Olaszország LPE 200 mm -es SIC epitaxiális technológiájának előrehaladása

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 szubsztrát beszállítói képesek voltak 2 hüvelyk és 150 mm-től (ugyanazon kristályminőség fenntartása). Manapság a SIC -eszközök mainstream ostya mérete 150 mm, és az egységkészítési költségek csökkentése érdekében egyes eszközgyártók a 200 mm -es FAB -k létrehozásának korai szakaszában vannak. E cél elérése érdekében a kereskedelemben kapható 200 mm -es SIC ostyák szükségessége mellett az egységes SIC epitaxia elvégzésének képessége is nagyon kívánatos. Ezért a jó minőségű, 200 mm-es szubsztrátok megszerzése után a következő kihívás az lesz, hogy kiváló minőségű epitaxiális növekedést hajtsa végre ezen szubsztrátokon. Az LPE egy vízszintes, egykristályos forró falat, teljesen automatizált CVD-reaktorot (PE1O8 nevű) tervezett és épített, multi-zóna implantációs rendszerrel felszerelve, amely akár 200 mm-es SIC szubsztrátokat is képes feldolgozni. Itt a 150 mm-es 4H-SIC epitaxián, valamint a 200 mm-es epiwaferek előzetes eredményeit jelentjük.

Eredmények és megbeszélés

A PE1O8 egy teljesen automatizált kazetta-kazettás rendszer, amelynek célja akár 200 mm-es SIC ostya feldolgozása. A formátum 150 és 200 mm között váltható, minimalizálva a szerszám leállítását. A fűtési szakaszok csökkentése növeli a termelékenységet, míg az automatizálás csökkenti a munkát, és javítja a minőséget és az ismétlést. A hatékony és költség-versenyképes epitaxia folyamatának biztosítása érdekében három fő tényezőt jelentenek: 1) gyors folyamat, 2) a vastagság és a dopping magas egységessége, 3) minimalizálták a hibaképződést az epitaxia folyamatában. A PE1O8 -ban a kis grafit tömeg és az automatizált berakodási/kirakodási rendszer lehetővé teszi a standard futtatás befejezését kevesebb, mint 75 perc alatt (egy standard 10 μm Schottky dióda recept 30 μm/h növekedési rátát használ). Az automatizált rendszer lehetővé teszi a magas hőmérsékleten történő be- és kirakodást. Ennek eredményeként mind a fűtési, mind a hűtési idő rövid, miközben már elnyomja a sütési lépést. Az ilyen ideális feltételek lehetővé teszik az igazán nem fel nem állított 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: A PE1O8 folyamatkamrájában a PE1O8 folyamatkamrájában lévő síkon 10 mm -re a szubsztrát feletti síkon szimulált gázsebesség -nagyság (felső) és a gázhőmérséklet (alsó).

További funkciók közé tartozik egy továbbfejlesztett gáz -forgási rendszer, amely visszacsatolás -vezérlő algoritmust használ a teljesítmény simításához és a forgási sebesség közvetlen méréséhez, valamint a PID új generációja a hőmérséklet -szabályozáshoz. Epitaxia folyamat paraméterek. Egy N-típusú 4H-SIC epitaxiális növekedési folyamatot fejlesztettek ki egy prototípus kamrában. A triklór -szilánt és az etilént a szilícium- és szénatomok prekurzoraként használtuk; H2-et használtunk hordozógázként, és nitrogént használtunk N-típusú doppinghoz. SI-arcú kereskedelmi 150 mm-es SIC szubsztrátokat és kutatási minőségű 200 mm-es SIC szubsztrátokat használtunk 6,5 μm vastag 1 × 1016cm-3 N-adalékolt 4H-SIC epilajrek termesztésére. A szubsztrát felületét in situ maratjuk, H2 áramlással megemelkedett hőmérsékleten. A maratási lépés után egy N-típusú pufferréteget termesztettünk alacsony növekedési sebességgel és alacsony C/Si arány felhasználásával a simító réteg előállításához. Ennek a pufferrétegnek tetején egy magas növekedési sebességgel (30 μm/h) egy aktív réteget helyeztek el magasabb C/Si arány alkalmazásával. A kidolgozott eljárást ezután áthelyezték egy PE1O8 reaktorba, amelyet az ST svéd létesítményébe telepítettek. Hasonló folyamatparamétereket és gázeloszlást használtunk 150 mm és 200 mm -es mintákhoz. A növekedési paraméterek finomhangolását a rendelkezésre álló 200 mm -es szubsztrátok korlátozott száma miatt elhalasztották a jövőbeni vizsgálatokra.

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). ) akár 0,4%, illetve 1,4%, az adalékolási eltérések (σ-átlag) pedig olyan alacsonyak, mint 1,1% és 5,6%. A belső doppingértékek körülbelül 1×1014 cm-3 voltak.

2. ábra: 200 mm és 150 mm -es epiwafers vastagság és doppingprofilok.

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 A PE1O8 reaktorban egy 200 mm -es epiwafer vastagsága és dopping profilja.

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 megtervezett PE1O8 Hotwall CVD reaktorot és annak képességét, hogy egyenruhás 4H-SIC epitaxiát hajtson végre 200 mm-es szubsztrátokon. A 200 mm -es előzetes eredmények nagyon ígéretesek, a vastagságváltozások akár 2,1% -kal a minta felületén, és a dopping teljesítmény -változásai akár 3,3% -kal a minta felületén. Az Epitaxy utáni TUA -t a 150 mm -es és 200 mm -es minták 97% -ának és 92% -ának számították, és a 200 mm -es TUA várhatóan a jövőben javulni fog a nagyobb szubsztrátminőséggel. Tekintettel arra, hogy az itt közölt 200 mm-es szubsztrátok eredményei néhány tesztkészleten alapulnak, úgy gondoljuk, hogy lehetséges az eredmények tovább javítása, amelyek már közel állnak a legmodernebb eredményekhez 150 mm-es mintákon, az által A növekedési paraméterek finomhangolása.