Pokrok 200mm epitaxní technologie SiC v Itálii LPE

Zavedení

SiC je lepší než Si v mnoha aplikacích díky svým vynikajícím elektronickým vlastnostem, jako je vysoká teplotní stabilita, široký bandgap, vysoká intenzita elektrického pole a vysoká tepelná vodivost. V současnosti se dostupnost trakčních systémů elektrických vozidel výrazně zlepšuje díky vyšším spínacím rychlostem, vyšším provozním teplotám a nižšímu tepelnému odporu tranzistorů s polovodičovým polem s efektem pole SiC (MOSFET). Trh s napájecími zařízeními na bázi SiC v posledních několika letech velmi rychle rostl; proto vzrostla poptávka po vysoce kvalitních, bezchybných a jednotných SiC materiálech.

Během několika posledních desetiletí byli dodavatelé substrátů 4H-SiC schopni zvětšit průměry plátků z 2 palců na 150 mm (při zachování stejné kvality krystalů). V dnešní době je velikost běžného plátku pro SiC zařízení 150 mm a za účelem snížení výrobních nákladů na jednotku zařízení jsou někteří výrobci zařízení v raných fázích zavádění 200 mm továren. K dosažení tohoto cíle je kromě potřeby komerčně dostupných 200 mm SiC waferů také vysoce žádoucí schopnost provádět rovnoměrnou SiC epitaxi. Proto po získání kvalitní 200 mm SiC substrátů bude další výzvou provedení vysoce kvalitního epitaxního růstu na těchto substrátech. Společnost LPE navrhla a postavila horizontální monokrystalický horkostěnný plně automatizovaný CVD reaktor (pojmenovaný PE1O8) vybavený vícezónovým implantačním systémem schopným zpracovat až 200 mm SiC substráty. Zde uvádíme jeho výkon na 150mm 4H-SiC epitaxi a také předběžné výsledky na 200mm epiwaferech.

Výsledky a diskuse

PE1O8 je plně automatizovaný systém kazeta-kazeta navržený pro zpracování až 200 mm SiC waferů. Formát lze přepínat mezi 150 a 200 mm, čímž se minimalizují prostoje nástroje. Snížení počtu stupňů ohřevu zvyšuje produktivitu, zatímco automatizace snižuje pracnost a zlepšuje kvalitu a opakovatelnost. Pro zajištění účinného a nákladově konkurenceschopného procesu epitaxe jsou uvedeny tři hlavní faktory: 1) rychlý proces, 2) vysoká jednotnost tloušťky a dopingu, 3) minimalizovaná tvorba defektů během procesu epitaxe. V PE1O8 umožňuje malá grafitová hmota a automatizovaný systém nakládání/vykládání dokončit standardní běh za méně než 75 minut (standardní receptura 10μm Schottkyho diody používá rychlost růstu 30μm/h). Automatizovaný systém umožňuje nakládání/vykládání při vysokých teplotách. V důsledku toho jsou doby ohřevu i chlazení krátké, přičemž je již potlačován krok pečení. Takové ideální podmínky umožňují růst skutečně nedopovaného materiálu.

Kompaktnost zařízení a jeho tříkanálový vstřikovací systém vede k všestrannému systému s vysokým výkonem jak v dopingu, tak v uniformitě tloušťky. To bylo provedeno pomocí simulací výpočetní dynamiky tekutin (CFD), aby se zajistilo srovnatelný tok plynu a uniformitu teploty pro 150 mm a 200 mm substrátových formátů. Jak je znázorněno na obrázku 1, tento nový injekční systém dodává plyn rovnoměrně ve středních a bočních částech depoziční komory. Systém míchání plynu umožňuje změnu lokálně distribuované chemie plynu, což dále rozšiřuje počet nastavitelných parametrů procesu pro optimalizaci epitaxiálního růstu.

Obrázek 1 Simulovaná velikost rychlosti plynu (horní) a teplota plynu (dole) v procesní komoře PE1O8 v rovině umístěné 10 mm nad substrátem.

