Italijos LPE 200 mm SiC epitaksinės technologijos pažanga

Įvadas

SiC yra pranašesnis už Si daugeliu atvejų dėl savo puikių elektroninių savybių, tokių kaip stabilumas aukštoje temperatūroje, platus pralaidumas, didelis elektrinio lauko stiprumas ir didelis šilumos laidumas. Šiandien elektromobilių traukos sistemų prieinamumas gerokai pagerinamas dėl didesnio perjungimo greičio, aukštesnės darbinės temperatūros ir mažesnės SiC metalo oksido puslaidininkinių lauko efektų tranzistorių (MOSFET) šiluminės varžos. SiC pagrindu pagamintų energijos įrenginių rinka per pastaruosius kelerius metus labai sparčiai augo; todėl išaugo kokybiškų, be defektų ir vienodų SiC medžiagų poreikis.

Per pastaruosius kelis dešimtmečius 4H-SiC substrato tiekėjai sugebėjo padidinti plokštelių skersmenį nuo 2 colių iki 150 mm (išlaikant tą pačią kristalų kokybę). Šiandien pagrindinis SiC įrenginių plokštelių dydis yra 150 mm, o norėdami sumažinti įrenginio vieneto gamybos sąnaudas, kai kurie įrenginių gamintojai tik pradeda kurti 200 mm gaminius. Norint pasiekti šį tikslą, be komercinių 200 mm SiC plokštelių poreikio, taip pat labai pageidautina galimybė atlikti vienodą SiC epitaksiją. Todėl, gavus geros kokybės 200 mm SiC substratus, kitas iššūkis bus atlikti aukštos kokybės epitaksinį augimą ant šių substratų. LPE suprojektavo ir pastatė horizontalų vieno kristalo karštosios sienelės visiškai automatizuotą CVD reaktorių (pavadintą PE1O8), aprūpintą kelių zonų implantavimo sistema, galinčia apdoroti iki 200 mm SiC substratus. Čia pateikiame jo veikimą naudojant 150 mm 4H-SiC epitaksiją, taip pat preliminarius 200 mm epitaksijos rezultatus.

Rezultatai ir DISKUSIJA

PE1O8 yra visiškai automatizuota kasetės į kasetę sistema, skirta apdoroti iki 200 mm SiC plokšteles. Formatą galima perjungti tarp 150 ir 200 mm, taip sumažinant įrankio prastovos laiką. Šildymo etapų sumažinimas padidina našumą, o automatizavimas mažina darbo jėgą ir pagerina kokybę bei pakartojamumą. Siekiant užtikrinti efektyvų ir ekonomišką epitaksijos procesą, nurodomi trys pagrindiniai veiksniai: 1) greitas procesas, 2) didelis storio ir dopingo vienodumas, 3) sumažintas defektų susidarymas epitaksijos proceso metu. PE1O8 maža grafito masė ir automatizuota pakrovimo / iškrovimo sistema leidžia atlikti standartinį paleidimą per mažiau nei 75 minutes (standartinis 10 μm Schottky diodo receptas naudoja 30 μm / h augimo greitį). Automatizuota sistema leidžia pakrauti/iškrauti aukštoje temperatūroje. Dėl to tiek šildymo, tiek vėsinimo laikas yra trumpas, o jau slopina kepimo etapą. Tokios idealios sąlygos leidžia augti tikrai neleguotai medžiagai.

Įrangos kompaktiškumas ir trijų kanalų įpurškimo sistema sukuria universalią sistemą, pasižyminčią dideliu našumu tiek dopingo, tiek vienodo storio atžvilgiu. Tai buvo atlikta naudojant skaičiavimo skysčių dinamikos (CFD) modeliavimą, siekiant užtikrinti palyginamą dujų srauto ir temperatūros vienodumą 150 mm ir 200 mm substrato formatams. Kaip parodyta 1 paveiksle, ši nauja įpurškimo sistema vienodai tiekia dujas į centrinę ir šoninę nusodinimo kameros dalis. Dujų maišymo sistema leidžia keisti lokaliai paskirstytų dujų chemiją, toliau plečiant reguliuojamų proceso parametrų skaičių, kad būtų optimizuotas epitaksinis augimas.

1 paveikslas Imituotas dujų greičio dydis (viršuje) ir dujų temperatūra (apačioje) PE1O8 proceso kameroje plokštumoje, esančioje 10 mm virš pagrindo.

