Itaalia LPE 200 mm sic epitaksiaalse tehnoloogia areng

Sissejuhatus

SiC on paljudes rakendustes Si-st parem tänu oma suurepärastele elektroonilistele omadustele, nagu kõrge temperatuuri stabiilsus, lai ribalaius, suur elektrivälja tugevus ja kõrge soojusjuhtivus. Tänapäeval paraneb oluliselt elektrisõidukite veojõusüsteemide kättesaadavus tänu suurematele lülituskiirustele, kõrgemale töötemperatuurile ja SiC metalloksiidi pooljuhtväljatransistoride (MOSFET) madalamale soojustakistusega. SiC-põhiste jõuseadmete turg on viimastel aastatel väga kiiresti kasvanud; seetõttu on suurenenud nõudlus kvaliteetsete, defektideta ja ühtlaste SiC materjalide järele.

Viimastel aastakümnetel on 4H-SiC substraadi tarnijad suutnud suurendada vahvli läbimõõtu 2 tollilt 150 mm-ni (säilitades sama kristallide kvaliteedi). Tänapäeval on SiC seadmete tavapärane vahvli suurus 150 mm ja seadme ühiku tootmiskulude vähendamiseks on mõned seadmetootjad 200 mm fabide loomise algusjärgus. Selle eesmärgi saavutamiseks on lisaks vajadusele kaubanduslikult saadavate 200 mm ränikarbiidiplaatide järele väga soovitav ka ühtlase SiC epitaksia teostamise võimalus. Seetõttu on pärast hea kvaliteediga 200 mm SiC substraatide saamist järgmiseks väljakutseks nende substraatide kvaliteetne epitaksiaalne kasv. LPE on kavandanud ja ehitanud horisontaalse ühekristallilise kuumseinaga täisautomaatse CVD reaktori (nimega PE1O8), mis on varustatud mitmetsoonilise implanteerimissüsteemiga, mis on võimeline töötlema kuni 200 mm ränikarbiidi substraate. Siin kirjeldame selle toimivust 150 mm 4H-SiC epitaksi puhul ning esialgseid tulemusi 200 mm epitaksi puhul.

Tulemused ja arutelu

PE1O8 on täielikult automatiseeritud kasseti-kassetisüsteem, mis on loodud kuni 200 mm SIC vahvlite töötlemiseks. Vormingut saab lülitada vahemikus 150 kuni 200 mm, minimeerides tööriista seisakuid. Kütteetappide vähendamine suurendab tootlikkust, samas kui automatiseerimine vähendab tööjõudu ning parandab kvaliteeti ja korratavust. Tõhusa ja kulukonkurentsivõimelise epitaksia protsessi tagamiseks on esitatud kolm peamist tegurit: 1) kiire protsess, 2) paksuse ja dopingu kõrge ühtlus, 3) minimeeritud defektide moodustumine epitaksia protsessi ajal. PE1O8 -s võimaldavad väike grafiidimass ja automatiseeritud laadimis-/mahalaadimissüsteem standardjooksu lõpule viia vähem kui 75 minutiga (standardne 10 μm Schottky dioodi retsept kasutab kasvukiirust 30 μm/h). Automatiseeritud süsteem võimaldab kõrgel temperatuuril laadida/maha laadida. Selle tulemusel on nii kütte- kui ka jahutusajad lühikesed, surudes samal ajal küpsetamise sammu juba maha. Sellised ideaalsed tingimused võimaldavad tõeliselt lakkamata materjali kasvu.

Seadmete kompaktsus ja selle kolme kanaliga sissepritsesüsteem annab mitmekülgse süsteemi, millel on suure jõudlusega nii dopingu kui ka paksuse ühtlus. See viidi läbi arvutusliku vedeliku dünaamika (CFD) simulatsioonide abil, et tagada gaasi võrreldava voolu ja temperatuuri ühtlus 150 mM ja 200 mM substraadi vormingute jaoks. Nagu on näidatud joonisel 1, tagab see uus sissepritsesüsteem gaasi ühtlaselt sadestuskambri kesk- ja külgosades. Gaasi segamissüsteem võimaldab varieeruda lokaalselt jaotunud gaasikeemiast, laiendades veelgi reguleeritavate protsessiparameetrite arvu epitaksiaalse kasvu optimeerimiseks.

Joonis 1 simuleeritud gaasi kiiruse suurus (ülemine) ja gaasi temperatuur (alt) PE1O8 protsessikambris tasapinnal, mis asub substraadist 10 mM.

