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 jos trijų kanalų įpurškimo sistema sukuria universalią sistemą, kurios našumas yra tiek dopingo, tiek storio vienodumas. Tai buvo atlikta naudojant skaičiavimo skysčių dinamikos (CFD) modeliavimą, siekiant užtikrinti palyginamą dujų srautą ir temperatūros vienodumą 150 mm ir 200 mm substrato formatams. Kaip parodyta 1 paveiksle, ši nauja įpurškimo sistema vienodai tiekia dujas centrinėje ir šoninėje nusėdimo kameros dalyse. Dujų maišymo sistema leidžia pakeisti lokaliai paskirstytą dujų chemiją, dar labiau išplėsti reguliuojamų proceso parametrų skaičių, kad būtų galima optimizuoti epitaksinį augimą.

1 paveikslas modeliavo dujų greičio dydį (viršuje) ir dujų temperatūrą (apačią) PE1O8 proceso kameroje plokštumoje, esančioje 10 mm virš substrato.

Kitos funkcijos apima patobulintą dujų pasukimo sistemą, kuri naudoja grįžtamojo ryšio valdymo algoritmą, kad būtų galima išlyginti našumą ir tiesiogiai išmatuoti sukimosi greitį, ir naujos kartos PID, skirtą temperatūros valdymui. Epitaksijos proceso parametrai. Prototipo kameroje buvo sukurtas N tipo 4H-SIC epitaksinio augimo procesas. Trichlorosilanas ir etilenas buvo naudojami kaip silicio ir anglies atomų pirmtakai; H2 buvo naudojamas kaip nešiklio dujos, o azotas buvo naudojamas N tipo dopingui. Si veido komerciniai 150 mm SiC substratai ir tyrimų lygio 200 mm SiC substratai buvo naudojami auginant 6,5 μm storio 1 × 1016 cm-3 N-egluotus 4H-SIC sluoksnius. Substrato paviršius buvo išgraviruotas in situ, naudojant H2 srautą aukštesnėje temperatūroje. Po šio ėsdinimo žingsnio N tipo buferio sluoksnis buvo išaugintas naudojant mažą augimo greitį ir mažą C/SI santykį, norint paruošti išlyginamąjį sluoksnį. Ant šio buferio sluoksnio aktyviojo sluoksnio, turinčio didelį augimo greitį (30 μm/h), buvo nusodintas naudojant didesnį C/SI santykį. Tada sukurtas procesas buvo perkeltas į PE1O8 reaktorių, įrengtą Šv. Švedijos objekte. Panašūs proceso parametrai ir dujų pasiskirstymas buvo naudojami 150 mm ir 200 mm mėginiams. Tinkamas augimo parametrų derinimas buvo atidėtas į būsimus tyrimus dėl riboto turimų 200 mm substratų skaičiaus.

Akivaizdus mėginių storis ir dopingo veikimas buvo įvertinti atitinkamai FTIR ir CV Mercury zondu. Paviršiaus morfologija buvo ištirta naudojant „Nomarski“ diferencialinio trukdžių kontrasto (NDIC) mikroskopiją, o epilo sluoksnių defektų tankis buvo matuojamas Candela. Preliminarūs rezultatai. Preliminarūs 150 mm ir 200 mm epitaksiškai auginamų pavyzdžių, apdorotų prototipo kameroje, dopingo ir storio vienodumo rezultatai yra parodyti 2 paveiksle. Epileininkai vienodai augo išilgai 150 mm ir 200 mm substratų paviršiaus (σ/vidurkis). ) atitinkamai 0,4% ir 1,4%, ir dopingo variacijos (σ-vidurkis), siekiantis 1,1% ir 5,6%. Vidinės dopingo vertės buvo maždaug 1 × 1014 cm-3.

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

Proceso pakartojamumas buvo ištirtas palyginus bėgimo ir bėgimo pokyčius, todėl storio kitimai buvo net 0,7%, o dopingo variacijos-tik 3,1%. Kaip parodyta 3 paveiksle, nauji 200 mm proceso rezultatai yra panašūs į moderniausius rezultatus, kuriuos anksčiau gauta 150 mm PE1O6 reaktoriuje.

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

Kalbant apie pavyzdžių paviršiaus morfologiją, NDIC mikroskopija patvirtino lygų paviršių, kurio šiurkštumas yra žemesnis nei aptinkamas mikroskopo diapazonas. PE1O8 rezultatai. Tada procesas buvo perkeltas į PE1O8 reaktorių. 200 mm epiwaferių storis ir dopingo vienodumas parodytas 4 paveiksle. Epileers vienodai auga išilgai substrato paviršiaus, kurio storio ir dopingo variacijos (σ/vidurkis) atitinkamai 2,1% ir 3,3%.

4 paveikslas 200 mm epiwaferio storio ir dopingo profilis PE1O8 reaktoriuje.

Norint ištirti epitaksiškai auginamų vaflių defektų tankį, buvo naudojama „Candela“. Kaip parodyta paveiksle. Bendras defektų tankis buvo 5 iki 1,43 cm-2 ir 3,06 cm-2 atitinkamai 150 mm ir 200 mm mėginiuose. Todėl buvo apskaičiuota, kad bendras turimas plotas (TuA) po epitaksijos buvo atitinkamai 97% ir 92% atitinkamai 150 mm ir 200 mm mėginiams. Verta paminėti, kad šie rezultatai buvo pasiekiami tik po kelių bandymų ir juos galima dar patobulinti pritaikant proceso parametrus.

5 paveikslas „Candela“ defektų žemėlapiai, kurių 6 μm storio 200 mm (kairėje) ir 150 mm (dešinėje) epiwafers, užauginti PE1O8.

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.