İtalya'nın LPE'sinin 200mm SiC epitaksiyel teknolojisindeki ilerleme

giriiş

SIC, yüksek sıcaklık stabilitesi, geniş bant aralığı, yüksek arıza elektrik alan mukavemeti ve yüksek termal iletkenlik gibi üstün elektronik özellikleri nedeniyle birçok uygulamada SI'den daha üstündür. Günümüzde, elektrikli araç çekiş sistemlerinin mevcudiyeti, daha yüksek anahtarlama hızları, daha yüksek çalışma sıcaklıkları ve SIC metal oksit yarı iletken alan etkisi transistörlerinin (MOSFET'ler) daha düşük termal direnci nedeniyle önemli ölçüde geliştirilmektedir. SIC tabanlı güç cihazları pazarı son birkaç yılda çok hızlı büyüdü; Bu nedenle, yüksek kaliteli, kusursuz ve düzgün SIC malzemelerine olan talep artmıştır.

Geçtiğimiz birkaç on yılda, 4H-SiC alt tabaka tedarikçileri levha çaplarını 2 inçten 150 mm'ye çıkarabildiler (aynı kristal kalitesini koruyarak). Günümüzde SiC cihazları için ana levha boyutu 150 mm'dir ve birim cihaz başına üretim maliyetini azaltmak amacıyla bazı cihaz üreticileri 200 mm'lik fabrikalar kurmanın ilk aşamalarındadır. Bu hedefe ulaşmak için, ticari olarak temin edilebilen 200 mm SiC levhalara olan ihtiyacın yanı sıra, tek biçimli SiC epitaksi gerçekleştirme yeteneği de oldukça arzu edilmektedir. Bu nedenle, iyi kalitede 200 mm SiC substratlar elde ettikten sonra, bir sonraki zorluk bu substratlar üzerinde yüksek kaliteli epitaksiyel büyüme gerçekleştirmek olacaktır. LPE, 200 mm'ye kadar SiC alt katmanları işleyebilen çok bölgeli bir implantasyon sistemi ile donatılmış yatay tek kristal sıcak duvarlı tam otomatik CVD reaktörü (PE1O8 olarak adlandırılır) tasarladı ve inşa etti. Burada, 150 mm 4H-SiC epitaksi üzerindeki performansının yanı sıra 200 mm epiwafer'lara ilişkin ön sonuçları rapor ediyoruz.

Sonuçlar ve tartışma

PE1O8, 200 mm'ye kadar SIC gofretleri işlemek için tasarlanmış tam otomatik bir kaset-kaset sistemidir. Biçim 150 ila 200mm arasında değiştirilebilir ve takım kesinti süresini en aza indirebilir. Isıtma aşamalarının azaltılması verimliliği artırırken, otomasyon emeği azaltır ve kaliteyi ve tekrarlanabilirliği artırır. Etkili ve maliyet rekabetçi bir epitaksi süreci sağlamak için üç ana faktör bildirilmiştir: 1) Hızlı işlem, 2) Yüksek kalınlık ve doping, 3) epitaksi işlemi sırasında en aza indirilmiş kusur oluşumu. PE1O8'de, küçük grafit kütlesi ve otomatik yükleme/boşaltma sistemi, standart bir çalışmanın 75 dakikadan daha kısa bir sürede tamamlanmasına izin verir (standart 10μm Schottky diyot tarifi, 30μm/s büyüme hızı kullanır). Otomatik sistem, yüksek sıcaklıklarda yüklenmeye/boşaltılmaya izin verir. Sonuç olarak, hem ısıtma hem de soğutma süreleri kısadır, ancak pişirme adımını zaten bastırır. Bu tür ideal koşullar, gerçekten tükenmemiş malzemenin büyümesine izin verir.

Ekipmanın kompaktlığı ve üç kanallı enjeksiyon sistemi, hem doping hem de kalınlık homojenliğinde yüksek performansa sahip çok yönlü bir sistemle sonuçlanır. Bu, 150 mm ve 200 mm substrat formatları için karşılaştırılabilir gaz akışı ve sıcaklık homojenliği sağlamak için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonları kullanılarak gerçekleştirildi. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bu yeni enjeksiyon sistemi, birikme odasının merkezi ve yan kısımlarında eşit olarak gaz sağlar. Gaz karıştırma sistemi, lokal olarak dağıtılmış gaz kimyasının varyasyonunu sağlar ve epitaksiyal büyümeyi optimize etmek için ayarlanabilir işlem parametrelerinin sayısını daha da genişletir.

Şekil 1 PE1O8 işlem odasında alt tabakanın 10 mm yukarısında bulunan bir düzlemde simüle edilmiş gaz hızı büyüklüğü (üst) ve gaz sıcaklığı (alt).

