2 Keputusan eksperimen dan perbincangan
2.1Lapisan epitaksialketebalan dan keseragaman
Ketebalan lapisan epitaksial, kepekatan doping dan keseragaman adalah salah satu petunjuk teras untuk menilai kualiti wafer epitaksial. Ketebalan, kepekatan doping dan keseragaman dalam wafer yang boleh dikawal dengan tepat adalah kunci untuk memastikan prestasi dan konsistensiPeranti kuasa SiC, dan ketebalan lapisan epitaksial serta keseragaman kepekatan pendopan juga merupakan asas penting untuk mengukur keupayaan proses peralatan epitaksial.
Rajah 3 menunjukkan lengkung keseragaman ketebalan dan taburan bagi 150 mm dan 200 mmWafer epitaksi SiC. Dapat dilihat daripada rajah tersebut bahawa lengkung taburan ketebalan lapisan epitaksial adalah simetri di sekitar titik tengah wafer. Masa proses epitaksial ialah 600s, purata ketebalan lapisan epitaksial wafer epitaksial 150mm ialah 10.89 um, dan keseragaman ketebalan ialah 1.05%. Melalui pengiraan, kadar pertumbuhan epitaksial ialah 65.3 um/j, yang merupakan tahap proses epitaksial pantas yang tipikal. Di bawah masa proses epitaksial yang sama, ketebalan lapisan epitaksial wafer epitaksial 200 mm ialah 10.10 um, keseragaman ketebalan adalah dalam lingkungan 1.36%, dan kadar pertumbuhan keseluruhan ialah 60.60 um/j, yang sedikit lebih rendah daripada kadar pertumbuhan epitaksial 150 mm. Ini kerana terdapat kehilangan yang jelas di sepanjang jalan apabila sumber silikon dan sumber karbon mengalir dari hulu ruang tindak balas melalui permukaan wafer ke hilir ruang tindak balas, dan kawasan wafer 200 mm adalah lebih besar daripada 150 mm. Gas mengalir melalui permukaan wafer 200 mm untuk jarak yang lebih jauh, dan gas sumber yang digunakan di sepanjang jalan adalah lebih banyak. Di bawah keadaan wafer terus berputar, ketebalan keseluruhan lapisan epitaksi adalah lebih nipis, jadi kadar pertumbuhan adalah lebih perlahan. Secara keseluruhan, keseragaman ketebalan wafer epitaksi 150 mm dan 200 mm adalah sangat baik, dan keupayaan proses peralatan dapat memenuhi keperluan peranti berkualiti tinggi.
2.2 Kepekatan dan keseragaman doping lapisan epitaksial
Rajah 4 menunjukkan keseragaman kepekatan doping dan taburan lengkung bagi 150 mm dan 200 mmWafer epitaksi SiCSeperti yang dapat dilihat daripada rajah tersebut, lengkung taburan kepekatan pada wafer epitaksial mempunyai simetri yang jelas berbanding pusat wafer. Keseragaman kepekatan doping bagi lapisan epitaksial 150 mm dan 200 mm masing-masing ialah 2.80% dan 2.66%, yang boleh dikawal dalam lingkungan 3%, yang merupakan tahap yang sangat baik untuk peralatan antarabangsa yang serupa. Lengkung kepekatan doping bagi lapisan epitaksial diagihkan dalam bentuk "W" di sepanjang arah diameter, yang terutamanya ditentukan oleh medan aliran relau epitaksial dinding panas mendatar, kerana arah aliran udara relau pertumbuhan epitaksial aliran udara mendatar adalah dari hujung salur masuk udara (hulu) dan mengalir keluar dari hujung hilir secara laminar melalui permukaan wafer; Oleh kerana kadar "penipisan sepanjang jalan" sumber karbon (C2H4) adalah lebih tinggi daripada sumber silikon (TCS), apabila wafer berputar, C/Si sebenar pada permukaan wafer secara beransur-ansur berkurangan dari tepi ke tengah (sumber karbon di tengah adalah kurang), menurut "teori kedudukan kompetitif" C dan N, kepekatan doping di tengah wafer secara beransur-ansur berkurangan ke arah tepi, untuk mendapatkan keseragaman kepekatan yang sangat baik, tepi N2 ditambah sebagai pampasan semasa proses epitaksi untuk memperlahankan penurunan kepekatan doping dari tengah ke tepi, supaya lengkung kepekatan doping akhir menunjukkan bentuk "W".
