Pokrok v epitaxnej technológii 200 mm SiC v Taliansku LPE

Úvod

SiC je lepší ako Si v mnohých aplikáciách vďaka svojim vynikajúcim elektronickým vlastnostiam, ako je vysoká teplotná stabilita, široký pásový odstup, vysoká intenzita elektrického poľa a vysoká tepelná vodivosť. V súčasnosti sa dostupnosť trakčných systémov elektrických vozidiel výrazne zlepšuje v dôsledku vyšších rýchlostí spínania, vyšších prevádzkových teplôt a nižšieho tepelného odporu tranzistorov s polovodičovým poľom s oxidom kovu SiC (MOSFET). Trh s napájacími zariadeniami na báze SiC sa za posledných niekoľko rokov veľmi rýchlo rozrástol; preto sa zvýšil dopyt po vysokokvalitných, bezchybných a jednotných SiC materiáloch.

Počas niekoľkých posledných desaťročí dodávatelia substrátov 4H-SiC dokázali zväčšiť priemery plátkov z 2 palcov na 150 mm (pri zachovaní rovnakej kvality kryštálov). V súčasnosti je hlavná veľkosť plátku pre zariadenia SiC 150 mm a aby sa znížili výrobné náklady na jednotku zariadenia, niektorí výrobcovia zariadení sú v počiatočnom štádiu zavádzania 200 mm továrne. Na dosiahnutie tohto cieľa je okrem potreby komerčne dostupných 200 mm SiC doštičiek vysoko žiaduca aj schopnosť vykonávať jednotnú SiC epitaxiu. Preto po získaní kvalitných 200 mm SiC substrátov bude ďalšou výzvou vykonanie vysokokvalitného epitaxného rastu na týchto substrátoch. Spoločnosť LPE navrhla a postavila horizontálny monokryštálový teplostenný plne automatizovaný CVD reaktor (označený ako PE1O8) vybavený viaczónovým implantačným systémom schopným spracovať až 200 mm SiC substráty. Tu uvádzame jeho výkon na 150 mm 4H-SiC epitaxii, ako aj predbežné výsledky na 200 mm epiwaferoch.

Výsledky a diskusia

PE1O8 je plne automatizovaný systém z kazety na kazetu určený na spracovanie doštičiek SiC do 200 mm. Formát je možné prepínať medzi 150 a 200 mm, čím sa minimalizujú prestoje nástroja. Zníženie počtu stupňov ohrevu zvyšuje produktivitu, zatiaľ čo automatizácia znižuje prácnosť a zlepšuje kvalitu a opakovateľnosť. Na zabezpečenie efektívneho a nákladovo konkurencieschopného procesu epitaxie sa uvádzajú tri hlavné faktory: 1) rýchly proces, 2) vysoká rovnomernosť hrúbky a dopovania, 3) minimalizovaná tvorba defektov počas procesu epitaxie. V PE1O8 malá grafitová hmota a automatizovaný systém nakladania/vykladania umožňujú dokončenie štandardného cyklu za menej ako 75 minút (štandardný recept na 10μm Schottkyho diódu používa rýchlosť rastu 30μm/h). Automatizovaný systém umožňuje nakladanie/vykladanie pri vysokých teplotách. V dôsledku toho sú časy ohrevu aj chladenia krátke, pričom je už potlačený krok pečenia. Takéto ideálne podmienky umožňujú rast skutočne nedopovaného materiálu.

Kompaktnosť zariadenia a jeho trojkanálový vstrekovací systém vedie k všestrannému systému s vysokým výkonom v oblasti dopingu a rovnomernosti hrúbky. Toto sa uskutočnilo pomocou simulácií výpočtovej dynamiky tekutín (CFD), aby sa zabezpečilo porovnateľné prúdenie plynu a rovnomernosť teploty pre formáty substrátu 150 mm a 200 mm. Ako je znázornené na obrázku 1, tento nový vstrekovací systém dodáva plyn rovnomerne do centrálnej a bočnej časti usadzovacej komory. Systém miešania plynov umožňuje variáciu lokálne distribuovanej chémie plynu, čím sa ďalej rozširuje počet nastaviteľných parametrov procesu na optimalizáciu epitaxného rastu.

Obrázok 1 Simulovaná veľkosť rýchlosti plynu (hore) a teploty plynu (dole) v procesnej komore PE1O8 v rovine umiestnenej 10 mm nad substrátom.

