2 Risultati sperimentali e discussione
2.1strato epitassialespessore e uniformità
Lo spessore dello strato epitassiale, la concentrazione di drogaggio e l'uniformità sono tra gli indicatori principali per valutare la qualità dei wafer epitassiali. Uno spessore, una concentrazione di drogaggio e un'uniformità accuratamente controllabili all'interno del wafer sono fondamentali per garantire le prestazioni e la coerenza didispositivi di potenza SiCAnche lo spessore dello strato epitassiale e l'uniformità della concentrazione di drogaggio sono elementi fondamentali per valutare la capacità di processo delle apparecchiature epitassiali.
La Figura 3 mostra la curva di uniformità e distribuzione dello spessore di 150 mm e 200 mmwafer epitassiali di SiCCome si può osservare dalla figura, la curva di distribuzione dello spessore dello strato epitassiale è simmetrica rispetto al punto centrale del wafer. Il tempo di processo epitassiale è di 600 s, lo spessore medio dello strato epitassiale del wafer epitassiale da 150 mm è di 10,89 µm e l'uniformità dello spessore è dell'1,05%. Dai calcoli, la velocità di crescita epitassiale è di 65,3 µm/h, che è un livello tipico di un processo epitassiale veloce. Con lo stesso tempo di processo epitassiale, lo spessore dello strato epitassiale del wafer epitassiale da 200 mm è di 10,10 µm, l'uniformità dello spessore è entro l'1,36% e la velocità di crescita complessiva è di 60,60 µm/h, che è leggermente inferiore alla velocità di crescita epitassiale del wafer da 150 mm. Questo è dovuto al fatto che si verificano perdite evidenti lungo il percorso quando la sorgente di silicio e la sorgente di carbonio fluiscono dalla parte a monte della camera di reazione attraverso la superficie del wafer fino alla parte a valle della camera di reazione, e poiché l'area del wafer da 200 mm è maggiore di quella del wafer da 150 mm, il gas fluisce attraverso la superficie del wafer da 200 mm per una distanza maggiore e il gas sorgente consumato lungo il percorso è maggiore. Nelle condizioni in cui il wafer continua a ruotare, lo spessore complessivo dello strato epitassiale è più sottile, quindi la velocità di crescita è più lenta. Nel complesso, l'uniformità dello spessore dei wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm è eccellente e la capacità di processo dell'apparecchiatura può soddisfare i requisiti di dispositivi di alta qualità.
2.2 Concentrazione e uniformità del drogaggio dello strato epitassiale
La Figura 4 mostra l'uniformità della concentrazione di drogaggio e la distribuzione della curva di 150 mm e 200 mmwafer epitassiali di SiCCome si può osservare dalla figura, la curva di distribuzione della concentrazione sul wafer epitassiale presenta un'evidente simmetria rispetto al centro del wafer. L'uniformità della concentrazione di drogaggio degli strati epitassiali da 150 mm e 200 mm è rispettivamente del 2,80% e del 2,66%, con una tolleranza del 3%, un livello eccellente per apparecchiature internazionali simili. La curva di concentrazione di drogaggio dello strato epitassiale è distribuita a forma di "W" lungo la direzione del diametro, determinata principalmente dal campo di flusso del forno epitassiale a parete calda orizzontale, poiché la direzione del flusso d'aria del forno di crescita epitassiale a flusso d'aria orizzontale è dall'estremità di ingresso dell'aria (a monte) e fuoriesce dall'estremità a valle in modo laminare attraverso la superficie del wafer; Poiché il tasso di "esaurimento lungo il percorso" della sorgente di carbonio (C2H4) è superiore a quello della sorgente di silicio (TCS), quando il wafer ruota, il rapporto C/Si effettivo sulla superficie del wafer diminuisce gradualmente dal bordo al centro (la sorgente di carbonio al centro è minore), secondo la "teoria della posizione competitiva" di C e N, la concentrazione di drogaggio al centro del wafer diminuisce gradualmente verso il bordo, al fine di ottenere un'eccellente uniformità di concentrazione, l'N2 sul bordo viene aggiunto come compensazione durante il processo epitassiale per rallentare la diminuzione della concentrazione di drogaggio dal centro al bordo, in modo che la curva di concentrazione di drogaggio finale presenti una forma a "W".
