Étude sur les principaux facteurs d'influence de l'uniformité de surface dans les couches épitaxiales 4H-SiC +
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Alors que les dispositifs électriques à base de silicium approchent de leurs limites physiques, le 4H-SiC est devenu un matériau clé pour les dispositifs électriques haute tension de nouvelle génération en raison de ses propriétés matérielles supérieures. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est la technique courante pour préparer des couches épitaxiales de 4H-SiC de haute qualité, son principal défi étant d'obtenir une uniformité de surface sur des substrats de grand diamètre. L'uniformité de la surface est l'une des mesures essentielles pour évaluer la qualité des couches épitaxiales 4H-SiC. Son étude implique non seulement l’intégrité structurelle du matériau lui-même, mais est également directement liée aux performances, à la fiabilité et à l’efficacité de l’industrialisation des dispositifs ultérieurs. Par conséquent, l’étude systématique de l’influence des paramètres de processus sur la morphologie de la surface, l’uniformité de l’épaisseur et l’uniformité du dopage des couches épitaxiales de 4H-SiC présente une valeur scientifique et une importance technique significatives pour faire progresser le développement de dispositifs de puissance SiC à haute performance et à haut rendement.
1. Aperçu des méthodes expérimentales pour l’uniformité de la surface épitaxiale 4H-SiC
Les deux études ont utilisé des systèmes CVD à parois chaudes pour réaliser une homoépitaxie sur des substrats 4H-SiC hors axe de 4°. Tang et coll. a utilisé un réacteur CVD horizontal à paroi chaude auto-développé avec SiHCl₃ et C₂H₄ comme gaz sources et H₂ comme gaz porteur, optimisant l'uniformité de la température grâce à une conception de tunnel d'écoulement à deux côtés. Zhao et coll. utilisé un système CVD vertical à paroi chaude avec SiH₄ et C₂H₄ comme gaz sources, étudiant systématiquement les effets du rapport C/Si, de la température et du rapport Si/H sur l'uniformité de la rugosité de la surface. La morphologie de la surface a été analysée par microscopie à force atomique (AFM), tandis que l'épaisseur et la concentration de dopage ont été mesurées respectivement à l'aide de techniques de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et de sonde à mercure (MCV).
2.Influence de la température de croissance sur l'uniformité de la surface épitaxiale du 4H-SiC
La température de croissance est un paramètre clé affectant la morphologie de surface et l’uniformité des couches épitaxiales. Les recherches de Tang et al. ont montré qu'à mesure que la température augmentait de 1 610 °C à 1 680 °C, la rugosité de surface (RMS) augmentait considérablement de 0,183 nm à 0,721 nm. À des températures plus élevées, le regroupement en échelons s’intensifie, conduisant à l’apparition d’une morphologie de « vague géante » et à une détérioration de l’uniformité. Parallèlement, le taux de croissance a diminué avec l'augmentation de la température et la non-uniformité de l'épaisseur a augmenté d'environ 2 % à 6,5 %. Bien que l'efficacité du dopage à l'azote se soit améliorée avec la température, l'uniformité du dopage a diminué de 4,9 % à 8,36 %, ce qui est lié à l'inhomogénéité de la répartition de la température au sein du réacteur, provoquant des variations localisées des taux de croissance et de dopage.
Fig. 1 Images AFM 2D/3D de couches épitaxiales de 4H-SiC à différentes températures, démontrant visuellement l'augmentation de la rugosité de surface avec l'augmentation de la température.
Zhao et coll. a en outre souligné que la température a des effets opposés sur la rugosité de la surface (RMS) et son uniformité (σ) : l'augmentation de la température (1 550 °C → 1 650 °C) a réduit la RMS mais a augmenté σ, indiquant que même si la surface globale est devenue plus plate, l'uniformité à l'intérieur de la tranche s'est détériorée. Cela est probablement dû à des gradients de température accrus conduisant à une distribution non uniforme du rapport C/Si réel sur la surface de la tranche.
