2 Resultados experimentais e discussão
2.1Camada epitaxialespessura e uniformidade
A espessura da camada epitaxial, a concentração de dopagem e a uniformidade são indicadores essenciais para avaliar a qualidade de wafers epitaxiais. O controle preciso da espessura, da concentração de dopagem e da uniformidade dentro do wafer é fundamental para garantir o desempenho e a consistência do processo.dispositivos de potência SiCA espessura da camada epitaxial e a uniformidade da concentração de dopagem também são bases importantes para medir a capacidade de processamento de equipamentos epitaxiais.
A Figura 3 mostra a curva de uniformidade e distribuição da espessura para 150 mm e 200 mm.wafers epitaxiais de SiCComo pode ser observado na figura, a curva de distribuição da espessura da camada epitaxial é simétrica em relação ao ponto central do wafer. O tempo de processo epitaxial é de 600 s, a espessura média da camada epitaxial no wafer epitaxial de 150 mm é de 10,89 µm e a uniformidade da espessura é de 1,05%. Pelo cálculo, a taxa de crescimento epitaxial é de 65,3 µm/h, o que é típico para um processo epitaxial rápido. Com o mesmo tempo de processo epitaxial, a espessura da camada epitaxial no wafer epitaxial de 200 mm é de 10,10 µm, a uniformidade da espessura está dentro de 1,36% e a taxa de crescimento geral é de 60,60 µm/h, ligeiramente inferior à taxa de crescimento epitaxial do wafer de 150 mm. Isso ocorre porque há uma perda considerável ao longo do processo, quando a fonte de silício e a fonte de carbono fluem da entrada da câmara de reação através da superfície do wafer até a saída, e a área do wafer de 200 mm é maior que a do wafer de 150 mm. O gás flui pela superfície do wafer de 200 mm por uma distância maior, e o consumo de gás da fonte ao longo do caminho é maior. Sob a condição de que o wafer esteja em rotação contínua, a espessura total da camada epitaxial é menor, resultando em uma taxa de crescimento mais lenta. No geral, a uniformidade da espessura dos wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm é excelente, e a capacidade de processamento do equipamento atende aos requisitos para dispositivos de alta qualidade.
2.2 Concentração e uniformidade da dopagem da camada epitaxial
A Figura 4 mostra a uniformidade da concentração de dopagem e a distribuição da curva para 150 mm e 200 mm.wafers epitaxiais de SiCComo pode ser observado na figura, a curva de distribuição da concentração na pastilha epitaxial apresenta simetria evidente em relação ao centro da pastilha. A uniformidade da concentração de dopagem das camadas epitaxiais de 150 mm e 200 mm é de 2,80% e 2,66%, respectivamente, podendo ser controlada dentro de 3%, o que representa um excelente nível para equipamentos similares de padrão internacional. A curva de concentração de dopagem da camada epitaxial apresenta uma distribuição em forma de "W" ao longo da direção do diâmetro, o que é determinado principalmente pelo campo de fluxo do forno epitaxial de parede quente horizontal, visto que o fluxo de ar no forno de crescimento epitaxial de fluxo de ar horizontal parte da entrada de ar (a montante) e sai pela extremidade a jusante de forma laminar através da superfície da pastilha; Como a taxa de depleção ao longo do caminho da fonte de carbono (C2H4) é maior do que a da fonte de silício (TCS), quando o wafer gira, a relação C/Si real na superfície do wafer diminui gradualmente da borda para o centro (a fonte de carbono no centro é menor). De acordo com a "teoria da posição competitiva" de C e N, a concentração de dopagem no centro do wafer diminui gradualmente em direção à borda. Para obter uma excelente uniformidade de concentração, adiciona-se N2 na borda como compensação durante o processo epitaxial para retardar a diminuição da concentração de dopagem do centro para a borda, de modo que a curva final de concentração de dopagem apresente um formato de "W".
2.3 Defeitos na camada epitaxial
Além da espessura e da concentração de dopagem, o nível de controle de defeitos na camada epitaxial também é um parâmetro fundamental para medir a qualidade dos wafers epitaxiais e um importante indicador da capacidade do processo de fabricação de equipamentos epitaxiais. Embora os diodos Schottky (SBD) e os MOSFETs tenham requisitos diferentes em relação aos defeitos, os defeitos de morfologia superficial mais evidentes, como defeitos em forma de gota, defeitos triangulares, defeitos em forma de cenoura, defeitos em forma de cometa, etc., são definidos como defeitos críticos para dispositivos SBD e MOSFET. A probabilidade de falha de chips que contêm esses defeitos é alta, portanto, controlar o número de defeitos críticos é extremamente importante para melhorar o rendimento dos chips e reduzir custos. A Figura 5 mostra a distribuição de defeitos críticos em wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Sob a condição de que não haja desequilíbrio significativo na proporção C/Si, os defeitos em forma de cenoura e os defeitos em forma de cometa podem ser basicamente eliminados, enquanto os defeitos em forma de gota e os defeitos triangulares estão relacionados ao controle de limpeza durante a operação do equipamento epitaxial, ao nível de impurezas das partes de grafite na câmara de reação e à qualidade do substrato. Conforme demonstrado na Tabela 2, a densidade de defeitos críticos em wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm pode ser controlada em até 0,3 partículas/cm², um nível excelente para o mesmo tipo de equipamento. O nível de controle da densidade de defeitos críticos em wafers epitaxiais de 150 mm é superior ao de wafers de 200 mm. Isso se deve ao fato de o processo de preparação do substrato de 150 mm ser mais consolidado, resultando em melhor qualidade do substrato e maior controle de impurezas na câmara de reação de grafite de 150 mm.
2.4 Rugosidade da superfície do wafer epitaxial
A Figura 6 mostra as imagens de AFM da superfície de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Pode-se observar na figura que a rugosidade quadrática média (Ra) da superfície dos wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm é de 0,129 nm e 0,113 nm, respectivamente, e a superfície da camada epitaxial é lisa, sem fenômenos óbvios de agregação de macrodegraus. Esse fenômeno demonstra que o crescimento da camada epitaxial mantém o modo de crescimento por fluxo de degraus durante todo o processo epitaxial, sem ocorrência de agregação de degraus. Conclui-se que, utilizando o processo de crescimento epitaxial otimizado, é possível obter camadas epitaxiais lisas em substratos de baixo ângulo de 150 mm e 200 mm.
3 Conclusão
Lâminas epitaxiais homogêneas de 4H-SiC de 150 mm e 200 mm foram preparadas com sucesso em substratos nacionais utilizando o equipamento de crescimento epitaxial de SiC de 200 mm desenvolvido internamente. Além disso, foi desenvolvido um processo epitaxial homogêneo adequado para 150 mm e 200 mm. A taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 μm/h. Atendendo aos requisitos de alta velocidade de epitaxia, a qualidade das lâminas epitaxiais é excelente. A uniformidade da espessura das lâminas epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm pode ser controlada dentro de 1,5%, a uniformidade da concentração é inferior a 3%, a densidade de defeitos críticos é inferior a 0,3 partículas/cm² e a rugosidade superficial média quadrática (Ra) é inferior a 0,15 nm. Os principais indicadores do processo de fabricação das lâminas epitaxiais estão em um nível avançado na indústria.
Fonte: Equipamentos Especiais da Indústria Eletrônica
Autor: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(48º Instituto de Pesquisa da China Electronics Technology Group Corporation, Changsha, Hunan 410111)
Data da publicação: 04/09/2024