2.3 Difetti dello strato epitassiale
Oltre allo spessore e alla concentrazione di drogaggio, il livello di controllo dei difetti dello strato epitassiale è un parametro fondamentale per misurare la qualità dei wafer epitassiali e un importante indicatore della capacità di processo delle apparecchiature epitassiali. Sebbene SBD e MOSFET abbiano requisiti diversi per i difetti, i difetti morfologici superficiali più evidenti, come difetti a goccia, triangolari, a carota, a cometa, ecc., sono definiti difetti killer per i dispositivi SBD e MOSFET. La probabilità di guasto dei chip contenenti questi difetti è elevata, quindi il controllo del numero di difetti killer è estremamente importante per migliorare la resa dei chip e ridurre i costi. La Figura 5 mostra la distribuzione dei difetti killer su wafer epitassiali di SiC da 150 mm e 200 mm. A condizione che non vi sia uno squilibrio evidente nel rapporto C/Si, i difetti a carota e a cometa possono essere sostanzialmente eliminati, mentre i difetti a goccia e triangolari sono correlati al controllo della pulizia durante il funzionamento delle apparecchiature epitassiali, al livello di impurità delle parti in grafite nella camera di reazione e alla qualità del substrato. Dalla Tabella 2 si evince che la densità dei difetti critici dei wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm può essere controllata entro 0,3 particelle/cm², un livello eccellente per lo stesso tipo di apparecchiatura. Il livello di controllo della densità dei difetti critici del wafer epitassiale da 150 mm è migliore di quello del wafer epitassiale da 200 mm. Ciò è dovuto al fatto che il processo di preparazione del substrato da 150 mm è più maturo di quello da 200 mm, la qualità del substrato è migliore e il livello di controllo delle impurità della camera di reazione in grafite da 150 mm è migliore.
2.4 Rugosità della superficie del wafer epitassiale
La Figura 6 mostra le immagini AFM della superficie di wafer epitassiali di SiC da 150 mm e 200 mm. Come si può osservare dalla figura, la rugosità quadratica media Ra dei wafer epitassiali da 150 mm e 200 mm è rispettivamente di 0,129 nm e 0,113 nm, e la superficie dello strato epitassiale è liscia senza evidenti fenomeni di aggregazione di macro-gradini. Questo fenomeno dimostra che la crescita dello strato epitassiale mantiene sempre la modalità di crescita a flusso di gradini durante l'intero processo epitassiale, senza che si verifichi alcuna aggregazione di gradini. Si può quindi affermare che, utilizzando il processo di crescita epitassiale ottimizzato, è possibile ottenere strati epitassiali lisci su substrati a basso angolo da 150 mm e 200 mm.
3 Conclusion
Sono stati preparati con successo wafer epitassiali omogenei di 4H-SiC da 150 mm e 200 mm su substrati nazionali utilizzando un'apparecchiatura di crescita epitassiale di SiC da 200 mm sviluppata internamente, ed è stato messo a punto un processo epitassiale omogeneo adatto a wafer da 150 mm e 200 mm. La velocità di crescita epitassiale può superare i 60 μm/h. Pur soddisfacendo i requisiti di epitassia ad alta velocità, la qualità dei wafer epitassiali è eccellente. L'uniformità dello spessore dei wafer epitassiali di SiC da 150 mm e 200 mm può essere controllata entro l'1,5%, l'uniformità della concentrazione è inferiore al 3%, la densità di difetti critici è inferiore a 0,3 particelle/cm2 e la rugosità superficiale epitassiale RMS Ra è inferiore a 0,15 nm. Gli indicatori chiave del processo dei wafer epitassiali sono a un livello avanzato nel settore.
Fonte: Apparecchiature speciali per l'industria elettronica
Autore: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(48° Istituto di Ricerca del China Electronics Technology Group Corporation, Changsha, Hunan 410111)
Data di pubblicazione: 4 settembre 2024