Medzi ďalšie funkcie patrí vylepšený systém rotácie plynu, ktorý využíva algoritmus spätnej väzby na vyhladenie výkonu a priame meranie rýchlosti otáčania, a nová generácia PID na reguláciu teploty. Parametre procesu epitaxie. V prototypovej komore bol vyvinutý proces epitaxného rastu 4H-SiC typu n. Trichlórsilán a etylén sa použili ako prekurzory pre atómy kremíka a uhlíka; H2 sa použil ako nosný plyn a dusík sa použil na doping typu n. Komerčné 150 mm SiC substráty potiahnuté Si a 200 mm SiC substráty výskumnej kvality sa použili na pestovanie 6,5 μm hrubých 1 x 1016 cm-3 n-dopovaných 4H-SiC epivrstiev. Povrch substrátu bol leptaný in situ pomocou prúdu H2 pri zvýšenej teplote. Po tomto leptacom kroku sa nechala narásť tlmivá vrstva typu n s použitím nízkej rýchlosti rastu a nízkeho pomeru C/Si, aby sa pripravila vyhladzovacia vrstva. Na vrch tejto tlmivej vrstvy bola nanesená aktívna vrstva s vysokou rýchlosťou rastu (30 μm/h) s použitím vyššieho pomeru C/Si. Vyvinutý proces bol potom prenesený do reaktora PE1O8 inštalovaného vo švédskom zariadení ST. Podobné parametre procesu a distribúcia plynu boli použité pre vzorky 150 mm a 200 mm. Jemné doladenie rastových parametrov bolo odložené do budúcich štúdií kvôli obmedzenému počtu dostupných 200 mm substrátov.

Zdanlivá hrúbka a dopingový výkon vzoriek sa hodnotili pomocou FTIR a CV ortuťovej sondy. Morfológia povrchu bola skúmaná mikroskopiou s diferenciálnym interferenčným kontrastom (NDIC) podľa Nomarského a hustota defektov epivrstiev bola meraná pomocou Candela. Predbežné výsledky. Predbežné výsledky dopovania a rovnomernosti hrúbky 150 mm a 200 mm epitaxiálne pestovaných vzoriek spracovaných v prototypovej komore sú znázornené na obrázku 2. Epivrstvy rástli rovnomerne pozdĺž povrchu 150 mm a 200 mm substrátov s variáciami hrúbky (σ/priemer ) len 0,4 % a 1,4 % a variácie dopingu (σ-priemer) len 1,1 % a 5,6 %. Vnútorné dopingové hodnoty boli približne 1×1014 cm-3.

Obrázok 2 Hrúbka a dopingové profily 200 mm a 150 mm epiwaferov.

Opakovateľnosť procesu bola skúmaná porovnaním variácií medzi jednotlivými cyklami, čo malo za následok variácie hrúbky len 0,7 % a dopingové variácie len 3,1 %. Ako je znázornené na obrázku 3, nové výsledky 200 mm procesu sú porovnateľné s najnovšími výsledkami získanými predtým na 150 mm reaktorom PE1O6.

Obrázok 3 Hrúbka vrstvy po vrstve a rovnomernosť dotovania 200 mm vzorky spracovanej prototypovou komorou (hore) a najmodernejšej 150 mm vzorky vyrobenej pomocou PE1O6 (dole).

Čo sa týka povrchovej morfológie vzoriek, NDIC mikroskopia potvrdila hladký povrch s drsnosťou pod detegovateľným rozsahom mikroskopu. Výsledky PE1O8. Proces sa potom preniesol do reaktora PE108. Hrúbka a rovnomernosť dotovania 200 mm epiwaferov sú znázornené na obrázku 4. Epivrstvy rastú rovnomerne pozdĺž povrchu substrátu s variáciami hrúbky a dotovania (σ/priemer) len 2,1 %, respektíve 3,3 %.

Obrázok 4 Hrúbka a profil dopovania 200 mm epiwaferu v reaktore PE1O8.

Na skúmanie hustoty defektov epitaxne pestovaných plátkov sa použila kandela. Ako je znázornené na obrázku. Celkové hustoty defektov 5 až 1,43 cm-2 a 3,06 cm-2 boli dosiahnuté na vzorkách 150 mm a 200 mm. Celková dostupná plocha (TUA) po epitaxii bola preto vypočítaná na 97 % a 92 % pre 150 mm a 200 mm vzorky. Stojí za zmienku, že tieto výsledky boli dosiahnuté až po niekoľkých behoch a je možné ich ešte zlepšiť jemným doladením parametrov procesu.

Obrázok 5 Mapy defektov Candela 6 μm hrubých 200 mm (vľavo) a 150 mm (vpravo) epiwaferov pestovaných s PE1O8.

Záver

Tento článok predstavuje novo navrhnutý PE1O8 horúcostenný CVD reaktor a jeho schopnosť vykonávať rovnomernú 4H-SiC epitaxiu na 200 mm substrátoch. Predbežné výsledky na 200 mm sú veľmi sľubné, s odchýlkami hrúbky len 2,1 % na povrchu vzorky a odchýlkami dopingového výkonu iba 3,3 % po povrchu vzorky. Vypočítalo sa, že TUA po epitaxii je 97 % a 92 % pre vzorky 150 mm a 200 mm a predpokladá sa, že TUA pre 200 mm sa v budúcnosti zlepší s vyššou kvalitou substrátu. Vzhľadom na to, že tu uvedené výsledky na 200 mm substrátoch sú založené na niekoľkých súboroch testov, veríme, že bude možné ďalej zlepšovať výsledky, ktoré sa už približujú k najnovším výsledkom na 150 mm vzorkách. jemné doladenie rastových parametrov.