Mezi další funkce patří vylepšený systém otáčení plynu, který používá algoritmus řízení zpětné vazby k vyhlazení výkonu a přímé měření rychlosti rotace a novou generaci PID pro kontrolu teploty. Parametry procesu epitaxy. V prototypové komoře byl vyvinut proces epitaxiálního růstu 4H-SIC N-SIC. Trichlorosilan a ethylen byly použity jako prekurzory pro atomy křemíku a uhlíku; H2 byl použit jako nosný plyn a dusík byl použit pro doping typu N. SIC-Feaded 150mm SIC substráty a substráty SIC ve věku 200 mm byly použity pro růst 6,5 μm silné 1 x 1016 cm-3 N-dopované epilayery 4H-SIC. Povrch substrátu byl leptán in situ za použití toku H2 při zvýšené teplotě. Po tomto kroku leptání byla pěstována pufrovací vrstva N s nízkým tempem růstu a nízkým poměrem C/SI k přípravě vyhlazovací vrstvy. Na vrcholu této vrstvy pufru byla uložena aktivní vrstva s vysokou rychlostí růstu (30 um/h) pomocí vyššího poměru C/SI. Rozvinutý proces byl poté přenesen do reaktoru PE1O8 nainstalovaného ve švédském zařízení ST. Podobné procesní parametry a distribuce plynu byly použity pro vzorky 150 mm a 200 mm. Jemné ladění růstových parametrů bylo odloženo do budoucích studií kvůli omezenému počtu dostupných 200 mm substrátů.

Zjevná tloušťka a dopingový výkon vzorků byl vyhodnocen sondou FTIR a CV rtuti. Morfologie povrchu byla zkoumána nomarski diferenciálním interferenčním kontrastem (NDIC) mikroskopií a hustota defektu epilayerů byla měřena Candela. Předběžné výsledky. Předběžné výsledky dopingové a tloušťkové uniformity 150 mm a 200 mm epitaxiálně pěstovaných vzorků zpracovaných v prototypové komoře jsou znázorněny na obrázku 2. Epilaláře rostly rovnoměrně podél povrchu 150 mm a 200 mm substrátů, s tloušťkostí (σ/průměr ) až 0,4%, respektive 1,4%, a dopingové změny (σ-střední) až 1,1% a 5,6%. Vnitřní dopingové hodnoty byly přibližně 1 x 1014 cm-3.

Obrázek 2 Profily tloušťky a dotování epiwaferů 200 mm a 150 mm.

Opakovatelnost procesu byla zkoumána porovnáním kolísání mezi jednotlivými cykly, což vedlo k odchylkám tloušťky pouhých 0,7 % a dopingovým odchylkám pouze 3,1 %. Jak je znázorněno na obrázku 3, nové výsledky procesu 200 mm jsou srovnatelné s výsledky nejnovějšího stavu techniky dříve získanými na 150 mm reaktorem PE1O6.

Obrázek 3 Tloušťka vrstvy po vrstvě a rovnoměrnost dotování 200 mm vzorku zpracovaného prototypovou komorou (nahoře) a nejmodernějšího 150 mm vzorku vyrobeného pomocí PE1O6 (dole).

Pokud jde o povrchovou morfologii vzorků, mikroskopie NDIC potvrdila hladký povrch s drsností pod detekovatelným rozsahem mikroskopu. Výsledky PE1O8. Proces byl poté přenesen do reaktoru PE1O8. Tloušťka a dopingová uniformita 200mm epiwafers je znázorněna na obrázku 4. Epilayery rostou rovnoměrně podél povrchu substrátu o tloušťce a variace dopingu (σ/střední) až 2,1% a 3,3%.

Obrázek 4 Tloušťka a dopingový profil 200 mm epiwafer v reaktoru PE1O8.

Pro zkoumání hustoty defektu epitaxiálně pěstovaných oplatků byla použita Candela. Jak je znázorněno na obrázku. Celkové hustoty vad 5 až 1,43 cm-2 a 3,06 cm-2 byly dosaženy na vzorcích 150 mm a 200 mm. Celková dostupná plocha (TUA) po epitaxy byla proto vypočtena na 97% a 92% pro vzorky 150 mm a 200 mm. Stojí za zmínku, že těchto výsledků bylo dosaženo až po několika bězích a lze je dále vylepšit jemným doladěním parametrů procesu.

Obrázek 5 Mapy defektů Candela tloušťky 6 μm tloušťky 200 mm (vlevo) a 150 mm (vpravo) epiwafers pěstované PE1O8.

Závěr

Tento papír představuje nově navržený reaktor CVD s horkou stěnou PE1O8 a jeho schopnost provádět jednotnou epitaxy 4H-SIC na substrátech 200 mm. Předběžné výsledky na 200 mm jsou velmi slibné, s změnami tloušťky až 2,1% napříč povrchem vzorku a dopingové výkonové změny až 3,3% na povrchu vzorku. TUA po epitaxy byla vypočtena na 97% a 92% pro vzorky 150 mm a 200 mm, a předpokládá se, že TUA za 200 mm se v budoucnu zlepšuje s vyšší kvalitou substrátu. Vzhledem k tomu, že výsledky zde uvedených 200 mm jsou založeny na několika sadách testů, věříme, že bude možné dále zlepšit výsledky, které jsou již blízké nejmodernějším výsledkům na 150mm vzorcích, pomocí doladění růstových parametrů.