2 Deneysel sonuçlar ve tartışma
2.1Epitaksiyel katmankalınlık ve homojenlik
Epitaksiyel tabaka kalınlığı, katkılama konsantrasyonu ve homojenliği, epitaksiyel levhaların kalitesini değerlendirmek için kullanılan temel göstergelerden biridir. Levha içindeki kalınlığın, katkılama konsantrasyonunun ve homojenliğin doğru bir şekilde kontrol edilebilmesi, performans ve tutarlılığın sağlanmasının anahtarıdır.SiC güç cihazlarıEpitaksiyel katman kalınlığı ve katkılama konsantrasyonunun homojenliği de epitaksiyel ekipmanın işlem yeteneğini ölçmek için önemli ölçütlerdir.
Şekil 3, 150 mm ve 200 mm'lik kalınlıkların homojenliğini ve dağılım eğrisini göstermektedir.SiC epitaksiyel levhalarŞekilden de görülebileceği gibi, epitaksiyel tabaka kalınlığı dağılım eğrisi, plakanın merkez noktasına göre simetriktir. Epitaksiyel işlem süresi 600 saniyedir, 150 mm'lik epitaksiyel plakanın ortalama epitaksiyel tabaka kalınlığı 10,89 µm'dir ve kalınlık homojenliği %1,05'tir. Hesaplamalara göre, epitaksiyel büyüme hızı 65,3 µm/saat olup, bu tipik bir hızlı epitaksiyel işlem seviyesidir. Aynı epitaksiyel işlem süresinde, 200 mm'lik epitaksiyel plakanın epitaksiyel tabaka kalınlığı 10,10 µm, kalınlık homojenliği %1,36 içindedir ve genel büyüme hızı 60,60 µm/saat olup, bu da 150 mm'lik epitaksiyel büyüme hızından biraz daha düşüktür. Bunun nedeni, silikon ve karbon kaynaklarının reaksiyon odasının üst kısmından plaka yüzeyinden geçerek reaksiyon odasının alt kısmına doğru akarken yol boyunca belirgin bir kayıp olması ve 200 mm'lik plaka alanının 150 mm'lik plakadan daha büyük olmasıdır. Gaz, 200 mm'lik plakanın yüzeyinden daha uzun bir mesafe boyunca akar ve yol boyunca tüketilen kaynak gazı daha fazladır. Plakanın dönmeye devam etmesi koşuluyla, epitaksiyel tabakanın toplam kalınlığı daha ince olur, bu nedenle büyüme hızı daha yavaş olur. Genel olarak, 150 mm ve 200 mm'lik epitaksiyel plakaların kalınlık homojenliği mükemmeldir ve ekipmanın işlem kapasitesi yüksek kaliteli cihazların gereksinimlerini karşılayabilir.
2.2 Epitaksiyel tabaka katkılama konsantrasyonu ve homojenliği
Şekil 4, 150 mm ve 200 mm'lik numunelerin katkılama konsantrasyonunun homojenliğini ve eğri dağılımını göstermektedir.SiC epitaksiyel levhalarŞekilden de görülebileceği gibi, epitaksiyel plaka üzerindeki konsantrasyon dağılım eğrisi, plakanın merkezine göre belirgin bir simetriye sahiptir. 150 mm ve 200 mm epitaksiyel katmanların doping konsantrasyonu homojenliği sırasıyla %2,80 ve %2,66 olup, %3 içinde kontrol edilebilmektedir; bu da benzer uluslararası ekipmanlar için mükemmel bir seviyedir. Epitaksiyel katmanın doping konsantrasyon eğrisi, çap yönünde "W" şeklinde dağılmıştır; bu durum esas olarak yatay sıcak duvarlı epitaksiyel fırının akış alanı tarafından belirlenir, çünkü yatay hava akışlı epitaksiyel büyüme fırınının hava akış yönü, hava giriş ucundan (yukarı akış) gelir ve plaka yüzeyinden laminer bir şekilde aşağı akış ucundan çıkar; Karbon kaynağının (C2H4) "yol boyunca tükenme" oranı silikon kaynağının (TCS) oranından daha yüksek olduğundan, plaka döndüğünde, plaka yüzeyindeki gerçek C/Si oranı kenardan merkeze doğru kademeli olarak azalır (merkezdeki karbon kaynağı daha azdır). C ve N'nin "rekabetçi konum teorisine" göre, plakanın merkezindeki katkı konsantrasyonu kenara doğru kademeli olarak azalır. Mükemmel konsantrasyon homojenliği elde etmek için, epitaksiyel işlem sırasında kenar N2, katkı konsantrasyonunun merkezden kenara doğru azalmasını yavaşlatmak için telafi edici olarak eklenir, böylece nihai katkı konsantrasyonu eğrisi "W" şeklinde olur.
