2. Результаты эксперимента и их обсуждение
2.1Эпитаксиальный слойтолщина и однородность
Толщина эпитаксиального слоя, концентрация легирования и однородность являются одними из основных показателей качества эпитаксиальных пластин. Точно контролируемая толщина, концентрация легирования и однородность внутри пластины являются ключом к обеспечению производительности и стабильности.силовые устройства на основе SiCТолщина эпитаксиального слоя и равномерность концентрации легирующих примесей также являются важными показателями для оценки технологических возможностей эпитаксиального оборудования.
На рисунке 3 показана кривая равномерности толщины и распределения толщины для слоев толщиной 150 мм и 200 мм.Эпитаксиальные пластины SiCИз рисунка видно, что кривая распределения толщины эпитаксиального слоя симметрична относительно центральной точки пластины. Время эпитаксиального процесса составляет 600 с, средняя толщина эпитаксиального слоя на 150-мм пластине составляет 10,89 мкм, а равномерность толщины — 1,05%. Расчетная скорость эпитаксиального роста составляет 65,3 мкм/ч, что является типичным уровнем быстрого эпитаксиального процесса. При том же времени эпитаксиального процесса толщина эпитаксиального слоя на 200-мм пластине составляет 10,10 мкм, равномерность толщины находится в пределах 1,36%, а общая скорость роста составляет 60,60 мкм/ч, что немного ниже скорости эпитаксиального роста на 150-мм пластине. Это связано с очевидными потерями на пути потока источника кремния и источника углерода от поверхности пластины к поверхности пластины, расположенной выше по потоку реакционной камеры, а также с тем, что площадь пластины 200 мм больше, чем 150 мм. Газ протекает через поверхность пластины 200 мм на большее расстояние, и расход газа-источника на этом пути выше. При условии постоянного вращения пластины общая толщина эпитаксиального слоя меньше, поэтому скорость роста ниже. В целом, однородность толщины эпитаксиальных пластин 150 мм и 200 мм превосходна, и технологические возможности оборудования позволяют удовлетворить требованиям к высококачественным устройствам.
2.2 Концентрация и однородность легирования эпитаксиального слоя
На рисунке 4 показана равномерность концентрации легирующей примеси и распределение кривых для образцов размером 150 мм и 200 мм.Эпитаксиальные пластины SiCКак видно из рисунка, кривая распределения концентрации на эпитаксиальной пластине обладает явной симметрией относительно центра пластины. Равномерность концентрации легирования эпитаксиальных слоев толщиной 150 мм и 200 мм составляет 2,80% и 2,66% соответственно, что позволяет контролировать ее в пределах 3%, что является отличным показателем для аналогичного международного оборудования. Кривая концентрации легирования эпитаксиального слоя имеет W-образную форму вдоль диаметра, что в основном определяется полем потока в горизонтальной печи для эпитаксиального роста с горячими стенками, поскольку поток воздуха в горизонтальной печи для эпитаксиального роста идет от входного отверстия (вверх по потоку) и выходит из него ламинарно через поверхность пластины; Поскольку скорость «истощения по пути» источника углерода (C2H4) выше, чем скорость истощения источника кремния (TCS), при вращении пластины фактическое соотношение C/Si на поверхности пластины постепенно уменьшается от края к центру (источник углерода в центре меньше). В соответствии с «теорией конкурентного положения» C и N, концентрация легирования в центре пластины постепенно уменьшается по направлению к краю. Для достижения превосходной однородности концентрации в процессе эпитаксии в качестве компенсации добавляется N2 на краю, чтобы замедлить уменьшение концентрации легирования от центра к краю, так что итоговая кривая концентрации легирования имеет W-образную форму.
2.3 Дефекты эпитаксиального слоя
Помимо толщины и концентрации легирования, уровень контроля дефектов эпитаксиального слоя также является ключевым параметром для оценки качества эпитаксиальных пластин и важным показателем технологических возможностей эпитаксиального оборудования. Хотя SBD и MOSFET предъявляют разные требования к дефектам, наиболее очевидные дефекты морфологии поверхности, такие как каплевидные дефекты, треугольные дефекты, морковные дефекты, кометные дефекты и т. д., определяются как «убийцы» дефектов в устройствах SBD и MOSFET. Вероятность отказа чипов, содержащих эти дефекты, высока, поэтому контроль количества «убийц» дефектов чрезвычайно важен для повышения выхода годных чипов и снижения затрат. На рисунке 5 показано распределение «убийц» дефектов на эпитаксиальных пластинах SiC размером 150 мм и 200 мм. При отсутствии явного дисбаланса в соотношении C/Si дефекты в виде моркови и кометы могут быть в основном устранены, в то время как дефекты в виде капли и треугольника связаны с контролем чистоты во время работы эпитаксиального оборудования, уровнем примесей в графитовых деталях реакционной камеры и качеством подложки. Из таблицы 2 видно, что плотность критических дефектов на эпитаксиальных пластинах диаметром 150 мм и 200 мм может контролироваться в пределах 0,3 частиц/см², что является отличным уровнем для оборудования того же типа. Уровень контроля плотности критических дефектов на эпитаксиальной пластине диаметром 150 мм лучше, чем на эпитаксиальной пластине диаметром 200 мм. Это объясняется тем, что процесс подготовки подложки для 150 мм более отработан, чем для 200 мм, качество подложки лучше, а уровень контроля примесей в графитовой реакционной камере для 150 мм лучше.
2.4 Шероховатость поверхности эпитаксиальной пластины
На рисунке 6 показаны изображения поверхности эпитаксиальных подложек SiC размером 150 мм и 200 мм, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Из рисунка видно, что среднеквадратичная шероховатость поверхности Ra эпитаксиальных подложек размером 150 мм и 200 мм составляет 0,129 нм и 0,113 нм соответственно, а поверхность эпитаксиального слоя гладкая, без явного явления агрегации макроступеней. Это явление показывает, что рост эпитаксиального слоя всегда поддерживает режим пошагового роста на протяжении всего процесса эпитаксиального роста, и агрегация ступеней не происходит. Видно, что с помощью оптимизированного процесса эпитаксиального роста можно получить гладкие эпитаксиальные слои на низкоугловых подложках размером 150 мм и 200 мм.
3. Заключение
С помощью разработанного нами оборудования для эпитаксиального роста SiC диаметром 200 мм были успешно получены гомогенные эпитаксиальные пластины 4H-SiC диаметром 150 мм и 200 мм на отечественных подложках, а также разработан гомогенный эпитаксиальный процесс, подходящий для этих размеров. Скорость эпитаксиального роста может превышать 60 мкм/ч. При этом, обеспечивая высокую скорость эпитаксии, качество эпитаксиальных пластин превосходное. Однородность толщины эпитаксиальных пластин SiC диаметром 150 мм и 200 мм контролируется в пределах 1,5%, однородность концентрации составляет менее 3%, плотность критических дефектов — менее 0,3 частиц/см², а среднеквадратичная шероховатость поверхности эпитаксиальных пластин Ra составляет менее 0,15 нм. Основные технологические показатели эпитаксиальных пластин находятся на передовом уровне в отрасли.
Источник: Специальное оборудование для электронной промышленности
Автор: Се Тяньлэ, Ли Пин, Ян Юй, Гун Сяолян, Ба Сай, Чэнь Гоцинь, Ван Шэнцян
(48-й научно-исследовательский институт Китайской корпорации электронных технологий, Чанша, провинция Хунань 410111)
Дата публикации: 04.09.2024