2．実験結果と考察
2.1エピタキシャル層厚みと均一性
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ためのコア指標の1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は、性能と一貫性を確保する鍵となります。SiCパワーデバイスまた、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の厚さの均一性と分布曲線を示しています。SiCエピタキシャルウェーハ図から、エピタキシャル層の厚さ分布曲線はウェーハの中心点に関して対称であることがわかる。エピタキシャル処理時間は600秒で、150mmエピタキシャルウェーハの平均エピタキシャル層の厚さは10.89μm、厚さの均一性は1.05%である。計算によると、エピタキシャル成長速度は65.3μm/hであり、これは典型的な高速エピタキシャル処理レベルである。同じエピタキシャル処理時間で、200mmエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の厚さは10.10μm、厚さの均一性は1.36%以内であり、全体の成長速度は60.60μm/hであり、150mmエピタキシャル成長速度よりわずかに低い。これは、シリコン源と炭素源が反応室の上流からウェーハ表面を通って下流へと流れる際に、途中で明らかな損失が生じるためであり、また200 mmウェーハの面積は150 mmウェーハよりも大きいため、ガスは200 mmウェーハの表面をより長い距離通過し、その過程で消費される源ガスの量が多くなるためです。ウェーハが回転し続ける条件下では、エピタキシャル層全体の厚さが薄くなるため、成長速度が遅くなります。全体として、150 mmおよび200 mm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求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、150mmと200mmにおけるドーピング濃度の均一性と曲線分布を示している。SiCエピタキシャルウェー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、ウェーハの中心に対して明らかな対称性を持っています。150 mm および 200 mm 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% および 2.66% であり、3% 以内に制御でき、これは同様の国際的な装置に対して優れたレベルです。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」字型に分布しており、これは主に水平ホットウォールエピタキシャル炉の流れ場によって決定されます。これは、水平気流エピタキシャル成長炉の気流方向が、空気入口端 (上流) からウェーハ表面を通って下流端から層流的に流れ出るためです。炭素源（C2H4）の「途中枯渇」速度はシリコン源（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は端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ため）。CとNの「競合位置理論」によれば、ウェーハの中心のドーピング濃度は端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端のN2を補償として追加し、中心から端へのドーピング濃度の減少を遅らせ、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 エピタキシャル層の欠陥
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コアパラメータであり、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は欠陥に対する要求が異なりますが、ドロップ欠陥、三角形欠陥、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ます。これらの欠陥を含むチップの故障確率は高いため、キラー欠陥の数を制御することは、チップ歩留まりの向上とコスト削減に極めて重要です。図5は、150mmおよび200mm 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の下では、キャロット欠陥とコメット欠陥は基本的に除去できますが、ドロップ欠陥と三角形欠陥は、エピタキシャル装置の動作中の清浄度制御、反応チャンバー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連しています。表 2 から、150 mm および 200 mm エピタキシャルウェーハの致命的欠陥密度は 0.3 粒子/cm2 以内に制御できることがわかります。これは、同種の装置としては優れたレベルです。150 mm 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、200 mm エピタキシャルウェーハよりも優れています。これは、150 mm の基板準備プロセスが 200 mm よりも成熟しており、基板の品質が優れており、150 mm グラファイト反応チャンバー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画像を示しています。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、エピタキシャル層の表面は滑らかで、明らかなマクロステップの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、ステップの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使用することで、150mmおよび200mmの低角度基板上に滑らか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200 mm SiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上に150 mmおよび200 mmの4H-SiC均質エピタキシャルウェーハの作製に成功し、150 mmおよび200 mmに適した均質エピタキシャルプロセスが開発された。エピタキシャル成長速度は60 μm/h以上であり、高速エピタキシャル成長の要求を満たしながら、エピタキシャルウェーハの品質は優れている。150 mmおよび200 mm SiC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粒子/cm2未満、エピタキシャル表面粗さの二乗平均平方根Raは0.15 nm未満である。エピタキシャルウェーハのコアプロセス指標は、業界をリードするレベルにある。
出典：電子工業特殊機器
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