Az olasz LPE 200 mm-es SiC epitaxiális technológiája fejlődik

Bevezetés

A SiC számos alkalmazásban felülmúlja a SiC-t olyan kiváló elektronikus tulajdonságainak köszönhetően, mint a magas hőmérséklet-stabilitás, a széles sávszélesség, a nagy áttörési elektromos térerősség és a magas hővezető képesség. Manapság az elektromos járművek vontatási rendszereinek elérhetősége jelentősen javul a SiC fém-oxid félvezető térhatástranzisztorok (MOSFET) magasabb kapcsolási sebességének, magasabb üzemi hőmérsékletének és alacsonyabb hőellenállásának köszönhetően. A SiC-alapú áramellátó eszközök piaca nagyon gyorsan nőtt az elmúlt néhány évben; ezért megnőtt az igény a jó minőségű, hibamentes és egységes SiC anyagok iránt.

Az elmúlt néhány évtizedben a 4H-SiC szubsztrátum beszállítói képesek voltak 2 hüvelykről 150 mm-re növelni az ostya átmérőjét (a kristályminőség megőrzése mellett). Manapság a SiC eszközök fő lapkamérete 150 mm, és az egységnyi eszközre jutó gyártási költség csökkentése érdekében egyes készülékgyártók a 200 mm-es fabok létrehozásának korai szakaszában vannak. E cél eléréséhez a kereskedelemben kapható 200 mm-es SiC lapkák iránti igény mellett az egységes SiC epitaxia elvégzésének képessége is nagyon kívánatos. Ezért a jó minőségű 200 mm-es SiC szubsztrátumok beszerzése után a következő kihívás az lesz, hogy jó minőségű epitaxiális növekedést hajtsunk végre ezeken a hordozókon. Az LPE egy vízszintes egykristályos melegfalú, teljesen automatizált CVD reaktort (PE1O8 néven) tervezett és épített, amely többzónás implantációs rendszerrel van felszerelve, amely akár 200 mm-es SiC szubsztrátumok feldolgozására is képes. Itt beszámolunk a 150 mm-es 4H-SiC epitaxia teljesítményéről, valamint a 200 mm-es epitaxia előzetes eredményeiről.

Eredmények és megbeszélés

A PE1O8 egy teljesen automatizált kazetta-kazetta rendszer, amelyet akár 200 mm-es SiC lapkák feldolgozására terveztek. A formátum 150 és 200 mm között állítható, így minimalizálható a szerszámleállás. A fűtési fokozatok csökkentése növeli a termelékenységet, míg az automatizálás csökkenti a munkát, javítja a minőséget és az ismételhetőséget. A hatékony és költség-versenyképes epitaxiás eljárás biztosítása érdekében három fő tényezőt ismertetnek: 1) gyors folyamat, 2) a vastagság és az adalékolás nagy egyenletessége, 3) az epitaxiás folyamat során minimálisra csökkentett hibaképződés. A PE1O8-ban a kis grafittömeg és az automatizált be-/kirakó rendszer lehetővé teszi, hogy egy szabványos futást kevesebb, mint 75 perc alatt teljesítsenek (a szabványos 10 μm-es Schottky dióda receptúra ​​30 μm/h növekedési sebességet használ). Az automatizált rendszer lehetővé teszi a be- és kirakodást magas hőmérsékleten. Ennek eredményeként mind a felfűtési, mind a hűtési idő rövid, miközben már elnyomja a sütési lépést. Az ilyen ideális körülmények lehetővé teszik a valóban nem adalékolt anyagok növekedését.

A berendezés kompaktsága és háromcsatornás befecskendező rendszere sokoldalú rendszert eredményez, amely nagy teljesítményt nyújt mind az adalékolás, mind a vastagság egyenletessége terén. Ezt számítási folyadékdinamikai (CFD) szimulációkkal végezték el, hogy biztosítsák a gázáramlás és a hőmérséklet összehasonlítható egyenletességét 150 mm-es és 200 mm-es szubsztrátumformátumok esetén. Amint az 1. ábrán látható, ez az új befecskendező rendszer egyenletesen szállítja a gázt a leválasztókamra középső és oldalsó részében. A gázkeverő rendszer lehetővé teszi a helyi eloszlású gázkémia variálását, tovább bővítve az állítható folyamatparaméterek számát az epitaxiális növekedés optimalizálása érdekében.

1. ábra Szimulált gázsebesség nagysága (fent) és gázhőmérséklet (alul) a PE1O8 technológiai kamrában a hordozó felett 10 mm-rel elhelyezkedő síkban.