2.3 Epitaksiyel tabaka kusurları
Kalınlık ve katkı konsantrasyonuna ek olarak, epitaksiyel katman kusur kontrolü seviyesi de epitaksiyel gofretlerin kalitesini ölçmek için temel bir parametre ve epitaksiyel ekipmanın işlem kabiliyetinin önemli bir göstergesidir. SBD ve MOSFET'in kusurlar için farklı gereksinimleri olmasına rağmen, damla kusurları, üçgen kusurları, havuç kusurları, kuyruklu yıldız kusurları vb. gibi daha belirgin yüzey morfolojisi kusurları, SBD ve MOSFET cihazlarının "öldürücü kusurları" olarak tanımlanır. Bu kusurları içeren çiplerin arızalanma olasılığı yüksektir, bu nedenle öldürücü kusurların sayısını kontrol etmek, çip verimini artırmak ve maliyetleri düşürmek için son derece önemlidir. Şekil 5, 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel gofretlerin öldürücü kusurlarının dağılımını göstermektedir. C/Si oranında belirgin bir dengesizlik olmadığı koşulda, havuç kusurları ve kuyruklu yıldız kusurları temel olarak ortadan kaldırılabilirken, damla kusurları ve üçgen kusurları, epitaksiyel ekipmanın çalışması sırasında temizlik kontrolü, reaksiyon odasındaki grafit parçalarının safsızlık seviyesi ve alt tabakanın kalitesi ile ilgilidir. Tablo 2'den görülebileceği üzere, 150 mm ve 200 mm epitaksiyel plakaların ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 partikül/cm2 içinde kontrol edilebilmektedir; bu, aynı tip ekipman için mükemmel bir seviyedir. 150 mm epitaksiyel plakanın ölümcül kusur yoğunluğu kontrol seviyesi, 200 mm epitaksiyel plakaya göre daha iyidir. Bunun nedeni, 150 mm'lik plakanın alt tabaka hazırlama sürecinin 200 mm'lik plakaya göre daha olgun olması, alt tabaka kalitesinin daha iyi olması ve 150 mm'lik grafit reaksiyon odasının safsızlık kontrol seviyesinin daha iyi olmasıdır.
2.4 Epitaksiyel gofret yüzey pürüzlülüğü
Şekil 6, 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların yüzeyinin AFM görüntülerini göstermektedir. Şekilden görülebileceği gibi, 150 mm ve 200 mm epitaksiyel levhaların yüzey kök ortalama kare pürüzlülüğü Ra sırasıyla 0,129 nm ve 0,113 nm'dir ve epitaksiyel tabakanın yüzeyi, belirgin makro basamak birleşme fenomeni olmaksızın pürüzsüzdür. Bu fenomen, epitaksiyel tabakanın büyümesinin tüm epitaksiyel işlem boyunca her zaman basamak akışı büyüme modunu koruduğunu ve basamak birleşmesinin meydana gelmediğini göstermektedir. Optimize edilmiş epitaksiyel büyüme işlemi kullanılarak, 150 mm ve 200 mm düşük açılı alt tabakalarda pürüzsüz epitaksiyel tabakalar elde edilebileceği görülmektedir.
3 Sonuç
Yerli alt tabakalar üzerine, kendi geliştirdiğimiz 200 mm SiC epitaksiyel büyüme ekipmanı kullanılarak 150 mm ve 200 mm 4H-SiC homojen epitaksiyel levhalar başarıyla üretildi ve 150 mm ve 200 mm için uygun homojen epitaksiyel işlem geliştirildi. Epitaksiyel büyüme hızı 60 μm/saat'ten fazla olabilir. Yüksek hızlı epitaksi gereksinimini karşılarken, epitaksiyel levha kalitesi mükemmeldir. 150 mm ve 200 mm SiC epitaksiyel levhaların kalınlık homojenliği %1,5 içinde kontrol edilebilir, konsantrasyon homojenliği %3'ten azdır, ölümcül kusur yoğunluğu 0,3 parçacık/cm2'den azdır ve epitaksiyel yüzey pürüzlülüğü kök ortalama kare Ra 0,15 nm'den azdır. Epitaksiyel levhaların temel işlem göstergeleri sektörde ileri düzeydedir.
Kaynak: Elektronik Sanayi Özel Ekipmanları
Yazar: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(Çin Elektronik Teknoloji Grubu Şirketi 48. Araştırma Enstitüsü, Changsha, Hunan 410111)
Yayın tarihi: 04 Eylül 2024