Italian LPE:n 200 mm:n piikarbidin epitaksiaaliteknologia edistyy

Johdanto

SiC on parempi kuin SI monissa sovelluksissa, koska se johtuu sen paremmista elektronisista ominaisuuksista, kuten korkean lämpötilan stabiilisuudesta, laajasta kaistalevystä, suuresta hajoamisen sähkökentän lujuudesta ja korkeasta lämmönjohtavuudesta. Nykyään sähköajoneuvojen vetojärjestelmien saatavuus paranee merkittävästi korkeamman kytkentänopeuden, korkeampien käyttölämpötilojen ja SiC -metallioksidin puolijohdekenttäfektistransistorien (MOSFET) (MOSFET) alhaisemman lämpövastuksen vuoksi. SiC-pohjaisten voimalaitteiden markkinat ovat kasvaneet erittäin nopeasti viime vuosina; Siksi korkealaatuisten, viattomien ja yhtenäisten SIC-materiaalien kysyntä on lisääntynyt.

Muutaman viime vuosikymmenen aikana 4H-SIC-substraatin toimittajat ovat kyenneet mittaamaan kiekkojen halkaisijat 2 tuumaa 150 mm: iin (ylläpitäen samaa kristallinlaatua). Nykyään SIC -laitteiden valtavirran kiekkojen koko on 150 mm, ja tuotantokustannusten vähentämiseksi yksikkölaitetta kohti jotkut laitevalmistajat ovat 200 mm FABS: n perustamisen varhaisessa vaiheessa. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi kaupallisesti saatavien 200 mm: n kiekkojen tarpeen lisäksi myös kyky suorittaa yhtenäinen sic -epitaksi on erittäin toivottu. Siksi, kun on saatu hyvälaatuisia 200 mm: n sic-substraatteja, seuraava haaste on suorittaa korkealaatuista epitaksiaalista kasvua näillä substraateilla. LPE on suunnitellut ja rakentanut vaakasuoran yksikristallin kuuman seinämän täysin automatisoidun CVD-reaktorin (nimeltään PE1O8), joka on varustettu monen alueen implantaatiojärjestelmällä, joka pystyy käsittelemään jopa 200 mm: n sic-substraatteja. Täällä ilmoitamme sen suorituskyvyn 150 mm: n 4H-SIC-epitaksista sekä alustavista tuloksista 200 mm: n epi-awafereilla.

Tulokset ja keskustelu

PE1O8 on täysin automatisoitu kasetti-kasettijärjestelmä, joka on suunniteltu käsittelemään jopa 200 mm: n sic-kiekkoja. Muoto voidaan vaihtaa välillä 150 - 200 mm, minimoimalla työkalun seisokit. Lämmitysvaiheiden vähentäminen lisää tuottavuutta, kun taas automaatio vähentää työvoimaa ja parantaa laatua ja toistettavuutta. Tehokkaan ja kustannuskilpailukykyisen epitaksiprosessin varmistamiseksi ilmoitetaan kolme päätekijää: 1) nopea prosessi, 2) korkea paksuuden ja dopingin yhtenäisyys, 3) minimoi vikojen muodostuminen epitaksiprosessin aikana. PE1O8: ssa pieni grafiittimassa ja automatisoitu lastaus-/purkamisjärjestelmä sallivat vakiona olevan suoritettavan alle 75 minuutissa (standardi 10 μm Schottky -diodiresepti käyttää kasvunopeutta 30 μm/h). Automaattinen järjestelmä mahdollistaa lastaamisen/purkamisen korkeissa lämpötiloissa. Seurauksena on, että sekä lämmitys- että jäähdytysajat ovat lyhyitä, samalla kun jo tukahdutetaan leivontavaihe. Tällaiset ihanteelliset olosuhteet mahdollistavat todella alittamattoman materiaalin kasvun.

Laitteiden ja sen kolmen kanavan injektiojärjestelmän kompaktiisuus johtaa monipuoliseen järjestelmään, jolla on korkea suorituskyky sekä dopingissa että paksuuden yhtenäisyydessä. Tämä suoritettiin käyttämällä laskennallista nestedynamiikan (CFD) simulaatioita vertailukelpoisen kaasun virtauksen ja lämpötilan tasaisuuden varmistamiseksi 150 mm ja 200 mm substraattimuodoissa. Kuten kuviossa 1 esitetään, tämä uusi injektiojärjestelmä toimittaa kaasun tasaisesti laskeuman kammion keski- ja sivuosissa. Kaasun sekoitusjärjestelmä mahdollistaa paikallisesti hajautetun kaasukemian vaihtelun laajentaen edelleen säädettävien prosessiparametrien lukumäärää epitaksiaalisen kasvun optimoimiseksi.

Kuva 1 Simuloitu kaasun nopeuden suuruus (ylhäällä) ja kaasun lämpötila (alhaalla) PE1O8-prosessikammiossa tasossa, joka sijaitsee 10 mm alustan yläpuolella.

