2. Résultats expérimentaux et discussion
2.1Couche épitaxialeépaisseur et uniformité
L'épaisseur, la concentration et l'uniformité de la couche épitaxiale sont des indicateurs essentiels pour évaluer la qualité des plaquettes épitaxiales. Un contrôle précis de l'épaisseur, de la concentration et de l'uniformité de la couche au sein de la plaquette est indispensable pour garantir les performances et la constance des résultats.Dispositifs de puissance SiC, et l'épaisseur de la couche épitaxiale ainsi que l'uniformité de la concentration de dopage sont également des bases importantes pour mesurer la capacité de traitement des équipements épitaxiaux.
La figure 3 montre la courbe d'uniformité et de distribution de l'épaisseur pour des épaisseurs de 150 mm et 200 mm.plaquettes épitaxiales de SiCOn observe sur la figure que la courbe de distribution de l'épaisseur de la couche épitaxiale est symétrique par rapport au centre de la plaquette. Le temps de dépôt épitaxial est de 600 s, l'épaisseur moyenne de la couche épitaxiale de la plaquette de 150 mm est de 10,89 µm, soit une uniformité d'épaisseur de 1,05 %. Le calcul donne un taux de croissance épitaxiale de 65,3 µm/h, caractéristique d'un procédé épitaxial rapide. Pour un même temps de dépôt, l'épaisseur de la couche épitaxiale de la plaquette de 200 mm est de 10,10 µm, soit une uniformité d'épaisseur inférieure à 1,36 %, et un taux de croissance global de 60,60 µm/h, légèrement inférieur à celui de la plaquette de 150 mm. Cela s'explique par les pertes importantes lors du passage des sources de silicium et de carbone de l'amont de la chambre de réaction à travers la surface de la plaquette jusqu'à l'aval. La surface de la plaquette de 200 mm étant plus grande que celle de 150 mm, le gaz parcourt une distance plus importante à sa surface, entraînant une consommation accrue de gaz source. La rotation continue de la plaquette réduit l'épaisseur totale de la couche épitaxiale, ce qui ralentit la croissance. Globalement, l'uniformité d'épaisseur des plaquettes épitaxiales de 150 mm et 200 mm est excellente, et les capacités de traitement de l'équipement répondent aux exigences de fabrication de dispositifs de haute qualité.
2.2 Concentration et uniformité du dopage de la couche épitaxiale
La figure 4 montre l'uniformité de la concentration de dopage et la distribution de la courbe pour des valeurs de 150 mm et 200 mm.plaquettes épitaxiales de SiCComme le montre la figure, la courbe de distribution de la concentration sur la plaquette épitaxiale présente une symétrie marquée par rapport à son centre. L'uniformité de la concentration de dopage des couches épitaxiales de 150 mm et 200 mm est respectivement de 2,80 % et 2,66 %, soit une précision de 3 %, un excellent niveau pour les équipements internationaux similaires. La courbe de concentration de dopage de la couche épitaxiale adopte une forme en « W » le long du diamètre, principalement déterminée par le champ d'écoulement du four d'épitaxie à paroi chaude horizontale. En effet, dans ce type de four, l'air circule de l'entrée (en amont) vers la sortie (en aval) de la plaquette, de manière laminaire. Étant donné que le taux de « déplétion en cours de route » de la source de carbone (C2H4) est supérieur à celui de la source de silicium (TCS), lorsque la plaquette tourne, le rapport C/Si réel à la surface de la plaquette diminue progressivement du bord vers le centre (la source de carbone étant moins abondante au centre), selon la « théorie de la position compétitive » du C et du N, la concentration de dopage au centre de la plaquette diminue progressivement vers le bord. Afin d'obtenir une excellente uniformité de concentration, du N2 est ajouté en bordure comme compensation pendant le processus épitaxial pour ralentir la diminution de la concentration de dopage du centre vers le bord, de sorte que la courbe de concentration de dopage finale présente une forme en « W ».
2.3 Défauts de la couche épitaxiale
Outre l'épaisseur et la concentration de dopage, le contrôle des défauts de la couche épitaxiale est un paramètre essentiel pour évaluer la qualité des plaquettes épitaxiales et un indicateur important de la capacité de production des équipements d'épitaxie. Bien que les exigences en matière de défauts diffèrent pour les diodes Schottky (SBD) et les transistors MOSFET, les défauts de morphologie de surface les plus visibles, tels que les défauts en forme de goutte, de triangle, de carotte ou de comète, sont considérés comme des défauts critiques pour ces dispositifs. La probabilité de défaillance des puces présentant ces défauts étant élevée, leur contrôle est crucial pour améliorer le rendement et réduire les coûts. La figure 5 illustre la distribution des défauts critiques sur des plaquettes épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm. En l'absence de déséquilibre significatif du rapport C/Si, les défauts en forme de carotte et de comète sont quasiment éliminés. En revanche, les défauts en forme de goutte et de triangle dépendent du contrôle de la propreté des équipements d'épitaxie, du niveau d'impuretés des composants en graphite dans la chambre de réaction et de la qualité du substrat. Le tableau 2 montre que la densité de défauts critiques des plaquettes épitaxiales de 150 mm et 200 mm peut être maîtrisée en dessous de 0,3 particule/cm², ce qui représente un excellent niveau pour un équipement de même type. Le contrôle de la densité de défauts critiques est plus performant pour les plaquettes de 150 mm que pour celles de 200 mm. Ceci s'explique par une meilleure maîtrise du processus de préparation du substrat de 150 mm, une qualité de substrat supérieure et un contrôle plus rigoureux des impuretés dans la chambre de réaction en graphite des plaquettes de 150 mm.
2.4 Rugosité de surface de la plaquette épitaxiale
La figure 6 présente les images AFM de la surface de plaquettes épitaxiales de SiC de 150 mm et 200 mm. On observe que la rugosité quadratique moyenne Ra de la surface est respectivement de 0,129 nm et 0,113 nm pour les plaquettes de 150 mm et 200 mm, et que la surface de la couche épitaxiale est lisse, sans agrégation notable de marches. Ce résultat indique que la croissance de la couche épitaxiale se déroule selon un mode de croissance par flux de marches tout au long du processus, sans agrégation de marches. On constate ainsi que l'utilisation d'un procédé de croissance épitaxiale optimisé permet d'obtenir des couches épitaxiales lisses sur des substrats à faible angle de 150 mm et 200 mm.
3 Conclusion
Des plaquettes épitaxiales homogènes de 4H-SiC de 150 mm et 200 mm ont été préparées avec succès sur des substrats de fabrication japonaise grâce à un équipement de croissance épitaxiale de SiC de 200 mm développé en interne. Un procédé épitaxial homogène adapté aux dimensions 150 mm et 200 mm a ainsi été mis au point. La vitesse de croissance épitaxiale peut dépasser 60 µm/h. Tout en répondant aux exigences d'une épitaxie à haute vitesse, la qualité des plaquettes épitaxiales est excellente. L'uniformité d'épaisseur des plaquettes de SiC de 150 mm et 200 mm est maîtrisée à 1,5 %, l'uniformité de concentration est inférieure à 3 %, la densité de défauts critiques est inférieure à 0,3 particule/cm² et la rugosité quadratique moyenne (Ra) de la surface épitaxiale est inférieure à 0,15 nm. Les indicateurs clés du procédé de fabrication de ces plaquettes épitaxiales se situent au niveau des meilleures performances industrielles.
Source : Équipements spéciaux de l'industrie électronique
Auteurs : Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(48e Institut de recherche de China Electronics Technology Group Corporation, Changsha, Hunan 410111)
Date de publication : 4 septembre 2024