Az egyéb jellemzők közé tartozik a továbbfejlesztett gázforgató rendszer, amely visszacsatolásos vezérlő algoritmust használ a teljesítmény simítására és a forgási sebesség közvetlen mérésére, valamint egy új generációs PID a hőmérséklet szabályozására. Az epitaxiás folyamat paraméterei. Egy n-típusú 4H-SiC epitaxiális növekedési eljárást fejlesztettek ki egy prototípus kamrában. A triklór-szilánt és az etilént szilícium- és szénatomok prekurzoraiként használták; H2-t használtunk vivőgázként, nitrogént pedig n-típusú adalékoláshoz. Si-felületű kereskedelmi 150 mm-es SiC szubsztrátokat és kutatási minőségű 200 mm-es SiC szubsztrátumokat használtak 6,5 μm vastag, 1 × 1016 cm-3 n-adalékolt 4H-SiC epilayerek növesztésére. A szubsztrátum felületét in situ marattuk H2 áramlással, emelt hőmérsékleten. Ezt a maratási lépést követően egy n-típusú pufferréteget növesztettünk alacsony növekedési sebesség és alacsony C/Si arány alkalmazásával simítóréteg előállítására. Ennek a pufferrétegnek a tetejére egy nagy növekedési sebességű (30 μm/h) aktív réteget helyeztek fel magasabb C/Si arány alkalmazásával. A kifejlesztett eljárást ezután az ST svédországi létesítményében telepített PE1O8 reaktorba vitték át. Hasonló folyamatparamétereket és gázeloszlást alkalmaztunk 150 mm-es és 200 mm-es mintáknál. A növekedési paraméterek finomhangolását a jövőbeni vizsgálatokra halasztották a rendelkezésre álló 200 mm-es hordozók korlátozott száma miatt.

A minták látszólagos vastagságát és adalékolási teljesítményét FTIR, illetve CV higanyszondával értékeltük. A felületi morfológiát Nomarski differenciális interferencia-kontraszt (NDIC) mikroszkóppal vizsgáltuk, az epilayerek defektussűrűségét pedig Candela-val mértük. Előzetes eredmények. A prototípuskamrában feldolgozott 150 mm-es és 200 mm-es epitaxiálisan növesztett minták adalékolásának és vastagságának egyenletességének előzetes eredményeit a 2. ábra mutatja. Az epilayerek egyenletesen nőttek a 150 mm-es és 200 mm-es szubsztrátumok felülete mentén, vastagság-változásokkal (σ/átlag). ) egészen 0,4%-ig, illetve 1,4%-ig, az adalékolási eltérések (σ-átlag) pedig egészen 1,1%-ig és 5,6%-ig. A belső doppingértékek körülbelül 1×1014 cm-3 voltak.

2. ábra 200 mm-es és 150 mm-es epiwaferek vastagsága és adalékolási profilja.

Az eljárás megismételhetőségét a futási szakaszok közötti eltérések összehasonlításával vizsgálták, így a vastagság-változások 0,7%-os, az adalékolási eltérések pedig 3,1%-osak voltak. Amint a 3. ábrán látható, az új 200 mm-es feldolgozási eredmények összehasonlíthatók a korábban 150 mm-es PE1O6 reaktorral kapott csúcstechnológiás eredményekkel.

3. ábra Egy prototípus kamrával feldolgozott 200 mm-es minta rétegenkénti vastagsága és adalékolási egyenletessége (fent) és egy korszerű, 150 mm-es, PE1O6-tal gyártott minta (alul).

A minták felületi morfológiáját tekintve az NDIC mikroszkópos vizsgálat sima felületet igazolt, amelynek érdessége a mikroszkóp kimutatható tartománya alatt van. PE1O8 eredmények. Az eljárást ezután egy PE108 reaktorba vittük át. A 200 mm-es epiwaferek vastagsága és adalékolási egyenletessége a 4. ábrán látható. Az epirétegek egyenletesen nőnek a szubsztrátum felülete mentén, a vastagság és az adalékolás eltérései (σ/átlag) 2,1%, illetve 3,3%.

4. ábra 200 mm-es epiwafer vastagsága és adalékolási profilja PE1O8 reaktorban.

Az epitaxiálisan növesztett ostyák hibasűrűségének vizsgálatához kandelát használtunk. Az ábrán látható módon. A 150 mm-es, illetve a 200 mm-es mintákon 5-ös teljes hibasűrűséget értek el, egészen 1,43 cm-2-ig, illetve 3,06 cm-2-ig. A teljes rendelkezésre álló terület (TUA) epitaxia után ezért a számítások szerint 97%, illetve 92% volt a 150 mm-es, illetve a 200 mm-es minták esetében. Érdemes megemlíteni, hogy ezeket az eredményeket csak néhány futtatás után sikerült elérni, és a folyamatparaméterek finomhangolásával tovább lehet javítani.

5. ábra PE1O8-cal növesztett 6 μm vastag, 200 mm-es (balra) és 150 mm-es (jobbra) epiwaferek Candela hibatérképei.

Következtetés

Ez a cikk bemutatja az újonnan tervezett PE1O8 melegfalú CVD reaktort és annak képességét, hogy egységes 4H-SiC epitaxiát végezzen 200 mm-es hordozókon. A 200 mm-re vonatkozó előzetes eredmények nagyon ígéretesek, a vastagság-ingadozások a minta felületén mindössze 2,1%, az adalékolási teljesítmény ingadozása pedig mindössze 3,3% a minta felületén. A számítások szerint az epitaxia utáni TUA 97%, illetve 92% a 150 mm-es, illetve 200 mm-es minták esetében, és a 200 mm-es TUA várhatóan a jövőben javulni fog a jobb szubsztrátumminőséggel. Figyelembe véve, hogy az itt közölt 200 mm-es szubsztrátumok eredményei néhány tesztsorozaton alapulnak, úgy gondoljuk, hogy tovább lehet javítani az eredményeket, amelyek már közel állnak a 150 mm-es mintákon elért legkorszerűbb eredményekhez. a növekedési paraméterek finomhangolása.