Muud funktsioonid hõlmavad täiustatud gaasi pöörlemissüsteemi, mis kasutab tagasiside juhtimisalgoritmi jõudluse sujuvamaks muutmiseks ja pöörlemiskiiruse otse mõõtmiseks, ning uue põlvkonna PID-i temperatuuri reguleerimiseks. Epitaksia protsessi parameetrid. Prototüübi kambris töötati välja n-tüüpi 4H-SiC epitaksiaalne kasvuprotsess. Triklorosilaani ja etüleeni kasutati räni- ja süsinikuaatomite lähteainetena; H2 kasutati kandegaasina ja lämmastikku kasutati n-tüüpi dopinguks. Si-kattega kaubanduslikke 150 mm SiC substraate ja uurimiskvaliteediga 200 mm SiC substraate kasutati 6,5 μm paksuste 1 × 1016 cm-3 n-legeeritud 4H-SiC epikihtide kasvatamiseks. Substraadi pind söövitati in situ, kasutades H2 voolu kõrgendatud temperatuuril. Pärast seda söövitamisetappi kasvatati tasanduskihi valmistamiseks n-tüüpi puhverkiht, kasutades madalat kasvukiirust ja madalat C/Si suhet. Selle puhverkihi peale kanti kõrge kasvukiirusega (30 μm / h) aktiivne kiht, kasutades kõrgemat C / Si suhet. Seejärel viidi arendatud protsess üle ST Rootsi rajatisse paigaldatud PE1O8 reaktorisse. Sarnaseid protsessiparameetreid ja gaasijaotust kasutati 150 mm ja 200 mm proovide puhul. Kasvuparameetrite peenhäälestus lükati tulevastesse uuringutesse, kuna saadaolevate 200 mm substraatide arv oli piiratud.

Proovide näilist paksust ja dopingu jõudlust hinnati vastavalt FTIR ja CV Merkuur sond. Pinna morfoloogiat uuriti Nomarski diferentsiaalse häirete kontrasti (NDIC) mikroskoopia abil ja epilaatorite defekti tihedust mõõdeti Candela abil. Esialgsed tulemused. Prototüübi kambris töödeldud dopingu ja paksuse ühtluse esialgsed tulemused 150 mm ja 200 mM epitaksiaalselt kasvatatud proovid on näidatud joonisel 2. Epilayerid kasvasid ühtlaselt piki 150 mm ja 200 mM substraatide pinda, paksuse variatsioonidega (σ/keskmine ) vastavalt vastavalt 0,4% ja 1,4% ja dopingu variatsioonid (σ-keskmine), mis on 1,1% ja 5,6%. Sisemised dopingu väärtused olid umbes 1 × 1014 cm-3.

Joonis 2 200 mm ja 150 mm epiwahvlite paksus ja dopingprofiilid.

Protsessi korratavust uuriti, võrreldes käiguvahelisi erinevusi, mille tulemuseks oli paksuse variatsioonid nii madalad kui 0,7% ja dopingu variatsioonid nii madalad kui 3,1%. Nagu on näidatud joonisel 3, on uued 200 mm protsessi tulemused võrreldavad tipptasemel tulemustega, mis on PE1O6 reaktori abil varem saadud 150mm.

Joonis 3 Prototüüpkambriga töödeldud 200 mm proovi (ülemine) ja PE1O6-ga valmistatud tipptasemel 150 mm proovi (alumine) kihiti paksus ja dopingu ühtlus.

Proovide pinna morfoloogia osas kinnitas NDIC mikroskoopia siledat pinda, mille karedus oli mikroskoobi tuvastatava vahemiku all. PE1O8 tulemused. Seejärel kanti protsess PE1O8 reaktorisse. 200 mm epiwafersi paksus ja dopingu ühtlus on näidatud joonisel 4. Epilayerid kasvavad ühtlaselt substraadi pinda paksuse ja dopingu variatsioonidega (σ/keskmine) vastavalt nii madalale kui 2,1% ja 3,3%.

Joonis 4 PE1O8 reaktoris oleva 200 mm epiwaferi paksus ja dopinguprofiil.

Epitaksiaalselt kasvatatud vahvlite defekti tiheduse uurimiseks kasutati Candelat. Nagu joonisel näidatud. Kogudefektide tihedus oli 5 kuni 1,43 cm-2 ja 3,06 cm-2 vastavalt 150 mm ja 200 mm proovidel. Seetõttu arvutati epitaxy kogu olemasoleva pindala (TUA) vastavalt 97% ja 92% vastavalt 150 mm ja 200 mm proovide puhul. Väärib märkimist, et need tulemused saavutati alles pärast mõnda jooksu ja neid saab protsessiparameetrite täpsustamisega veelgi paremaks muuta.

Joonis 5 Candela defektikaardid 6 μm paksused 200 mm (vasakul) ja 150 mm (paremal) epiwafers, mida kasvatatakse PE1O8 -ga.

Järeldus

See artikkel tutvustab äsja disainitud PE1O8 kuumseinaga CVD reaktorit ja selle võimet teostada ühtlast 4H-SiC epitakseerimist 200 mm substraatidel. Esialgsed tulemused 200 mm kohta on väga paljutõotavad, paksuse kõikumine kogu proovipinna ulatuses on nii väike kui 2,1% ja dopingu jõudluse kõikumised kogu proovi pinna ulatuses vaid 3,3%. Arvutati, et TUA pärast epitakseerimist oli 150 mm ja 200 mm proovide puhul vastavalt 97% ja 92%, ning prognooside kohaselt paraneb 200 mm TUA tulevikus substraadi kõrgema kvaliteediga. Arvestades, et siin esitatud 200 mm substraatide tulemused põhinevad mõnel katsekomplektil, usume, et tulemusi, mis on juba lähedased 150 mm proovide tipptasemel tulemustele, on võimalik veelgi parandada. kasvuparameetrite peenhäälestus.