2 実験結果と考察
2.1エピタキシャル層厚さと均一性
エピタキシャル層の厚さ、ドーピング濃度、均一性は、エピタキシャルウェーハの品質を判断する上で重要な指標の一つです。ウェーハ内の厚さ、ドーピング濃度、均一性を正確に制御することが、エピタキシャルウェーハの性能と安定性を確保する鍵となります。SiCパワーデバイスエピタキシャル層の厚さやドーピング濃度の均一性も、エピタキシャル装置のプロセス能力を測定するための重要な基準となります。
図3は150mmと200mmの厚さ均一性と分布曲線を示しています。SiCエピタキシャルウエハ図から、エピ層の厚さの分布曲線はウェーハの中心点を中心に対称になっていることがわかります。エピタキシャルプロセス時間は600秒で、150mmエピウェーハの平均エピ層厚さは10.89μm、厚さ均一性は1.05％です。計算によると、エピタキシャル成長速度は65.3μm/hで、これは典型的な高速エピタキシャルプロセスレベルです。同じエピタキシャルプロセス時間で、200mmエピウェーハのエピ層厚さは10.10μm、厚さ均一性は1.36％以内、全体の成長速度は60.60μm/hで、150mmエピタキシャル成長速度よりわずかに低くなります。これは、シリコン原料と炭素原料が反応室の上流からウェーハ表面を通り反応室の下流へと流れる際に、途中で明らかな損失が発生するためです。また、200mmウェーハ面積は150mmウェーハ面積よりも大きいため、200mmウェーハ表面を流れるガスの距離が長くなり、その過程で消費される原料ガスの量も多くなります。ウェーハが回転し続ける状況では、エピタキシャル層全体の厚さが薄くなるため、成長速度は遅くなります。全体として、150mmおよび200mmエピタキシャルウェーハの厚さ均一性は優れており、装置のプロセス能力は高品質デバイスの要件を満たすことができます。
2.2 エピタキシャル層のドーピング濃度と均一性
図4は150 mmと200 mmのドーピング濃度均一性と曲線分布を示しています。SiCエピタキシャルウエハ図からわかるように、エピタキシャルウェーハ上の濃度分布曲線は、ウェーハ中心に対して明らかな対称性を示している。150mmと200mmのエピタキシャル層のドーピング濃度均一性はそれぞれ2.80％と2.66％であり、3％以内に制御でき、これは同様の国際設備として優れたレベルである。エピタキシャル層のドーピング濃度曲線は直径方向に沿って「W」字型に分布しているが、これは主に水平ホットウォールエピタキシャル炉の気流場によって決定される。水平気流エピタキシャル成長炉の気流方向は、空気入口端（上流）から始まり、下流端からウェーハ表面を通って層流状に流出するためである。炭素源（C2H4）の「途中の枯渇」率がシリコン源（TCS）のそれよりも高いため、ウェーハが回転すると、ウェーハ表面の実際のC/Siはエッジから中心に向かって徐々に減少します（中心の炭素源が少ない）。CとNの「競争位置理論」によれば、ウェーハの中心のドーピング濃度はエッジに向かって徐々に減少します。優れた濃度均一性を得るために、エピタキシャルプロセス中にエッジN2を補償として追加して、中心からエッジへのドーピング濃度の減少を緩やかにし、最終的なドーピング濃度曲線が「W」字型になるようにします。
2.3 エピタキシャル層欠陥
厚さやドーピング濃度に加えて、エピタキシャル層の欠陥制御レベルもエピタキシャルウェーハの品質を測定するための中核パラメータであり、エピタキシャル装置のプロセス能力の重要な指標です。SBDとMOSFETでは欠陥に対する要件が異なりますが、ドロップ欠陥、トライアングル欠陥、キャロット欠陥、コメット欠陥など、より顕著な表面形態欠陥は、SBDおよびMOSFETデバイスのキラー欠陥として定義されています。これらの欠陥を含むチップは故障確率が高いため、キラー欠陥の数を制御することは、チップの歩留まりを向上させ、コストを削減するために非常に重要です。図5は、150 mmおよび200 mmのSiCエピタキシャルウェーハのキラー欠陥の分布を示しています。 C/Si比に明らかな不均衡がないという条件下では、キャロット欠陥とコメット欠陥は基本的に排除できますが、ドロップ欠陥とトライアングル欠陥は、エピタキシャル装置の稼働中の清浄度管理、反応室内のグラファイト部品の不純物レベル、および基板の品質に関係しています。 表2から、150mmと200mmのエピタキシャルウェーハの致命的欠陥密度は0.3個/ cm2以内に制御でき、同じタイプの装置としては優れたレベルであることがわかります。 150mmエピタキシャルウェーハの致命的欠陥密度制御レベルは、200mmエピタキシャルウェーハよりも優れています。これは、150mmの基板準備プロセスが200mmよりも成熟しており、基板品質が優れており、150mmグラファイト反応室の不純物制御レベルが優れているためです。
2.4 エピタキシャルウェーハの表面粗さ
図6は、150mmおよび200mmのSiCエピタキシャルウェーハ表面のAFM像を示しています。図から、150mmおよび200mmのエピタキシャルウェーハの表面二乗平均平方根粗さRaはそれぞれ0.129nmおよび0.113nmであり、エピタキシャル層表面は平滑で、明らかなマクロステップ凝集現象は見られません。この現象は、エピタキシャル層の成長がエピタキシャルプロセス全体を通して常にステップフロー成長モードを維持し、ステップ凝集が発生しないことを示しています。最適化されたエピタキシャル成長プロセスを用いることで、150mmおよび200mmの低角度基板上に平滑なエピタキシャル層が得られることがわかります。
3 結論
自社開発の200mmSiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上に150mmおよび200mmの4H-SiC均質エピタキシャルウェーハの製造に成功し、150mmおよび200mmに適した均質エピタキシャルプロセスを開発しました。エピタキシャル成長速度は60μm/h以上を達成し、高速エピタキシャル成長の要件を満たしながら、エピタキシャルウェーハの品質は優れています。150mmおよび200mmSiCエピタキシャルウェーハの厚さ均一性は1.5%以内に制御でき、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未満です。エピタキシャルウェーハのコアプロセス指標は業界の先進レベルにあります。
出典：電子産業特殊機器
著者: Xie Tianle、Li Ping、Yang Yu、Gong Xiaoliang、Ba Sai、Chen Guoqin、Wan Shengqiang
（中国電子科技集団公司第48研究所、湖南省長沙市410111）
投稿日時: 2024年9月4日