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 dos wafers epitaxiais. A precisão no controle da espessura, da concentração de dopagem e da uniformidade dentro do wafer são essenciais para garantir o desempenho e a consistência do processo.Dispositivos de energia SiC, e a espessura da camada epitaxial e a uniformidade da concentração de dopagem também são bases importantes para medir a capacidade do processo do equipamento epitaxial.
A Figura 3 mostra a curva de uniformidade e distribuição de espessura de 150 mm e 200 mmWafers epitaxiais de SiC. Pode-se observar na figura que a curva de distribuição da espessura da camada epitaxial é simétrica em relação ao ponto central do wafer. O tempo de processamento epitaxial é de 600 s, a espessura média da camada epitaxial do wafer epitaxial de 150 mm é de 10,89 µm e a uniformidade da espessura é de 1,05%. Calculando-se, a taxa de crescimento epitaxial é de 65,3 µm/h, o que corresponde a um nível típico de processo epitaxial rápido. Sob o mesmo tempo de processamento epitaxial, a espessura da camada epitaxial do 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 de 150 mm. Isso ocorre porque há perdas óbvias ao longo do caminho quando a fonte de silício e a fonte de carbono fluem da parte superior da câmara de reação através da superfície do wafer para a parte inferior da câmara de reação, e a área do wafer de 200 mm é maior que a de 150 mm. O gás flui através da superfície do wafer de 200 mm por uma distância maior, e o gás da fonte consumido ao longo do caminho é maior. Sob a condição de que o wafer continue girando, a espessura geral da camada epitaxial é mais fina, portanto, a taxa de crescimento é mais lenta. No geral, a uniformidade de espessura dos wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm é excelente, e a capacidade do processo do equipamento pode atender aos requisitos de dispositivos de alta qualidade.
2.2 Concentração e uniformidade de dopagem da camada epitaxial
A Figura 4 mostra a uniformidade da concentração de dopagem e a distribuição da curva de 150 mm e 200 mmWafers epitaxiais de SiCComo pode ser visto na figura, a curva de distribuição de concentração na lâmina epitaxial apresenta simetria evidente em relação ao centro da lâmina. 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 em até 3%, o que representa um nível excelente para equipamentos internacionais similares. A curva de concentração de dopagem da camada epitaxial é distribuída em forma de "W" ao longo da direção do diâmetro, que é determinada principalmente pelo campo de fluxo do forno epitaxial de parede quente horizontal, pois a direção do fluxo de ar do forno de crescimento epitaxial de fluxo de ar horizontal é a partir da extremidade de entrada de ar (a montante) e flui para fora da extremidade a jusante de forma laminar através da superfície da lâmina. como a taxa de "esgotamento ao longo do caminho" da fonte de carbono (C2H4) é maior do que a da fonte de silício (TCS), quando o wafer gira, o 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, a fim de obter excelente uniformidade de concentração, a borda N2 é adicionada como compensação durante o processo epitaxial para desacelerar 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 da camada epitaxial
Além da espessura e da concentração de dopagem, o nível de controle de defeitos da camada epitaxial também é um parâmetro essencial para medir a qualidade de wafers epitaxiais e um importante indicador da capacidade de processamento de equipamentos epitaxiais. Embora SBD e MOSFET tenham requisitos diferentes para defeitos, os defeitos de morfologia de superfície mais óbvios, como defeitos de gota, defeitos triangulares, defeitos de cenoura, defeitos de cometa, etc., são definidos como defeitos fatais de dispositivos SBD e MOSFET. A probabilidade de falha de chips que contêm esses defeitos é alta, portanto, controlar o número de defeitos fatais é extremamente importante para melhorar o rendimento dos chips e reduzir custos. A Figura 5 mostra a distribuição de defeitos fatais de wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm. Sob a condição de que não haja desequilíbrio óbvio na razão C/Si, os defeitos de cenoura e defeitos de cometa podem ser basicamente eliminados, enquanto os defeitos de gota e defeitos triangulares estão relacionados ao controle de limpeza durante a operação do equipamento epitaxial, ao nível de impurezas das peças de grafite na câmara de reação e à qualidade do substrato. A Tabela 2 mostra que a densidade de defeitos fatais dos wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm pode ser controlada dentro de 0,3 partículas/cm², o que representa um nível excelente para o mesmo tipo de equipamento. O nível de controle da densidade de defeitos fatais do wafer epitaxial de 150 mm é superior ao do wafer epitaxial de 200 mm. Isso ocorre porque o processo de preparação do substrato de 150 mm é mais maduro do que o de 200 mm, a qualidade do substrato é melhor e o nível de controle de impurezas da câmara de reação de grafite de 150 mm é superior.
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 da superfície Ra dos wafers epitaxiais de 150 mm e 200 mm é de 0,129 nm e 0,113 nm, respectivamente, e que a superfície da camada epitaxial é lisa, sem fenômeno óbvio de agregação macroescalonada. Esse fenômeno demonstra que o crescimento da camada epitaxial sempre mantém o modo de crescimento em fluxo escalonado durante todo o processo epitaxial, sem agregação em etapas. Pode-se observar que, ao utilizar o processo de crescimento epitaxial otimizado, camadas epitaxiais lisas podem ser obtidas em substratos de baixo ângulo de 150 mm e 200 mm.
3 Conclusão
Os wafers epitaxiais homogêneos de 4H-SiC de 150 mm e 200 mm foram preparados com sucesso em substratos domésticos usando o equipamento de crescimento epitaxial de SiC de 200 mm desenvolvido por nós mesmos, e o processo epitaxial homogêneo adequado para 150 mm e 200 mm foi desenvolvido. A taxa de crescimento epitaxial pode ser superior a 60 μm/h. Ao atender ao requisito de epitaxia de alta velocidade, a qualidade do wafer epitaxial é excelente. A uniformidade de espessura dos wafers epitaxiais de SiC de 150 mm e 200 mm pode ser controlada dentro de 1,5%, a uniformidade de concentração é inferior a 3%, a densidade de defeitos fatais é inferior a 0,3 partículas/cm² e a raiz quadrada média da rugosidade da superfície epitaxial Ra é inferior a 0,15 nm. Os indicadores de processo central dos wafers epitaxiais estão no nível avançado da 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)
Horário da publicação: 04/09/2024