Muita ominaisuuksia ovat parannettu kaasun pyöritysjärjestelmä, joka käyttää palauteohjausalgoritmia suorituskyvyn tasaamiseen ja pyörimisnopeuden suoraan mittaamiseen, sekä uuden sukupolven PID lämpötilan säätöön. Epitaksiprosessin parametrit. Prototyyppikammiossa kehitettiin n-tyypin 4H-SiC epitaksiaalinen kasvuprosessi. Trikloorisilaania ja eteeniä käytettiin piin ja hiiliatomien esiasteena; H2:ta käytettiin kantokaasuna ja typpeä käytettiin n-tyypin seostukseen. Si-pintaisia ​​kaupallisia 150 mm:n SiC-substraatteja ja tutkimuslaatuisia 200 mm:n SiC-substraatteja käytettiin 6,5 μm:n paksuisten 1 × 1016 cm-3 n-seostettujen 4H-SiC-epikerrosten kasvattamiseen. Substraatin pinta syövytettiin in situ käyttämällä H2-virtausta korotetussa lämpötilassa. Tämän etsausvaiheen jälkeen kasvatettiin n-tyypin puskurikerrosta käyttäen alhaista kasvunopeutta ja alhaista C/Si-suhdetta tasoituskerroksen valmistamiseksi. Tämän puskurikerroksen päälle kerrostettiin aktiivinen kerros, jolla oli korkea kasvunopeus (30 μm/h), käyttämällä korkeampaa C/Si-suhdetta. Kehitetty prosessi siirrettiin sitten ST:n Ruotsin laitokseen asennettuun PE1O8-reaktoriin. Samanlaisia ​​prosessiparametreja ja kaasun jakautumista käytettiin 150 mm ja 200 mm näytteille. Kasvuparametrien hienosäätö lykättiin tuleviin tutkimuksiin saatavilla olevien 200 mm substraattien rajoitetun määrän vuoksi.

Näytteiden näennäinen paksuus ja doping suorituskyky arvioitiin vastaavasti FTIR- ja CV -elohopeaanturilla. Pintamorfologiaa tutkittiin Nomarski -differentiaalisten häiriöiden kontrastin (NDIC) mikroskopialla, ja epilakerroksen vikatiheys mitattiin Candelalla. Alustavat tulokset. Prototyyppikammiossa prosessoidut prototyyppikammiossa prosessoidut 40 mm: n ja 200 mm: n epitaksiaalisesti kasvatetut näytteet on esitetty alustavat tulokset kuviossa 2. Epilatokset kasvoivat tasaisesti 150 mm: n ja 200 mm: n substraattien pintaa pitkin (σ/keskiarvo ) Niinkin alhainen kuin 0,4% ja 1,4%, ja dopingvariaatiot (σ-keskiarvo) niinkin alhainen kuin 1,1% ja 5,6%. Luonnolliset doping-arvot olivat noin 1 x 1014 cm-3.

Kuva 2 200 mm ja 150 mm epikiekkojen paksuus ja seostusprofiilit.

Prosessin toistettavuutta tutkittiin vertaamalla juoksun variaatioita, jolloin paksuusvaihteluihin on niinkin alhaisia ​​kuin 0,7% ja dopingvaihteluja niinkin alhaiset kuin 3,1%. Kuten kuviossa 3 esitetään, uudet 200 mm: n prosessitulokset ovat verrattavissa huipputeknisiin tuloksiin, jotka PE1O6-reaktori on aiemmin saanut 150 mm.

Kuva 3 Prototyyppikammiolla käsitellyn 200 mm:n näytteen (ylhäällä) ja huippuluokan 150 mm:n näytteen, joka on valmistettu PE1O6:sta (alhaalla), kerros kerrokselta paksuus ja seostustasaisuus.

Mitä tulee näytteiden pintamorfologiaan, NDIC-mikroskopia vahvisti sileän pinnan, jonka karheus oli mikroskoopin havaittavissa olevan alueen alapuolella. PE1O8 tulokset. Prosessi siirrettiin sitten PE108-reaktoriin. 200 mm:n epikiekkolevyjen paksuus ja seostuksen tasaisuus on esitetty kuvassa 4. Epilayers kasvavat tasaisesti substraatin pintaa pitkin paksuuden ja seostusvaihteluiden (σ/keskiarvo) ollessa vain 2,1 % ja vastaavasti 3,3 %.

Kuva 4 200 mm epiwaferin paksuus ja dopingprofiili PE1O8 -reaktorissa.

Epitaksiaalisesti kasvatettujen kiekkojen vikatiheyden tutkimiseksi käytettiin Candelaa. Kuten kuvassa on esitetty. Viatiheydet 5 niin alhainen kuin 1,43 cm-2 ja 3,06 cm-2 saavutettiin vastaavasti 150 mm: n ja 200 mm: n näytteillä. Käytettävissä oleva kokonaispinta -ala (TUA) epitaksian jälkeen laskettiin olevan 97% ja 92% vastaavasti 150 mm: n ja 200 mm: n näytteille. On syytä mainita, että nämä tulokset saavutettiin vasta muutaman juoksun jälkeen ja niitä voidaan parantaa edelleen hienosäätämällä prosessiparametrit.

Kuva 5 Candela-vikakartat 6 μm paksuista 200 mm (vasemmalla) ja 150 mm (oikea) epikiehoista, joita on kasvatettu PE1O8:lla.

Johtopäätös

Tässä artikkelissa esitellään äskettäin suunniteltu PE1O8 kuumaseinäinen CVD-reaktori ja sen kyky suorittaa yhtenäinen 4H-SiC-epitaksia 200 mm:n substraateille. Alustavat tulokset 200 mm:stä ovat erittäin lupaavia, sillä paksuusvaihtelut ovat niinkin pienet kuin 2,1 % näytteen pinnalla ja seostussuorituskyvyn vaihtelut vain 3,3 % näytteen pinnalla. TUA:n epitaksin jälkeen laskettiin olevan 97 % ja 92 % 150 mm ja 200 mm näytteille, ja TUA:n 200 mm:n ennustetaan paranevan tulevaisuudessa paremman substraatin laadun myötä. Ottaen huomioon, että tässä raportoidut tulokset 200 mm:n substraateilla perustuvat muutamiin testisarjoihin, uskomme, että tuloksia, jotka ovat jo lähellä 150 mm:n näytteiden huippuluokan tuloksia, on mahdollista parantaa edelleen kasvuparametrien hienosäätö.