Італія 200 мм епітаксіальна технологія SIC LPE

Вступ

SiC перевершує Si у багатьох застосуваннях завдяки своїм чудовим електронним властивостям, таким як висока температурна стабільність, широка заборонена зона, висока напруженість електричного поля пробою та висока теплопровідність. Сьогодні доступність тягових систем електромобілів значно покращується завдяки вищим швидкостям перемикання, вищим робочим температурам і нижчому тепловому опору польових транзисторів на основі металооксиду SiC (MOSFET). За останні кілька років ринок силових пристроїв на основі SiC дуже швидко зріс; тому зріс попит на високоякісні, бездефектні та однорідні матеріали SiC.

За останні кілька десятиліть постачальникам підкладок 4H-SiC вдалося збільшити діаметр пластин від 2 дюймів до 150 мм (зберігаючи ту саму якість кристалів). Сьогодні основний розмір пластини для пристроїв із SiC становить 150 мм, і для того, щоб знизити виробничу вартість одиниці пристрою, деякі виробники пристроїв знаходяться на ранніх стадіях створення 200-міліметрових фабрик. Для досягнення цієї мети, окрім потреби у комерційно доступних 200-міліметрових пластинах SiC, також дуже бажана можливість виконувати рівномірну епітаксію SiC. Таким чином, після отримання високоякісних підкладок SiC товщиною 200 мм наступним завданням буде виконання високоякісного епітаксійного вирощування на цих підкладках. Компанія LPE розробила та побудувала горизонтальний монокристалічний повністю автоматизований CVD-реактор із гарячими стінками (під назвою PE1O8), оснащений багатозонною системою імплантації, здатною обробляти підкладки SiC розміром до 200 мм. Тут ми повідомляємо про його продуктивність на 150-мм 4H-SiC епітаксії, а також попередні результати на 200-мм епіваферах.

Результати та обговорення

PE1O8-це повністю автоматизована система касети до касети, розроблена для обробки до 200 мм SIC вафель. Формат може перемикатися між 150 і 200 мм, мінімізуючи час простою інструменту. Зниження етапів нагріву підвищує продуктивність, тоді як автоматизація знижує робочу силу та покращує якість та повторюваність. Для забезпечення ефективного та конкурентоспроможного процесу епітаксії повідомляється про три основні фактори: 1) швидкий процес, 2) висока рівномірність товщини та допінгу, 3) мінімізовано утворення дефектів під час процесу епітакси. У PE1O8 невелика графітова маса та автоматизована система завантаження/вивантаження дозволяють виконати стандартний пробіг за менш ніж 75 хвилин (стандартний 10 мкм рецепт діодного Schottky використовує швидкість росту 30 мкм/год). Автоматизована система дозволяє завантажувати/розвантажувати при високих температурах. Як результат, і час опалення, і охолодження короткі, при цьому вже пригнічуючи крок випічки. Такі ідеальні умови дозволяють зростати справді непорушеного матеріалу.

Компактність обладнання та його триканальна система впорскування призводять до створення універсальної системи з високою ефективністю як легування, так і рівномірності товщини. Це було виконано за допомогою моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD), щоб забезпечити порівнянний потік газу та однорідність температури для форматів підкладки 150 мм і 200 мм. Як показано на малюнку 1, ця нова система впорскування рівномірно подає газ у центральну та бічні частини камери осадження. Система змішування газу дозволяє змінювати хімічний склад локально розподіленого газу, додатково розширюючи кількість регульованих параметрів процесу для оптимізації епітаксійного зростання.

Фігура 1 Модельована величина швидкості газу (вгорі) та температура газу (знизу) у процесі процесу PE1O8 у площині, розташованій на 10 мм над підкладкою.

