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

giriiş

SiC, yüksek sıcaklık kararlılığı, geniş bant aralığı, yüksek arıza elektrik alanı kuvveti ve yüksek termal iletkenlik gibi üstün elektronik özelliklerinden dolayı birçok uygulamada Si'den üstündür. Günümüzde elektrikli araç çekiş sistemlerinin kullanılabilirliği, SiC metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerin (MOSFET'ler) daha yüksek anahtarlama hızları, daha yüksek çalışma sıcaklıkları ve daha düşük termal direnci nedeniyle önemli ölçüde iyileştirilmektedir. SiC tabanlı güç cihazları pazarı son birkaç yılda çok hızlı bir şekilde büyüdü; bu nedenle yüksek kaliteli, hatasız ve tekdüze SiC malzemelerine olan talep arttı.

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 plakaları işlemek için tasarlanmış tam otomatik bir kasetten kasete sistemdir. Format 150 ile 200 mm arasında değiştirilebilir, böylece aletin aksama süresi en aza indirilir. Isıtma aşamalarının azaltılması üretkenliği artırırken, otomasyon işçiliği azaltır ve kaliteyi ve tekrarlanabilirliği artırır. Verimli ve maliyet açısından rekabetçi bir epitaksi prosesi sağlamak için üç ana faktör rapor edilmiştir: 1) hızlı proses, 2) yüksek kalınlık ve doping homojenliği, 3) epitaksi prosesi sırasında minimuma indirilmiş kusur oluşumu. PE1O8'de, küçük grafit kütlesi ve otomatik yükleme/boşaltma sistemi, standart bir çalışmanın 75 dakikadan daha kısa sürede tamamlanmasına olanak tanır (standart bir 10μm Schottky diyot tarifi, 30μm/saatlik bir büyüme hızı kullanır). Otomatik sistem, yüksek sıcaklıklarda yükleme/boşaltma yapılmasına olanak sağlar. Sonuç olarak hem ısıtma hem de soğutma süreleri kısalır ve pişirme adımı zaten bastırılır. Bu tür ideal koşullar, gerçek anlamda katkısız malzemenin büyümesine olanak tanır.

Ekipmanın kompaktlığı ve üç kanallı enjeksiyon sistemi, hem katkılama hem de kalınlık homojenliği açısından yüksek performansa sahip çok yönlü bir sistemle sonuçlanır. Bu, 150 mm ve 200 mm alt tabaka formatları için karşılaştırılabilir gaz akışı ve sıcaklık bütünlüğü sağlamak amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonları kullanılarak gerçekleştirildi. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bu yeni enjeksiyon sistemi, biriktirme odasının orta ve yan kısımlarına gazı eşit şekilde dağıtır. Gaz karıştırma sistemi, epitaksiyel büyümeyi optimize etmek için ayarlanabilir proses parametrelerinin sayısını daha da genişleterek, yerel olarak dağıtılan gaz kimyasının çeşitlendirilmesine olanak tanır.

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 ve %5,6 kadar düşük. 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 mikroskobu, mikroskobun tespit edilebilir aralığının altında pürüzlülüğe sahip pürüzsüz bir yüzey doğruladı. PE1O8 sonuçları. İşlem daha sonra bir PE1O8 reaktörüne aktarıldı. 200 mm'lik epiwafer'ların kalınlığı ve katkılama tekdüzeliği Şekil 4'te gösterilmektedir. Epikatmanlar, sırasıyla %2,1 ve %3,3 kadar düşük kalınlık ve katkılama değişimleri (σ/ortalama) ile alt tabaka yüzeyi boyunca düzgün bir şekilde büyür.

Şekil 4 Bir PE1O8 reaktöründeki 200 mm'lik bir epiwafer'ın kalınlığı ve katkılama 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 tasarlanan PE1O8 sıcak duvarlı CVD reaktörünü ve onun 200 mm'lik alt tabakalar üzerinde tek biçimli 4H-SiC epitaksi gerçekleştirme yeteneğini sunmaktadır. Numune yüzeyi boyunca %2,1 kadar düşük kalınlık değişimleri ve numune yüzeyi boyunca %3,3 kadar düşük katkılama performansı değişiklikleri ile 200 mm'deki ön sonuçlar oldukça ümit vericidir. Epitaksi sonrası TUA'nın 150 mm ve 200 mm numuneler için sırasıyla %97 ve %92 olduğu hesaplandı ve 200 mm için TUA'nın gelecekte daha yüksek substrat kalitesiyle gelişeceği tahmin ediliyor. Burada rapor edilen 200 mm'lik alt tabakalara ilişkin sonuçların birkaç teste dayandığı göz önüne alındığında, 150 mm'lik numuneler üzerinde halihazırda en son teknolojiye sahip sonuçlara yakın olan sonuçların daha da iyileştirilmesinin mümkün olacağına inanıyoruz. Büyüme parametrelerinin ince ayarlanması.