta la parte inferior, y el área de la oblea de 200 mm es mayor que la de 150 mm. El gas fluye a través de la superficie de la oblea de 200 mm a lo largo de una mayor distancia, y el gas fuente se consume en el proceso. Con la oblea girando continuamente, el espesor total de la capa epitaxial es menor, por lo que la velocidad de crecimiento es menor. En general, la uniformidad del espesor de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es excelente, y la capacidad de procesamiento del equipo cumple con los requisitos de dispositivos de alta calidad.
2.2 Concentración y uniformidad del dopaje en la capa epitaxial
La figura 4 muestra la uniformidad de la concentración de dopaje y la distribución de la curva de 150 mm y 200 mm.Obleas epitaxiales de SiCComo se puede observar en la figura, la curva de distribución de la concentración en la oblea epitaxial presenta una simetría evidente respecto al centro de la oblea. La uniformidad de la concentración de dopaje de las capas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es del 2,80 % y el 2,66 %, respectivamente, lo que permite controlarla con una precisión del 3 %, un nivel excelente para equipos internacionales similares. La curva de concentración de dopaje de la capa epitaxial se distribuye en forma de "W" a lo largo del diámetro, lo cual está determinado principalmente por el campo de flujo del horno epitaxial de pared caliente horizontal, ya que la dirección del flujo de aire del horno de crecimiento epitaxial de flujo horizontal proviene del extremo de entrada (aguas arriba) y fluye desde el extremo de salida de forma laminar a través de la superficie de la oblea. Debido a que la tasa de "agotamiento a lo largo del camino" de la fuente de carbono (C2H4) es mayor que la de la fuente de silicio (TCS), cuando la oblea gira, el C/Si real en la superficie de la oblea disminuye gradualmente desde el borde hasta el centro (la fuente de carbono en el centro es menor), de acuerdo con la "teoría de la posición competitiva" de C y N, la concentración de dopaje en el centro de la oblea disminuye gradualmente hacia el borde. Para obtener una excelente uniformidad de concentración, se agrega el borde N2 como compensación durante el proceso epitaxial para ralentizar la disminución de la concentración de dopaje desde el centro hasta el borde, de modo que la curva de concentración de dopaje final presenta una forma de "W".
2.3 Defectos de la capa epitaxial
Además del espesor y la concentración de dopaje, el nivel de control de defectos en la capa epitaxial es un parámetro fundamental para medir la calidad de las obleas epitaxiales y un indicador importante de la capacidad de procesamiento de los equipos epitaxiales. Si bien los SBD y los MOSFET tienen diferentes requisitos para los defectos, los defectos de morfología superficial más evidentes, como los defectos de gota, triángulo, zanahoria y cometa, se definen como defectos destructivos en los dispositivos SBD y MOSFET. La probabilidad de fallo de los chips que contienen estos defectos es alta, por lo que controlar el número de defectos destructivos es fundamental para mejorar el rendimiento del chip y reducir los costes. La Figura 5 muestra la distribución de los defectos destructivos en obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. Si no existe un desequilibrio evidente en la relación C/Si, los defectos de zanahoria y cometa se pueden eliminar prácticamente por completo, mientras que los defectos de gota y triángulo están relacionados con el control de la limpieza durante el funcionamiento de los equipos epitaxiales, el nivel de impurezas de las piezas de grafito en la cámara de reacción y la calidad del sustrato. De la Tabla 2 se desprende que la densidad de defectos fatales de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro de 0,3 partículas/cm², un nivel excelente para el mismo tipo de equipo. El nivel de control de la densidad de defectos fatales de la oblea epitaxial de 150 mm es mejor que el de la de 200 mm. Esto se debe a que el proceso de preparación del sustrato de 150 mm es más avanzado que el de 200 mm, la calidad del sustrato es mejor y el nivel de control de impurezas de la cámara de reacción de grafito de 150 mm es mejor.
2.4 Rugosidad de la superficie de la oblea epitaxial
La Figura 6 muestra las imágenes AFM de la superficie de obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. Se observa que la rugosidad superficial cuadrática media (Ra) de las obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es de 0,129 nm y 0,113 nm, respectivamente. La superficie de la capa epitaxial es lisa, sin un fenómeno evidente de macroagregación escalonada. Este fenómeno demuestra que el crecimiento de la capa epitaxial mantiene siempre el modo de crecimiento escalonado durante todo el proceso epitaxial, sin que se produzca agregación escalonada. Se observa que, mediante el proceso de crecimiento epitaxial optimizado, se pueden obtener capas epitaxiales lisas en sustratos de ángulo bajo de 150 mm y 200 mm.
3 Conclusión
Las obleas epitaxiales homogéneas de 4H-SiC de 150 mm y 200 mm se prepararon con éxito sobre sustratos nacionales utilizando el equipo de crecimiento epitaxial de SiC de 200 mm de desarrollo propio, y se desarrolló el proceso epitaxial homogéneo adecuado para 150 mm y 200 mm. La tasa de crecimiento epitaxial puede ser superior a 60 μm/h. Si bien cumple con el requisito de epitaxia de alta velocidad, la calidad de la oblea epitaxial es excelente. La uniformidad del espesor de las obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro del 1,5%, la uniformidad de la concentración es inferior al 3%, la densidad de defectos fatales es inferior a 0,3 partículas/cm² y la rugosidad superficial epitaxial media cuadrática Ra es inferior a 0,15 nm. Los indicadores centrales del proceso de las obleas epitaxiales se encuentran en el nivel avanzado de la industria.
Fuente: Equipos especiales para la industria electrónica
Autor: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(48.º Instituto de Investigación de la Corporación del Grupo de Tecnología Electrónica de China, Changsha, Hunan 410111)
Hora de publicación: 04-sep-2024