2.3 Kecacatan lapisan epitaksial
Selain ketebalan dan kepekatan doping, tahap kawalan kecacatan lapisan epitaksi juga merupakan parameter teras untuk mengukur kualiti wafer epitaksi dan penunjuk penting keupayaan proses peralatan epitaksi. Walaupun SBD dan MOSFET mempunyai keperluan yang berbeza untuk kecacatan, kecacatan morfologi permukaan yang lebih jelas seperti kecacatan jatuh, kecacatan segi tiga, kecacatan lobak merah, kecacatan komet, dan sebagainya ditakrifkan sebagai kecacatan pembunuh peranti SBD dan MOSFET. Kebarangkalian kegagalan cip yang mengandungi kecacatan ini adalah tinggi, jadi mengawal bilangan kecacatan pembunuh adalah sangat penting untuk meningkatkan hasil cip dan mengurangkan kos. Rajah 5 menunjukkan taburan kecacatan pembunuh wafer epitaksi SiC 150 mm dan 200 mm. Di bawah syarat bahawa tiada ketidakseimbangan yang jelas dalam nisbah C/Si, kecacatan lobak merah dan kecacatan komet pada asasnya boleh dihapuskan, manakala kecacatan jatuh dan kecacatan segi tiga berkaitan dengan kawalan kebersihan semasa operasi peralatan epitaksi, tahap kekotoran bahagian grafit dalam ruang tindak balas, dan kualiti substrat. Daripada Jadual 2, dapat dilihat bahawa ketumpatan kecacatan pembunuh wafer epitaksi 150 mm dan 200 mm boleh dikawal dalam lingkungan 0.3 zarah/cm2, yang merupakan tahap yang sangat baik untuk jenis peralatan yang sama. Tahap kawalan ketumpatan kecacatan fatal wafer epitaksi 150 mm adalah lebih baik daripada wafer epitaksi 200 mm. Ini kerana proses penyediaan substrat 150 mm lebih matang daripada 200 mm, kualiti substrat lebih baik, dan tahap kawalan bendasing ruang tindak balas grafit 150 mm adalah lebih baik.
2.4 Kekasaran permukaan wafer epitaksial
Rajah 6 menunjukkan imej AFM bagi permukaan wafer epitaksial SiC 150 mm dan 200 mm. Dapat dilihat daripada rajah tersebut bahawa kekasaran purata punca kuasa dua permukaan Ra bagi wafer epitaksial 150 mm dan 200 mm masing-masing ialah 0.129 nm dan 0.113 nm, dan permukaan lapisan epitaksial adalah licin tanpa fenomena pengagregatan makro-langkah yang jelas. Fenomena ini menunjukkan bahawa pertumbuhan lapisan epitaksial sentiasa mengekalkan mod pertumbuhan aliran langkah sepanjang keseluruhan proses epitaksial, dan tiada pengagregatan langkah berlaku. Dapat dilihat bahawa dengan menggunakan proses pertumbuhan epitaksial yang dioptimumkan, lapisan epitaksial yang licin boleh diperolehi pada substrat sudut rendah 150 mm dan 200 mm.
3 Kesimpulan
Wafer epitaksial homogen 150 mm dan 200 mm 4H-SiC telah berjaya disediakan pada substrat domestik menggunakan peralatan pertumbuhan epitaksial SiC 200 mm yang dibangunkan sendiri, dan proses epitaksial homogen yang sesuai untuk 150 mm dan 200 mm telah dibangunkan. Kadar pertumbuhan epitaksial boleh melebihi 60 μm/j. Walaupun memenuhi keperluan epitaksi berkelajuan tinggi, kualiti wafer epitaksial adalah sangat baik. Keseragaman ketebalan wafer epitaksial SiC 150 mm dan 200 mm boleh dikawal dalam lingkungan 1.5%, keseragaman kepekatan kurang daripada 3%, ketumpatan kecacatan fatal kurang daripada 0.3 zarah/cm2, dan kekasaran permukaan epitaksial punca min kuasa dua Ra adalah kurang daripada 0.15 nm. Petunjuk proses teras wafer epitaksial berada pada tahap lanjutan dalam industri.
Sumber: Peralatan Khas Industri Elektronik
Pengarang: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(Institut Penyelidikan China ke-48, Perbadanan Kumpulan Teknologi Elektronik, Changsha, Hunan 410111)
Masa siaran: 04-Sep-2024