2. Resultados experimentales y discusión
2.1Capa epitaxialespesor y uniformidad
El espesor de la capa epitaxial, la concentración de dopaje y la uniformidad son uno de los indicadores principales para juzgar la calidad de las obleas epitaxiales. Un espesor, una concentración de dopaje y una uniformidad controlables con precisión dentro de la oblea son la clave para garantizar el rendimiento y la consistencia deDispositivos de potencia de SiCAdemás, el espesor de la capa epitaxial y la uniformidad de la concentración de dopaje son bases importantes para medir la capacidad de procesamiento de los equipos epitaxiales.
La figura 3 muestra la uniformidad del espesor y la curva de distribución de 150 mm y 200 mm.obleas epitaxiales de SiCComo se puede observar en la figura, la curva de distribución del espesor de la capa epitaxial es simétrica con respecto al centro de la oblea. El tiempo de proceso epitaxial es de 600 s, el espesor promedio de la capa epitaxial de la oblea epitaxial de 150 mm es de 10,89 µm y la uniformidad del espesor es del 1,05 %. Mediante cálculo, la tasa de crecimiento epitaxial es de 65,3 µm/h, que es un nivel típico de proceso epitaxial rápido. Con el mismo tiempo de proceso epitaxial, el espesor de la capa epitaxial de la oblea epitaxial de 200 mm es de 10,10 µm, la uniformidad del espesor está dentro del 1,36 % y la tasa de crecimiento general es de 60,60 µm/h, que es ligeramente inferior a la tasa de crecimiento epitaxial de 150 mm. Esto se debe a que existe una pérdida evidente a lo largo del proceso cuando la fuente de silicio y la fuente de carbono fluyen desde la parte superior de la cámara de reacción a través de la superficie de la oblea hasta la parte inferior de la cámara de reacción, 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 una distancia mayor, y el gas fuente se consume en el proceso. En la condición de que la oblea siga girando, el espesor total de la capa epitaxial es menor, por lo que la tasa de crecimiento es más lenta. 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 puede cumplir con los requisitos de dispositivos de alta calidad.
2.2 Concentración y uniformidad del dopaje de 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 concentración en la oblea epitaxial tiene una simetría evidente con respecto al centro de la oblea. La uniformidad de la concentración de dopaje de las capas epitaxiales de 150 mm y 200 mm es de 2,80 % y 2,66 % respectivamente, lo que se puede controlar dentro del 3 %, que es 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 de la dirección del diámetro, que está determinada principalmente por el campo de flujo del horno epitaxial de pared caliente horizontal, porque la dirección del flujo de aire del horno de crecimiento epitaxial de flujo de aire horizontal es desde el extremo de entrada de aire (aguas arriba) y fluye desde el extremo de aguas abajo de manera laminar a través de la superficie de la oblea; Debido a que la tasa de "agotamiento durante el proceso" de la fuente de carbono (C2H4) es mayor que la de la fuente de silicio (TCS), cuando la oblea gira, la relación C/Si real en la superficie de la oblea disminuye gradualmente desde el borde hacia el centro (la fuente de carbono en el centro es menor). Según 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 N2 en el borde como compensación durante el proceso epitaxial para ralentizar la disminución de la concentración de dopaje desde el centro hacia el borde, de modo que la curva de concentración de dopaje final presente 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 de la capa epitaxial también es un parámetro fundamental para medir la calidad de las obleas epitaxiales y un indicador importante de la capacidad de procesamiento del equipo epitaxial. Aunque los SBD y MOSFET tienen diferentes requisitos para los defectos, los defectos de morfología superficial más evidentes, como los defectos de gota, los defectos triangulares, los defectos de zanahoria, los defectos de cometa, etc., se definen como defectos críticos de 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 críticos es extremadamente importante para mejorar el rendimiento del chip y reducir los costes. La Figura 5 muestra la distribución de los defectos críticos de las obleas epitaxiales de SiC de 150 mm y 200 mm. En la condición de que no haya un desequilibrio evidente en la relación C/Si, los defectos de zanahoria y los defectos de cometa se pueden eliminar prácticamente, mientras que los defectos de gota y los defectos triangulares están relacionados con el control de la limpieza durante el funcionamiento del equipo epitaxial, el nivel de impurezas de las partes de grafito en la cámara de reacción y la calidad del sustrato. En la Tabla 2 se observa que la densidad de defectos críticos en obleas epitaxiales de 150 mm y 200 mm se puede controlar dentro de 0,3 partículas/cm², lo cual representa un nivel excelente para este tipo de equipo. El nivel de control de la densidad de defectos críticos en la oblea epitaxial de 150 mm es superior al de la oblea epitaxial de 200 mm. Esto se debe a que el proceso de preparación del sustrato de 150 mm está más desarrollado que el de 200 mm, la calidad del sustrato es mejor y el nivel de control de impurezas en la cámara de reacción de grafito de 150 mm es superior.
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. Como se observa en la figura, 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, y la superficie de la capa epitaxial es lisa, sin agregación de macroescalones evidente. Esto demuestra que el crecimiento de la capa epitaxial mantiene el modo de crecimiento por flujo de escalones durante todo el proceso, sin que se produzca agregación de escalones. Se puede apreciar que, mediante el proceso de crecimiento epitaxial optimizado, se pueden obtener capas epitaxiales lisas en sustratos de bajo ángulo de 150 mm y 200 mm.
3. Conclusión
Se prepararon con éxito obleas epitaxiales homogéneas de 4H-SiC de 150 mm y 200 mm sobre sustratos nacionales utilizando el equipo de crecimiento epitaxial de SiC de 200 mm de desarrollo propio, y se desarrolló un proceso epitaxial homogéneo adecuado para 150 mm y 200 mm. La velocidad 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 concentración es inferior al 3 %, la densidad de defectos fatales es inferior a 0,3 partículas/cm2 y la rugosidad superficial epitaxial cuadrática media Ra es inferior a 0,15 nm. Los indicadores clave del proceso de las obleas epitaxiales se encuentran en un nivel avanzado en la industria.
Fuente: Equipos especiales de la industria electrónica
Autor: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(Instituto de Investigación n.º 48 de la Corporación del Grupo de Tecnología Electrónica de China, Changsha, Hunan 410111)
Fecha de publicación: 4 de septiembre de 2024