Fig. 2 Courbes de variation de RMS et σ avec la température de croissance
3.Régulation de l'uniformité épitaxiale du 4H-SiC par le rapport C/Si et le rapport de débit
Le rapport C/Si influence directement l'environnement chimique et la morphologie des étages de la surface épitaxiale. Zhao et coll. ont rapporté que le RMS de surface était minime à C/Si=1, mais que l'uniformité de surface était meilleure dans des conditions riches en silicium (C/Si<1). Lorsque C/Si = 1,5, la rugosité de la surface augmente à nouveau et la distribution de la hauteur des marches s'élargit (35 à 59 nm), l'uniformité se détériorant considérablement. Cela indique qu'un rapport C/Si approprié (≈1) est bénéfique pour équilibrer la morphologie et l'uniformité de la surface.
Fig. 3 Comparaison des AFM de couches épitaxiales 4H-SiC sous différents rapports C/Si : (a) 0,6, (b) 1,0, (c) 1,2, (d) 1,5, (e) 2,0
Les rapports de débit H₂ et N₂ sont des moyens efficaces pour réguler l'épaisseur et l'uniformité du dopage. En ajustant le rapport de débit H₂ principal/côté (Principal/Côtés), Tang et al. ont constaté qu'un rapport H₂ de 1,63 donnait la meilleure uniformité d'épaisseur, avec un écart type/valeur moyenne réduit à 0,79 %. De même, un rapport de débit de N₂ de 0,92 a amélioré l'uniformité du dopage à 3,56 %. Cela démontre que l’optimisation de la distribution du champ d’écoulement des réactifs grâce à la conception du tunnel d’écoulement peut compenser efficacement les variations du taux de croissance et de la concentration de dopage causées par la non-uniformité de la température.
Fig. 4 Tendances de l'uniformité de l'épaisseur des couches épitaxiales sous différents rapports de débit (a) H₂ et (b) N₂
4. Influence du rapport Si/H sur la morphologie de la surface épitaxiale du 4H-SiC
Zhao et coll. ont étudié l'effet du rapport Si/H (0,08 % à 0,15 %) sur l'uniformité de surface de couches épitaxiales de 6 pouces. Les résultats ont indiqué que le rapport Si/H avait un effet mineur sur RMS et σ. Cependant, à mesure que le rapport Si/H augmentait, l'effet de gravure de H₂ s'affaiblissait, augmentant potentiellement la probabilité de formation de gouttelettes ou d'amas de silicium sur la surface, ce qui pourrait conduire à une augmentation localisée de la rugosité. L'étude a également révélé que le rapport Si/H réel au bord de la tranche était légèrement inférieur à celui au centre en raison de l'influence du flux d'air, ce qui aboutissait à une surface plus lisse au niveau des régions de bord.
Fig. 5 Effet du rapport Si/H sur le RMS et le σ de couches épitaxiales 4H-SiC de 6 pouces
En résumé, la température de croissance et le rapport C/Si sont les principaux paramètres qui influencent l'uniformité de la surface des couches épitaxiales 4H-SiC : des températures plus basses (par exemple 1 610 °C) favorisent une rugosité de surface réduite mais peuvent sacrifier le taux de croissance ; un rapport C/Si ≈1 peut dans une certaine mesure équilibrer la morphologie et l'uniformité. L'optimisation du rapport de débit H₂/N₂ peut améliorer efficacement l'épaisseur et l'uniformité du dopage sur les substrats de grand diamètre, comme en témoignent les améliorations significatives lors de l'utilisation d'un rapport H₂ de 1,63 et d'un rapport N₂ de 0,92.
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Les références:
- Tang, Z., Gu, L., Ma, H., Mao, C., Wu, S., Zhang, N.,… et Fan, J. (2022). Influence de la température et du débit sur la morphologie et l'uniformité de la croissance des couches épitaxiales de 4H-SiC sur des substrats hors axe de 150 mm 4 . Cristaux, 13(1), 62.
- Zhao, S., Wang, J., Yan, G., Shen, Z., Zhao, W., Wang, L. et Liu, X. (2022). Uniformité de surface de couches épitaxiales de 4H-SiC à l'échelle d'une tranche cultivées dans diverses conditions épitaxiales. Revêtements, 12(5), 597.