การวิจัยเตาเผาเอพิแทกเซียล SiC ขนาด 8 นิ้วและกระบวนการโฮโมเอพิแทกเซียล-Ⅱ

 

2. ผลการทดลองและการอภิปราย

2.1ชั้นเอพิแทกเซียลความหนาและความสม่ำเสมอ

ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล ความเข้มข้นของการเจือปน และความสม่ำเสมอเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้หลักในการตัดสินคุณภาพของเวเฟอร์เอพิแทกเซียล ความหนาที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ ความเข้มข้นของการเจือปน และความสม่ำเสมอภายในเวเฟอร์เป็นกุญแจสำคัญในการรับรองประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอของอุปกรณ์ไฟฟ้า SiCและความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลและความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของการเจือปนสารยังเป็นฐานสำคัญสำหรับการวัดความสามารถในการประมวลผลของอุปกรณ์เอพิแทกเซียลอีกด้วย

รูปที่ 3 แสดงความสม่ำเสมอของความหนาและเส้นโค้งการกระจายของ 150 มม. และ 200 มม.เวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiCจากรูปจะเห็นได้ว่าเส้นโค้งการกระจายความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลสมมาตรรอบจุดศูนย์กลางของเวเฟอร์ เวลาดำเนินการเอพิแทกเซียลคือ 600 วินาที ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลเฉลี่ยของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. คือ 10.89 ไมโครเมตร และความสม่ำเสมอของความหนาคือ 1.05% เมื่อคำนวณแล้ว อัตราการเติบโตของเอพิแทกเซียลคือ 65.3 ไมโครเมตร/ชม. ซึ่งเป็นระดับกระบวนการเอพิแทกเซียลที่รวดเร็วโดยทั่วไป ภายใต้เวลาดำเนินการเอพิแทกเซียลเดียวกัน ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 200 มม. คือ 10.10 ไมโครเมตร ความสม่ำเสมอของความหนาอยู่ภายใน 1.36% และอัตราการเติบโตโดยรวมคือ 60.60 ไมโครเมตร/ชม. ซึ่งต่ำกว่าอัตราการเติบโตเอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. เล็กน้อย เนื่องจากมีการสูญเสียที่ชัดเจนตลอดทางเมื่อแหล่งซิลิกอนและแหล่งคาร์บอนไหลจากต้นน้ำของห้องปฏิกิริยาผ่านพื้นผิวเวเฟอร์ไปยังปลายน้ำของห้องปฏิกิริยา และพื้นที่เวเฟอร์ 200 มม. มีขนาดใหญ่กว่า 150 มม. ก๊าซไหลผ่านพื้นผิวของเวเฟอร์ 200 มม. ในระยะทางที่ยาวขึ้น และก๊าซต้นน้ำที่บริโภคระหว่างทางจะมากขึ้น ภายใต้เงื่อนไขที่เวเฟอร์ยังคงหมุนต่อไป ความหนาโดยรวมของชั้นเอพิแทกเซียลจะบางลง ดังนั้น อัตราการเจริญเติบโตจึงช้าลง โดยรวมแล้ว ความสม่ำเสมอของความหนาในเวเฟอร์เอพิแทกเซียล 150 มม. และ 200 มม. นั้นยอดเยี่ยม และความสามารถในการประมวลผลของอุปกรณ์สามารถตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์คุณภาพสูงได้

 

2.2 ความเข้มข้นและความสม่ำเสมอของการเจือปนในชั้นเอพิแทกเซียล

รูปที่ 4 แสดงความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของการเจือปนและการกระจายของเส้นโค้งที่ 150 มม. และ 200 มม.เวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiCจากภาพจะเห็นได้ว่าเส้นโค้งการกระจายความเข้มข้นบนเวเฟอร์เอพิแทกเซียลมีความสมมาตรที่ชัดเจนเมื่อเทียบกับจุดศูนย์กลางของเวเฟอร์ ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของการเจือปนของชั้นเอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. คือ 2.80% และ 2.66% ตามลำดับ ซึ่งสามารถควบคุมได้ภายใน 3% ซึ่งถือเป็นระดับที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์ระดับสากลที่คล้ายกัน เส้นโค้งการกระจายความเข้มข้นของการเจือปนของชั้นเอพิแทกเซียลจะกระจายเป็นรูปตัว "W" ตามทิศทางเส้นผ่านศูนย์กลาง ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดโดยสนามการไหลของเตาเผาเอพิแทกเซียลผนังร้อนแนวนอน เนื่องจากทิศทางการไหลของอากาศของเตาเผาเอพิแทกเซียลแบบการไหลของอากาศแนวนอนจะมาจากปลายทางเข้าอากาศ (ต้นน้ำ) และไหลออกจากปลายน้ำในลักษณะเป็นแผ่นผ่านพื้นผิวของเวเฟอร์ เนื่องจากอัตราการ "ลดลงตามเส้นทาง" ของแหล่งคาร์บอน (C2H4) สูงกว่าของแหล่งซิลิกอน (TCS) เมื่อเวเฟอร์หมุน C/Si จริงบนพื้นผิวเวเฟอร์จะลดลงทีละน้อยจากขอบไปยังจุดศูนย์กลาง (แหล่งคาร์บอนในจุดศูนย์กลางจะน้อยกว่า) ตาม "ทฤษฎีตำแหน่งการแข่งขัน" ของ C และ N ความเข้มข้นของการเจือปนสารที่จุดศูนย์กลางของเวเฟอร์จะลดลงทีละน้อยเมื่อเข้าใกล้ขอบ เพื่อให้ได้ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นที่ยอดเยี่ยม จึงมีการเติม N2 ที่ขอบเพื่อชดเชยในระหว่างกระบวนการเอพิแทกเซียลเพื่อชะลอการลดลงของความเข้มข้นของการเจือปนสารจากจุดศูนย์กลางไปยังขอบ ทำให้เส้นโค้งความเข้มข้นของการเจือปนสารสุดท้ายแสดงรูปร่าง "W"

