2 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
2.1EpitaxieschichtDicke und Gleichmäßigkeit
Die Dicke der Epitaxieschicht, die Dotierungskonzentration und die Gleichmäßigkeit sind wichtige Indikatoren für die Beurteilung der Qualität von Epitaxiewafern. Eine genau kontrollierbare Dicke, Dotierungskonzentration und Gleichmäßigkeit innerhalb des Wafers sind der Schlüssel zur Gewährleistung der Leistung und Konsistenz vonSiC-Leistungsgerätesowie die Dicke der Epitaxieschicht und die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration sind ebenfalls wichtige Grundlagen für die Messung der Prozessfähigkeit von Epitaxiegeräten.
Abbildung 3 zeigt die Dickengleichmäßigkeit und Verteilungskurve von 150 mm und 200 mmSiC-Epitaxiewafer. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Dickenverteilungskurve der Epitaxieschicht symmetrisch um den Mittelpunkt des Wafers verläuft. Die Epitaxieprozesszeit beträgt 600 s, die durchschnittliche Epitaxieschichtdicke des 150-mm-Epitaxiewafers beträgt 10,89 µm und die Dickengleichmäßigkeit beträgt 1,05 %. Berechnungsgemäß beträgt die epitaktische Wachstumsrate 65,3 µm/h, was einem typischen Wert eines schnellen epitaktischen Prozesses entspricht. Bei gleicher Epitaxieprozesszeit beträgt die Epitaxieschichtdicke des 200-mm-Epitaxiewafers 10,10 µm, die Dickengleichmäßigkeit liegt innerhalb von 1,36 % und die Gesamtwachstumsrate beträgt 60,60 µm/h, was etwas niedriger ist als beim 150-mm-Epitaxiewachstum Rate. Dies liegt daran, dass auf dem Weg offensichtliche Verluste auftreten, wenn die Siliziumquelle und die Kohlenstoffquelle von der stromaufwärtigen Seite der Reaktionskammer durch die Waferoberfläche zur stromabwärtigen Seite der Reaktionskammer fließen und die 200-mm-Waferfläche größer als die 150-mm-Waferfläche ist. Das Gas strömt über eine längere Strecke durch die Oberfläche des 200-mm-Wafers und es wird auf dem Weg mehr Quellgas verbraucht. Unter der Bedingung, dass sich der Wafer weiter dreht, ist die Gesamtdicke der Epitaxieschicht dünner, sodass die Wachstumsrate langsamer ist. Insgesamt ist die Dickengleichmäßigkeit von 150-mm- und 200-mm-Epitaxiewafern ausgezeichnet und die Prozessfähigkeit der Ausrüstung kann die Anforderungen hochwertiger Geräte erfüllen.
2.2 Dotierungskonzentration und Gleichmäßigkeit der Epitaxieschicht
Abbildung 4 zeigt die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration und die Kurvenverteilung von 150 mm und 200 mmSiC-Epitaxiewafer. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, weist die Konzentrationsverteilungskurve auf dem Epitaxiewafer eine offensichtliche Symmetrie relativ zur Mitte des Wafers auf. Die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration der 150-mm- und 200-mm-Epitaxieschichten beträgt 2,80 % bzw. 2,66 %, was innerhalb von 3 % kontrolliert werden kann, was für vergleichbare internationale Geräte ein hervorragendes Niveau darstellt. Die Dotierungskonzentrationskurve der Epitaxieschicht ist in einer „W“-Form entlang der Durchmesserrichtung verteilt, die hauptsächlich durch das Strömungsfeld des horizontalen Epitaxieofens mit heißer Wand bestimmt wird, da die Luftströmungsrichtung des Epitaxiewachstumsofens mit horizontalem Luftstrom von hier aus verläuft das Lufteinlassende (stromaufwärts) und strömt vom stromabwärtigen Ende laminar durch die Waferoberfläche; Da die „Long-the-Way-Depletion“-Rate der Kohlenstoffquelle (C2H4) höher ist als die der Siliziumquelle (TCS), nimmt der tatsächliche C/Si-Gehalt auf der Waferoberfläche beim Drehen des Wafers vom Rand zum Rand hin allmählich ab In der Mitte (die Kohlenstoffquelle in der Mitte ist geringer) nimmt gemäß der „Wettbewerbspositionstheorie“ von C und N die Dotierungskonzentration in der Mitte des Wafers zum Rand hin allmählich ab, um eine hervorragende Konzentrationsgleichmäßigkeit zu erzielen Rand-N2 wird als Ausgleich während des Epitaxieprozesses hinzugefügt, um die Abnahme der Dotierungskonzentration von der Mitte zum Rand zu verlangsamen, sodass die endgültige Dotierungskonzentrationskurve eine „W“-Form aufweist.
