2 Experimentele resultaten en discussie
2.1Epitaxiale laagdikte en uniformiteit
De dikte van de epitaxiale laag, de doteringsconcentratie en de uniformiteit zijn belangrijke indicatoren voor de kwaliteit van epitaxiale wafers. Nauwkeurig controleerbare dikte, doteringsconcentratie en uniformiteit binnen de wafer zijn essentieel voor het waarborgen van de prestaties en consistentie van de wafer.SiC-vermogenscomponentenOok de dikte van de epitaxiale laag en de uniformiteit van de doteringsconcentratie zijn belangrijke criteria voor het meten van de procescapaciteit van epitaxiale apparatuur.
Figuur 3 toont de dikte-uniformiteit en de verdelingscurve voor diktes van 150 mm en 200 mm.SiC epitaxiale wafersUit de figuur blijkt dat de curve van de dikteverdeling van de epitaxiale laag symmetrisch is ten opzichte van het middelpunt van de wafer. De epitaxiale procestijd bedraagt 600 s, de gemiddelde dikte van de epitaxiale laag op de 150 mm epitaxiale wafer is 10,89 µm en de dikteuniformiteit is 1,05%. Berekend bedraagt de epitaxiale groeisnelheid 65,3 µm/u, wat een typisch niveau is voor een snel epitaxiaal proces. Bij dezelfde epitaxiale procestijd bedraagt de dikte van de epitaxiale laag op de 200 mm epitaxiale wafer 10,10 µm, de dikteuniformiteit is minder dan 1,36% en de totale groeisnelheid is 60,60 µm/u, wat iets lager is dan de groeisnelheid op de 150 mm wafer. Dit komt doordat er aanzienlijk verlies optreedt tijdens het transport van de siliciumbron en de koolstofbron van de stroomopwaartse kant van de reactiekamer door het waferoppervlak naar de stroomafwaartse kant van de reactiekamer. Het oppervlak van een 200 mm wafer is groter dan dat van een 150 mm wafer. Het gas stroomt over een langere afstand door het oppervlak van de 200 mm wafer, waardoor er onderweg meer brongas wordt verbruikt. Doordat de wafer blijft roteren, is de totale dikte van de epitaxiale laag dunner, waardoor de groeisnelheid lager is. Over het algemeen is de dikteuniformiteit van de 150 mm en 200 mm epitaxiale wafers uitstekend, en voldoet de procescapaciteit van de apparatuur aan de eisen voor hoogwaardige apparaten.
2.2 Dopingconcentratie en uniformiteit van de epitaxiale laag
Figuur 4 toont de uniformiteit van de dopingconcentratie en de curveverdeling voor 150 mm en 200 mm.SiC epitaxiale wafersZoals in de afbeelding te zien is, vertoont de concentratieverdelingscurve op de epitaxiale wafer een duidelijke symmetrie ten opzichte van het midden van de wafer. De uniformiteit van de doteringsconcentratie van de 150 mm en 200 mm epitaxiale lagen bedraagt respectievelijk 2,80% en 2,66%, wat binnen een tolerantie van 3% kan worden gehouden. Dit is een uitstekend niveau voor vergelijkbare internationale apparatuur. De doteringsconcentratiecurve van de epitaxiale laag heeft een "W"-vorm langs de diameterrichting. Dit wordt voornamelijk bepaald door het stromingsveld van de horizontale hetewand-epitaxiale oven, omdat de luchtstroomrichting van de horizontale hetewand-epitaxiale groeioven van de luchtinlaat (stroomopwaarts) naar de uitlaat (stroomafwaarts) loopt en laminair door het waferoppervlak stroomt. Omdat de uitputtingssnelheid van de koolstofbron (C2H4) tijdens het proces hoger is dan die van de siliciumbron (TCS), neemt de werkelijke C/Si-verhouding op het waferoppervlak geleidelijk af van de rand naar het midden wanneer de wafer roteert (de koolstofbron in het midden is minder aanwezig). Volgens de "competitieve positietheorie" van C en N neemt de doteringsconcentratie in het midden van de wafer geleidelijk af naar de rand. Om een uitstekende concentratieuniformiteit te verkrijgen, wordt tijdens het epitaxiale proces N2 aan de rand toegevoegd als compensatie om de afname van de doteringsconcentratie van het midden naar de rand te vertragen, zodat de uiteindelijke doteringsconcentratiecurve een "W"-vorm vertoont.