Diğer özellikler arasında performansı yumuşatmak ve dönüş hızını doğrudan ölçmek için bir geri besleme kontrol algoritması kullanan geliştirilmiş bir gaz dönüş sistemi ve sıcaklık kontrolü için yeni nesil PID yer alır. Epitaksi proses parametreleri. Bir prototip odasında n-tipi 4H-SiC epitaksiyel büyüme süreci geliştirildi. Silikon ve karbon atomlarının öncüleri olarak triklorosilan ve etilen kullanıldı; Taşıyıcı gaz olarak H2, n tipi katkılama için ise nitrojen kullanıldı. Si yüzlü ticari 150 mm SiC substratlar ve araştırma sınıfı 200 mm SiC substratlar, 6,5 μm kalınlığında 1x1016cm-3 n katkılı 4H-SiC epikatmanları büyütmek için kullanıldı. Substrat yüzeyi, yüksek sıcaklıkta bir H2 akışı kullanılarak yerinde kazındı. Bu aşındırma adımından sonra, bir yumuşatma katmanı hazırlamak için düşük bir büyüme hızı ve düşük bir C/Si oranı kullanılarak n tipi bir tampon katmanı büyütüldü. Bu tampon katmanın üzerine, daha yüksek bir C/Si oranı kullanılarak yüksek büyüme hızına (30μm/saat) sahip aktif bir katman biriktirildi. Geliştirilen süreç daha sonra ST'nin İsveç tesisinde kurulu bir PE1O8 reaktörüne aktarıldı. 150mm ve 200mm numuneler için benzer proses parametreleri ve gaz dağılımı kullanıldı. Mevcut 200 mm'lik substratların sınırlı sayıda olması nedeniyle büyüme parametrelerinin ince ayarı gelecekteki çalışmalara ertelendi.

Numunelerin görünür kalınlığı ve katkılama performansı sırasıyla FTIR ve CV cıva probu ile değerlendirildi. Yüzey morfolojisi Nomarski diferansiyel girişim kontrastı (NDIC) mikroskobu ile araştırıldı ve epikatmanların kusur yoğunluğu Candela ile ölçüldü. Ön sonuçlar. Prototip odasında işlenen 150 mm ve 200 mm epitaksiyel olarak büyütülmüş numunelerin katkılama ve kalınlık tekdüzeliğinin ön sonuçları Şekil 2'de gösterilmektedir. Epikatmanlar, kalınlık değişimleri (σ/ortalama) ile 150 mm ve 200 mm substratların yüzeyi boyunca düzgün bir şekilde büyüdü. ) sırasıyla %0,4 ve %1,4 kadar düşük ve doping varyasyonları (σ-ortalama) %1,1 kadar düşük ve %5,6. İçsel katkı değerleri yaklaşık 1×1014 cm-3 idi.

Şekil 2 200 mm ve 150 mm epiwafer'ların kalınlık ve katkı profilleri.

Prosesin tekrarlanabilirliği, çalışmadan çalışmaya varyasyonlar karşılaştırılarak araştırıldı; bu, %0,7 kadar düşük kalınlık varyasyonları ve %3,1 kadar düşük katkılama varyasyonları ile sonuçlandı. Şekil 3'te gösterildiği gibi, yeni 200 mm'lik proses sonuçları, daha önce bir PE1O6 reaktörü ile 150 mm'de elde edilen son teknoloji ürünü sonuçlarla karşılaştırılabilir.

Şekil 3 Bir prototip odası (üst) tarafından işlenen 200 mm'lik bir numunenin ve PE1O6 (altta) ile üretilen son teknoloji ürünü 150 mm'lik bir numunenin katman katman kalınlığı ve katkılama bütünlüğü.

Numunelerin yüzey morfolojisi ile ilgili olarak, NDIC mikroskopisi, saptanabilir mikroskop aralığının altında pürüzlülükle düz bir yüzeyi doğruladı. PE1O8 sonuçları. İşlem daha sonra bir PE1O8 reaktörüne aktarıldı. 200mm epiwaferlerin kalınlığı ve doping homojenliği Şekil 4'te gösterilmektedir.

Şekil 4 Bir PE1O8 reaktöründe 200 mm'lik bir epiwafer'in kalınlığı ve doping profili.

Epitaksiyel olarak büyütülmüş levhaların kusur yoğunluğunu araştırmak için kandela kullanıldı. Şekilde gösterildiği gibi. 150 mm ve 200 mm numunelerde sırasıyla 1,43 cm-2 ve 3,06 cm-2 kadar düşük toplam 5 kusur yoğunluğu elde edildi. Bu nedenle epitaksi sonrası toplam kullanılabilir alan (TUA), 150 mm ve 200 mm numuneler için sırasıyla %97 ve %92 olarak hesaplandı. Bu sonuçların yalnızca birkaç çalıştırmadan sonra elde edildiğini ve proses parametrelerinin ince ayarıyla daha da iyileştirilebileceğini belirtmekte fayda var.

Şekil 5 PE1O8 ile büyütülmüş 6μm kalınlığında 200 mm (sol) ve 150 mm (sağ) epiwafer'ların Candela kusur haritaları.

Çözüm

Bu makale, yeni tasarlanmış PE1O8 sıcak duvar CVD reaktörünü ve 200 mm substratlarda düzgün 4H-SIC epitaksi gerçekleştirme yeteneğini sunmaktadır. 200mm üzerindeki ön sonuçlar çok umut vericidir, numune yüzeyinde% 2.1 gibi düşük ve numune yüzeyinde% 3,3 gibi düşük doping performans varyasyonları ile. Epitaksi sonrası TUA'nın 150 mm ve 200mm numuneler için sırasıyla% 97 ve% 92 olduğu hesaplandı ve 200mm için TUA'nın gelecekte daha yüksek substrat kalitesi ile iyileşmesi bekleniyor. Burada bildirilen 200 mm'lik substratlardaki sonuçların birkaç test setine dayandığı düşünüldüğünde, 150 mm'lik örneklerdeki en son sonuçlara yakın olan sonuçları daha da geliştirmenin mümkün olacağına inanıyoruz. Büyüme parametrelerinin ince ayarlanması.