Інші функції включають покращену систему обертання газу, яка використовує алгоритм керування зворотним зв’язком для згладжування продуктивності та безпосереднього вимірювання швидкості обертання, а також нове покоління PID для контролю температури. Параметри процесу епітаксії. Процес епітаксійного вирощування 4H-SiC n-типу був розроблений у прототипі камери. Трихлорсилан і етилен використовувалися як попередники атомів кремнію і вуглецю; H2 використовувався як газ-носій, а азот використовувався для легування n-типу. Для вирощування епішарів 4H-SiC товщиною 6,5 мкм 1×1016 см-3 n-легованого SiC використовувалися комерційні 150-міліметрові SiC-підкладки з кремнієвим покриттям і дослідницькі 200-міліметрові SiC-підкладки. Поверхня підкладки була протравлена ​​in situ з використанням потоку H2 при підвищеній температурі. Після цього етапу травлення був вирощений буферний шар n-типу з використанням низької швидкості росту та низького співвідношення C/Si для підготовки згладжуючого шару. Поверх цього буферного шару було нанесено активний шар із високою швидкістю росту (30 мкм/год) з використанням більш високого співвідношення C/Si. Розроблений процес потім було передано в реактор PE1O8, встановлений на шведському підприємстві ST. Подібні параметри процесу та розподіл газу використовувалися для зразків 150 мм і 200 мм. Точне налаштування параметрів росту було відкладено до майбутніх досліджень через обмежену кількість доступних 200-міліметрових підкладок.

Очевидна товщина та допінгові показники зразків оцінювали відповідно FTIR та CV Mercury Probe. Морфологію поверхні досліджували за допомогою мікроскопії контрасту диференціальної інтерференції Номарського (NDIC), а дефект щільності епілярів вимірювали канделою. Попередні результати. Попередні результати рівномірності допінгу та товщини 150 мм та 200 мм епітаксіально вирощених зразків, оброблених в прототипній камері ) приблизно 0,4% та 1,4% відповідно та допінгові зміни (σ-середній) до 1,1% та 5,6%. Внутрішні допінгові значення становили приблизно 1 × 1014 см-3.

Рисунок 2 Профілі товщини та легування епівафель 200 мм і 150 мм.

Повторюваність процесу досліджували шляхом порівняння варіацій серії до серії, що призвело до варіацій товщини лише на 0,7% і варіацій допування лише на 3,1%. Як показано на малюнку 3, нові результати процесу 200 мм можна порівняти з найсучаснішими результатами, отриманими раніше на 150 мм реактором PE1O6.

Рисунок 3 Товщина шару за шаром і однорідність легування зразка 200 мм, обробленого в камері-прототипі (вгорі), і сучасного зразка 150 мм, виготовленого PE1O6 (внизу).

Щодо морфології поверхні зразків, NDIC мікроскопія підтвердила гладку поверхню з шорсткістю нижче виявленого діапазону мікроскопа. Результати PE1O8. Потім процес переносили в реактор PE1O8. Товщина та допінгова рівномірність 200 -мм епівафів показані на малюнку 4. Епілятори рівномірно ростуть уздовж поверхні підкладки з товщиною та допінгу (σ/середнє) до 2,1% та 3,3% відповідно.

Малюнок 4. Товщина та профіль легування 200-мм епіпластини в реакторі PE1O8.

Для дослідження щільності дефектів епітаксіально вирощених вафель було використано канделу. Як показано на малюнку. Загальна щільність дефектів від 5 до 1,43 см-2 та 3,06 см-2 була досягнута на 150 мм та 200 мм зразків відповідно. Таким чином, загальна наявна площа (TUA) після епітаксії була обчислена на 97% та 92% для зразків 150 мм та 200 мм відповідно. Варто зазначити, що ці результати були досягнуті лише після кількох пробіжок і можуть бути додатково вдосконалені шляхом тонкого налаштування параметрів процесу.

Малюнок 5 Карти дефектів Candela епівафель товщиною 6 мкм 200 мм (ліворуч) і 150 мм (праворуч), вирощених з PE1O8.

Висновок

У цьому документі представлено нещодавно розроблений CVD-реактор PE1O8 з гарячими стінками та його здатність виконувати рівномірну епітаксію 4H-SiC на підкладках товщиною 200 мм. Попередні результати на 200 мм є дуже багатообіцяючими, коли варіації товщини на поверхні зразка становлять лише 2,1%, а ефективність легування становить лише 3,3% на поверхні зразка. TUA після епітаксії було розраховано як 97% і 92% для зразків 150 мм і 200 мм відповідно, і прогнозується, що TUA для 200 мм покращиться в майбутньому з вищою якістю підкладки. Враховуючи, що наведені тут результати на підкладках товщиною 200 мм базуються на кількох наборах тестів, ми вважаємо, що можна буде ще більше покращити результати, які вже близькі до найсучасніших результатів на зразках товщиною 150 мм, шляхом точне налаштування параметрів росту.