Halbleiter-Leistungsbauelemente nehmen eine zentrale Stellung in leistungselektronischen Systemen ein, insbesondere im Zusammenhang mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie künstlicher Intelligenz, 5G-Kommunikation und neuen Energiefahrzeugen wurden die Leistungsanforderungen an sie verbessert.
Siliziumkarbid(4H-SiC) ist aufgrund seiner Vorteile wie großer Bandlücke, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Durchbruchfeldstärke, hoher Sättigungsdriftrate, chemischer Stabilität und Strahlungsbeständigkeit zu einem idealen Material für die Herstellung von Hochleistungs-Halbleiterleistungsbauelementen geworden. Allerdings weist 4H-SiC eine hohe Härte, hohe Sprödigkeit, starke chemische Inertheit und hohe Verarbeitungsschwierigkeiten auf. Die Oberflächenqualität des Substratwafers ist für großtechnische Geräteanwendungen von entscheidender Bedeutung.
Daher ist die Verbesserung der Oberflächenqualität von 4H-SiC-Substratwafern, insbesondere die Entfernung der beschädigten Schicht auf der Waferbearbeitungsoberfläche, der Schlüssel zu einer effizienten, verlustarmen und qualitativ hochwertigen 4H-SiC-Substratwaferbearbeitung.
Experiment
Das Experiment verwendet einen 4-Zoll-4H-SiC-Barren vom N-Typ, der durch physikalische Dampftransportmethode gezüchtet wurde, der durch Drahtschneiden, Schleifen, Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren verarbeitet wurde und die Abtragsdicke der C-Oberfläche und der Si-Oberfläche aufzeichnet und die endgültige Waferdicke in jedem Prozess.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der 4H-SiC-Kristallstruktur
Abbildung 2 Von der C-Seite und der Si-Seite entfernte Dicke von 4H-SiC-Wafernach unterschiedlichen Verarbeitungsschritten und Waferdicke nach der Verarbeitung
Die Dicke, Oberflächenmorphologie, Rauheit und mechanischen Eigenschaften des Wafers wurden vollständig mit einem Wafergeometrie-Parametertester, einem Differentialinterferenzmikroskop, einem Rasterkraftmikroskop, einem Instrument zur Messung der Oberflächenrauheit und einem Nanoindenter charakterisiert. Darüber hinaus wurde ein hochauflösendes Röntgendiffraktometer zur Beurteilung der Kristallqualität des Wafers eingesetzt.
Diese experimentellen Schritte und Testmethoden bieten detaillierte technische Unterstützung für die Untersuchung des Materialabtrags und der Oberflächenqualität bei der Verarbeitung von 4H-SiC-Wafer.
Durch Experimente analysierten die Forscher die Veränderungen der Materialentfernungsrate (MRR), der Oberflächenmorphologie und -rauheit sowie der mechanischen Eigenschaften und der Kristallqualität von 4H-SiC-Waferin verschiedenen Bearbeitungsschritten (Drahtschneiden, Schleifen, Grobschleifen, Feinschleifen, Polieren).
Abbildung 3 Materialabtragsrate der C-Fläche und der Si-Fläche von 4H-SiC-Waferin verschiedenen Verarbeitungsschritten
Die Studie ergab, dass aufgrund der Anisotropie der mechanischen Eigenschaften verschiedener Kristallflächen von 4H-SiC ein Unterschied in der MRR zwischen der C-Fläche und der Si-Fläche bei demselben Prozess besteht und die MRR der C-Fläche deutlich höher ist das von Si-face. Mit der Weiterentwicklung der Verarbeitungsschritte werden die Oberflächenmorphologie und Rauheit von 4H-SiC-Wafern schrittweise optimiert. Nach dem Polieren beträgt der Ra der C-Fläche 0,24 nm und der Ra der Si-Fläche erreicht 0,14 nm, was den Anforderungen des epitaktischen Wachstums gerecht werden kann.
Abbildung 4 Lichtmikroskopische Bilder der C-Oberfläche (a~e) und Si-Oberfläche (f~j) des 4H-SiC-Wafers nach verschiedenen Verarbeitungsschritten
Abbildung 5 Rasterkraftmikroskopbilder der C-Oberfläche (a~c) und der Si-Oberfläche (d~f) des 4H-SiC-Wafers nach den CLP-, FLP- und CMP-Verarbeitungsschritten
Abbildung 6 (a) Elastizitätsmodul und (b) Härte der C-Oberfläche und der Si-Oberfläche des 4H-SiC-Wafers nach verschiedenen Verarbeitungsschritten
Der Test der mechanischen Eigenschaften zeigt, dass die C-Oberfläche des Wafers eine schlechtere Zähigkeit als das Si-Oberflächenmaterial, einen höheren Grad an Sprödbruch während der Verarbeitung, einen schnelleren Materialabtrag und eine relativ schlechte Oberflächenmorphologie und -rauheit aufweist. Das Entfernen der beschädigten Schicht auf der bearbeiteten Oberfläche ist der Schlüssel zur Verbesserung der Oberflächenqualität des Wafers. Die Halbwertsbreite der 4H-SiC (0004)-Rocking-Kurve kann zur intuitiven und genauen Charakterisierung und Analyse der Oberflächenschadensschicht des Wafers verwendet werden.
Abbildung 7 (0004) Halbwertsbreite der Rocking-Kurve der C-Fläche und der Si-Fläche des 4H-SiC-Wafers nach verschiedenen Verarbeitungsschritten
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Oberflächenschadensschicht des Wafers nach der 4H-SiC-Waferverarbeitung schrittweise entfernt werden kann, was die Oberflächenqualität des Wafers effektiv verbessert und eine technische Referenz für eine hocheffiziente, verlustarme und qualitativ hochwertige Verarbeitung bietet von 4H-SiC-Substratwafern.
Die Forscher verarbeiteten 4H-SiC-Wafer durch verschiedene Bearbeitungsschritte wie Drahtschneiden, Schleifen, Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren und untersuchten die Auswirkungen dieser Prozesse auf die Oberflächenqualität des Wafers.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Weiterentwicklung der Verarbeitungsschritte die Oberflächenmorphologie und Rauheit des Wafers schrittweise optimiert werden. Nach dem Polieren erreicht die Rauheit der C-Fläche und der Si-Fläche 0,24 nm bzw. 0,14 nm, was den Anforderungen des epitaktischen Wachstums entspricht. Die C-Seite des Wafers hat eine geringere Zähigkeit als das Si-Seitenmaterial und ist während der Verarbeitung anfälliger für Sprödbrüche, was zu einer relativ schlechten Oberflächenmorphologie und Rauheit führt. Das Entfernen der Oberflächenschadensschicht der bearbeiteten Oberfläche ist der Schlüssel zur Verbesserung der Oberflächenqualität des Wafers. Die Halbwertsbreite der 4H-SiC (0004)-Rocking-Kurve kann die Oberflächenschadensschicht des Wafers intuitiv und genau charakterisieren.
Untersuchungen zeigen, dass die beschädigte Schicht auf der Oberfläche von 4H-SiC-Wafern durch die 4H-SiC-Waferbearbeitung schrittweise entfernt werden kann, wodurch die Oberflächenqualität des Wafers effektiv verbessert wird und eine technische Referenz für hocheffiziente, verlustarme und hocheffiziente Qualitätsbearbeitung von 4H-SiC-Substratwafern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.07.2024