Kitos funkcijos apima patobulintą dujų sukimosi sistemą, kuri naudoja grįžtamojo ryšio valdymo algoritmą, kad išlygintų veikimą ir tiesiogiai išmatuotų sukimosi greitį, ir naujos kartos PID temperatūros kontrolei. Epitaksijos proceso parametrai. Prototipo kameroje buvo sukurtas n tipo 4H-SiC epitaksinis augimo procesas. Trichlorsilanas ir etilenas buvo naudojami kaip silicio ir anglies atomų pirmtakai; H2 buvo naudojamas kaip nešančiosios dujos, o azotas buvo naudojamas n tipo dopingui. 6,5 μm storio 1 × 1016 cm-3 n legiruotiems 4H-SiC episluoksniams auginti buvo naudojami komerciniai 150 mm SiC substratai ir mokslinio lygio 200 mm SiC substratai. Substrato paviršius buvo išgraviruotas in situ, naudojant H2 srautą aukštesnėje temperatūroje. Po šio ėsdinimo etapo n tipo buferinis sluoksnis buvo auginamas naudojant mažą augimo greitį ir mažą C / Si santykį, kad būtų paruoštas išlyginamasis sluoksnis. Ant šio buferinio sluoksnio buvo nusodintas aktyvus sluoksnis su dideliu augimo greičiu (30 μm / h), naudojant didesnį C / Si santykį. Tada sukurtas procesas buvo perkeltas į PE1O8 reaktorių, įrengtą ST Švedijos objekte. Panašūs proceso parametrai ir dujų paskirstymas buvo naudojami 150 mm ir 200 mm mėginiams. Tikslus augimo parametrų derinimas buvo atidėtas būsimiems tyrimams dėl riboto turimų 200 mm substratų skaičiaus.

Tariamasis mėginių storis ir dopingo efektyvumas buvo įvertinti atitinkamai FTIR ir CV gyvsidabrio zondu. Paviršiaus morfologija buvo ištirta Nomarski diferencialinio interferencinio kontrasto (NDIC) mikroskopu, o episluoksnių defektų tankis buvo išmatuotas Candela. Preliminarūs rezultatai. Preliminarūs 150 mm ir 200 mm epitaksiniu būdu išaugintų mėginių, apdorotų prototipų kameroje, dopingo ir storio vienodumo rezultatai parodyti 2 paveiksle. ) tik 0,4 % ir 1,4 %, o dopingo svyravimai (σ-vidurkis) tik 1,1 % ir 5,6 %. Vidinės dopingo vertės buvo maždaug 1 × 1014 cm-3.

2 pav. 200 mm ir 150 mm epiwaferių storis ir dopingo profiliai.

Proceso pakartojamumas buvo ištirtas lyginant svyravimus, kurių metu storis skiriasi tik 0,7%, o dopingo - 3,1%. Kaip parodyta 3 paveiksle, nauji 200 mm proceso rezultatai yra palyginami su naujausiais rezultatais, anksčiau gautais naudojant 150 mm PE1O6 reaktorių.

3 pav. Sluoksnio storis ir dopingo vienodumas 200 mm mėginyje, apdorotame prototipinėje kameroje (viršuje), ir naujausio 150 mm mėginio, pagaminto PE1O6 (apačioje).

Kalbant apie mėginių paviršiaus morfologiją, NDIC mikroskopija patvirtino lygų paviršių, kurio šiurkštumas yra mažesnis už aptinkamą mikroskopo diapazoną. PE1O8 rezultatai. Tada procesas buvo perkeltas į PE1O8 reaktorių. 200 mm epiwaferių storis ir dopingo vienodumas parodytas 4 paveiksle. Episluoksniai auga tolygiai palei substrato paviršių, o storio ir dopingo svyravimai (σ/vidurkis) yra atitinkamai tik 2,1 % ir 3,3 %.

4 pav. 200 mm epiwafer storis ir dopingo profilis PE1O8 reaktoriuje.

Norint ištirti epitaksiniu būdu auginamų plokštelių defektų tankį, buvo naudojama kandela. Kaip parodyta paveikslėlyje. 150 mm ir 200 mm mėginių bendras defektų tankis buvo 5, 1,43 cm-2 ir 3,06 cm-2. Todėl apskaičiuota, kad bendras turimas plotas (TUA) po epitaksijos yra atitinkamai 97% ir 92% 150 mm ir 200 mm mėginiams. Verta paminėti, kad šie rezultatai buvo pasiekti tik po kelių paleidimų ir juos galima dar pagerinti tikslinant proceso parametrus.

5 pav. 6 μm storio 200 mm (kairėje) ir 150 mm (dešinėje) epiwaferių, išaugintų PE1O8, kandelos defektų žemėlapiai.

Išvada

Šiame darbe pristatomas naujai sukurtas PE1O8 karštų sienelių CVD reaktorius ir jo gebėjimas atlikti vienodą 4H-SiC epitaksiją ant 200 mm substratų. Preliminarūs 200 mm rezultatai yra daug žadantys, o storio svyravimai siekia tik 2,1 % mėginio paviršiaus, o dopingo charakteristikų skirtumai – tik 3,3 % mėginio paviršiuje. Apskaičiuota, kad TUA po epitaksijos yra atitinkamai 97% ir 92% 150 mm ir 200 mm mėginiams, o tikimasi, kad TUA 200 mm ateityje pagerės, kai substrato kokybė bus geresnė. Atsižvelgiant į tai, kad čia pateikti 200 mm substratų rezultatai yra pagrįsti keliais bandymų rinkiniais, manome, kad bus galima dar labiau pagerinti rezultatus, kurie jau yra artimi naujausiems 150 mm mėginių rezultatams. koreguoti augimo parametrus.