2.3 Defecten in de epitaxiale laag
Naast dikte en doteringsconcentratie is ook de mate van beheersing van defecten in de epitaxiale laag een kernparameter voor het meten van de kwaliteit van epitaxiale wafers en een belangrijke indicator voor de procescapaciteit van de epitaxiale apparatuur. Hoewel SBD's en MOSFET's verschillende eisen stellen aan defecten, worden de meest opvallende oppervlaktemorfologische defecten zoals druppeldefecten, driehoekdefecten, worteldefecten, komeetdefecten, enz. gedefinieerd als 'killer defects' voor SBD- en MOSFET-componenten. De kans op uitval van chips met deze defecten is groot, dus het beheersen van het aantal killer defects is van cruciaal belang voor het verbeteren van de chipopbrengst en het verlagen van de kosten. Figuur 5 toont de verdeling van killer defects in 150 mm en 200 mm SiC epitaxiale wafers. Onder de voorwaarde dat er geen duidelijke onbalans is in de C/Si-verhouding, kunnen worteldefecten en komeetdefecten in principe worden geëlimineerd, terwijl druppeldefecten en driehoekdefecten verband houden met de reinheidscontrole tijdens de werking van de epitaxiale apparatuur, het onzuiverheidsniveau van grafietcomponenten in de reactiekamer en de kwaliteit van het substraat. Uit tabel 2 blijkt dat de dichtheid van fatale defecten op epitaxiale wafers van 150 mm en 200 mm binnen 0,3 deeltjes/cm² kan worden gehouden, wat een uitstekend niveau is voor hetzelfde type apparatuur. De beheersing van de dichtheid van fatale defecten op de 150 mm epitaxiale wafer is beter dan die op de 200 mm epitaxiale wafer. Dit komt doordat het substraatbereidingsproces voor 150 mm wafers verder ontwikkeld is dan dat voor 200 mm wafers, de substraatkwaliteit beter is en de beheersing van onzuiverheden in de grafietreactiekamer van 150 mm wafers beter is.
2.4 Oppervlakteruwheid van de epitaxiale wafer
Figuur 6 toont de AFM-afbeeldingen van het oppervlak van 150 mm en 200 mm SiC-epitaxiale wafers. Uit de figuur blijkt dat de gemiddelde kwadratische oppervlakteruwheid Ra van de 150 mm en 200 mm epitaxiale wafers respectievelijk 0,129 nm en 0,113 nm bedraagt, en dat het oppervlak van de epitaxiale laag glad is zonder duidelijke macro-stapaggregatie. Dit fenomeen laat zien dat de groei van de epitaxiale laag gedurende het gehele epitaxiale proces de stapstroomgroeimodus behoudt en dat er geen stapaggregatie optreedt. Hieruit blijkt dat door gebruik te maken van het geoptimaliseerde epitaxiale groeiproces gladde epitaxiale lagen kunnen worden verkregen op 150 mm en 200 mm substraten met een lage hoek.
3 Conclusie
De homogene epitaxiale 4H-SiC-wafers van 150 mm en 200 mm zijn met succes geproduceerd op binnenlandse substraten met behulp van de zelfontwikkelde apparatuur voor 200 mm SiC-epitaxiale groei. Het homogene epitaxiale proces, geschikt voor zowel 150 mm als 200 mm wafers, is hiermee ontwikkeld. De epitaxiale groeisnelheid kan hoger zijn dan 60 μm/u. De wafers voldoen aan de eisen voor snelle epitaxie en leveren tegelijkertijd een uitstekende kwaliteit. De dikte-uniformiteit van de 150 mm en 200 mm SiC-epitaxiale wafers kan worden gecontroleerd binnen 1,5%, de concentratie-uniformiteit is minder dan 3%, de dichtheid van fatale defecten is minder dan 0,3 deeltjes/cm² en de wortelgemiddelde kwadratische ruwheid (Ra) van het epitaxiale oppervlak is minder dan 0,15 nm. De belangrijkste procesindicatoren van de epitaxiale wafers bevinden zich op een geavanceerd niveau in de industrie.
Bron: Speciale apparatuur voor de elektronica-industrie
Auteur: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(48e Onderzoeksinstituut van China Electronics Technology Group Corporation, Changsha, Hunan 410111)
Geplaatst op: 04-09-2024