2.3 ข้อบกพร่องของชั้นเอพิแทกเซียล

นอกจากความหนาและความเข้มข้นของการเจือปนแล้ว ระดับของการควบคุมข้อบกพร่องของชั้นเอพิแทกเซียลยังเป็นพารามิเตอร์หลักในการวัดคุณภาพของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลและเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของความสามารถในการประมวลผลของอุปกรณ์เอพิแทกเซียล แม้ว่า SBD และ MOSFET จะมีข้อกำหนดสำหรับข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน แต่ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยาพื้นผิวที่เห็นได้ชัดเจนกว่า เช่น ข้อบกพร่องแบบหยด ข้อบกพร่องแบบสามเหลี่ยม ข้อบกพร่องแบบแครอท ข้อบกพร่องแบบโคเมต เป็นต้น ถูกกำหนดให้เป็นข้อบกพร่องร้ายแรงของอุปกรณ์ SBD และ MOSFET ความน่าจะเป็นของความล้มเหลวของชิปที่มีข้อบกพร่องเหล่านี้มีสูง ดังนั้นการควบคุมจำนวนข้อบกพร่องร้ายแรงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงผลผลิตของชิปและลดต้นทุน รูปที่ 5 แสดงการกระจายของข้อบกพร่องร้ายแรงของเวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 150 มม. และ 200 มม. ภายใต้เงื่อนไขที่ไม่มีความไม่สมดุลที่ชัดเจนในอัตราส่วน C/Si ข้อบกพร่องแครอทและข้อบกพร่องโคเมทสามารถกำจัดได้ในระดับพื้นฐาน ในขณะที่ข้อบกพร่องหยดและข้อบกพร่องสามเหลี่ยมมีความเกี่ยวข้องกับการควบคุมความสะอาดในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์เอพิแทกเซียล ระดับสิ่งเจือปนของชิ้นส่วนกราไฟท์ในห้องปฏิกิริยา และคุณภาพของสารตั้งต้น จากตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. สามารถควบคุมได้ภายใน 0.3 อนุภาคต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งเป็นระดับที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์ประเภทเดียวกัน ระดับการควบคุมความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. ดีกว่าของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 200 มม. ทั้งนี้เนื่องจากกระบวนการเตรียมสารตั้งต้นขนาด 150 มม. มีอายุมากกว่า 200 มม. คุณภาพของสารตั้งต้นดีกว่า และระดับการควบคุมสิ่งเจือปนของห้องปฏิกิริยากราไฟท์ขนาด 150 มม. ดีกว่า

 

2.4 ความหยาบของพื้นผิวเวเฟอร์เอพิแทกเซียล

รูปที่ 6 แสดงภาพ AFM ของพื้นผิวเวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 150 มม. และ 200 มม. จากรูปจะเห็นได้ว่าค่าความหยาบเฉลี่ยกำลังสองของพื้นผิว Ra ของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. คือ 0.129 นาโนเมตรและ 0.113 นาโนเมตรตามลำดับ และพื้นผิวของชั้นเอพิแทกเซียลมีความเรียบโดยไม่มีปรากฏการณ์การรวมตัวแบบมาโครขั้นตอนที่ชัดเจน ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าการเติบโตของชั้นเอพิแทกเซียลจะรักษาโหมดการเติบโตของการไหลแบบขั้นตอนไว้เสมอตลอดกระบวนการเอพิแทกเซียลทั้งหมด และไม่มีการรวมตัวแบบขั้นตอนเกิดขึ้น จะเห็นได้ว่าการใช้กระบวนการเติบโตเอพิแทกเซียลที่ปรับให้เหมาะสม จะทำให้ได้ชั้นเอพิแทกเซียลที่เรียบบนพื้นผิวที่มีมุมต่ำขนาด 150 มม. และ 200 มม.

 

3 บทสรุป

เวเฟอร์เอพิแทกเซียล 4H-SiC ขนาด 150 มม. และ 200 มม. ได้รับการเตรียมบนพื้นผิวในประเทศสำเร็จโดยใช้อุปกรณ์การเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียล SiC ขนาด 200 มม. ที่พัฒนาขึ้นเอง และได้พัฒนากระบวนการเอพิแทกเซียลที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งเหมาะสำหรับขนาด 150 มม. และ 200 มม. อัตราการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลสามารถมากกว่า 60 ไมโครเมตร/ชม. ในขณะที่ตอบสนองความต้องการเอพิแทกเซียลความเร็วสูง คุณภาพของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลก็ยอดเยี่ยม ความสม่ำเสมอของความหนาของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลขนาด 150 มม. และ 200 มม. สามารถควบคุมได้ภายใน 1.5% ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นน้อยกว่า 3% ความหนาแน่นของข้อบกพร่องร้ายแรงน้อยกว่า 0.3 อนุภาคต่อตารางเซนติเมตร และค่ารากที่สองเฉลี่ยของความหยาบของพื้นผิวเอพิแทกเซียล Ra น้อยกว่า 0.15 นาโนเมตร ตัวบ่งชี้กระบวนการหลักของเวเฟอร์เอพิแทกเซียลอยู่ในระดับขั้นสูงในอุตสาหกรรม

ที่มา: อุปกรณ์พิเศษอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
ผู้แต่ง: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(สถาบันวิจัยแห่งที่ 48 แห่งกลุ่มเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์จีน ฉางซา หูหนาน 410111)