2.3 Epitaxieschichtdefekte
Neben der Dicke und der Dotierungskonzentration ist der Grad der Defektkontrolle in der Epitaxieschicht auch ein zentraler Parameter zur Messung der Qualität von Epitaxiewafern und ein wichtiger Indikator für die Prozessfähigkeit von Epitaxiegeräten. Obwohl SBD und MOSFET unterschiedliche Anforderungen an Defekte stellen, werden die offensichtlicheren Oberflächenmorphologiedefekte wie Tropfendefekte, Dreiecksdefekte, Karottendefekte, Kometendefekte usw. als Killerdefekte von SBD- und MOSFET-Geräten definiert. Die Ausfallwahrscheinlichkeit von Chips mit diesen Defekten ist hoch. Daher ist die Kontrolle der Anzahl der Killerdefekte äußerst wichtig, um die Chipausbeute zu verbessern und die Kosten zu senken. Abbildung 5 zeigt die Verteilung der Killerdefekte von 150-mm- und 200-mm-SiC-Epitaxiewafern. Unter der Bedingung, dass kein offensichtliches Ungleichgewicht im C/Si-Verhältnis vorliegt, können Karottendefekte und Kometendefekte grundsätzlich eliminiert werden, während Tropfendefekte und Dreiecksdefekte mit der Reinheitskontrolle während des Betriebs von Epitaxiegeräten und dem Verunreinigungsgrad von Graphit zusammenhängen Teile in der Reaktionskammer und die Qualität des Substrats. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Killerdefektdichte von 150-mm- und 200-mm-Epitaxiewafern innerhalb von 0,3 Partikeln/cm2 kontrolliert werden kann, was für den gleichen Gerätetyp ein hervorragender Wert ist. Das Niveau der Kontrolle der Dichte schwerwiegender Defekte bei 150-mm-Epitaxiewafern ist besser als bei 200-mm-Epitaxiewafern. Dies liegt daran, dass der Substratvorbereitungsprozess von 150 mm ausgereifter ist als der von 200 mm, die Substratqualität besser ist und der Grad der Verunreinigungskontrolle der 150 mm Graphit-Reaktionskammer besser ist.
2.4 Rauheit der Epitaxie-Waferoberfläche
Abbildung 6 zeigt die AFM-Bilder der Oberfläche von 150 mm und 200 mm SiC-Epitaxiewafern. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die mittlere quadratische Oberflächenrauheit Ra von 150-mm- und 200-mm-Epitaxiewafern 0,129 nm bzw. 0,113 nm beträgt und die Oberfläche der Epitaxieschicht glatt ist und kein offensichtliches Phänomen der Makrostufenaggregation auftritt. Dieses Phänomen zeigt, dass das Wachstum der Epitaxieschicht während des gesamten Epitaxieprozesses immer den Stufenfluss-Wachstumsmodus beibehält und keine Stufenaggregation auftritt. Es ist ersichtlich, dass durch den Einsatz des optimierten Epitaxiewachstumsprozesses glatte Epitaxieschichten auf 150-mm- und 200-mm-Kleinwinkelsubstraten erhalten werden können.
3 Fazit
Die 150-mm- und 200-mm-homogenen Epitaxiewafer aus 4H-SiC wurden erfolgreich auf Haushaltssubstraten mit der selbst entwickelten 200-mm-SiC-Epitaxiewachstumsausrüstung hergestellt und der für 150 mm und 200 mm geeignete homogene Epitaxieprozess entwickelt. Die epitaktische Wachstumsrate kann mehr als 60 μm/h betragen. Die Epitaxie-Waferqualität erfüllt zwar die Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsepitaxie, ist jedoch ausgezeichnet. Die Dickengleichmäßigkeit der 150-mm- und 200-mm-SiC-Epitaxiewafer kann innerhalb von 1,5 % gesteuert werden, die Konzentrationsgleichmäßigkeit beträgt weniger als 3 %, die Dichte schwerwiegender Defekte beträgt weniger als 0,3 Partikel/cm2 und der quadratische Mittelwert Ra der epitaktischen Oberflächenrauheit ist kleiner als 0,15 nm. Die Kernprozessindikatoren der Epitaxiewafer liegen auf dem höchsten Niveau der Branche.
Quelle: Spezialausrüstung der Elektronikindustrie
Autor: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(48. Forschungsinstitut der China Electronics Technology Group Corporation, Changsha, Hunan 410111)
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.09.2024