Itaalia LPE 200 mm SiC epitaksiaaltehnoloogia areng

Sissejuhatus

SiC on paljudes rakendustes Si-st parem tänu oma suurepärastele elektroonilistele omadustele, nagu kõrge temperatuuri stabiilsus, lai ribalaius, suur elektrivälja tugevus ja kõrge soojusjuhtivus. Tänapäeval paraneb oluliselt elektrisõidukite veojõusüsteemide kättesaadavus tänu suurematele lülituskiirustele, kõrgemale töötemperatuurile ja SiC metalloksiidi pooljuhtväljatransistoride (MOSFET) madalamale soojustakistusega. SiC-põhiste jõuseadmete turg on viimastel aastatel väga kiiresti kasvanud; seetõttu on suurenenud nõudlus kvaliteetsete, defektideta ja ühtlaste SiC materjalide järele.

Viimastel aastakümnetel on 4H-SiC substraadi tarnijad suutnud suurendada vahvli läbimõõtu 2 tollilt 150 mm-ni (säilitades sama kristallide kvaliteedi). Tänapäeval on SiC seadmete tavapärane vahvli suurus 150 mm ja seadme ühiku tootmiskulude vähendamiseks on mõned seadmetootjad 200 mm fabide loomise algusjärgus. Selle eesmärgi saavutamiseks soovitakse lisaks kaubanduses saadaolevatele 200 mm ränikarbiidiplaatidele väga ka ühtse SiC epitaksia teostamise võimet. Seetõttu on pärast hea kvaliteediga 200 mm SiC substraatide saamist järgmiseks väljakutseks nende substraatide kvaliteetne epitaksiaalne kasv. LPE on kavandanud ja ehitanud horisontaalse ühekristallilise kuumseinaga täisautomaatse CVD reaktori (nimega PE1O8), mis on varustatud mitmetsoonilise implanteerimissüsteemiga, mis on võimeline töötlema kuni 200 mm ränikarbiidi substraate. Siin kirjeldame selle toimivust 150 mm 4H-SiC epitaksi puhul ning esialgseid tulemusi 200 mm epitaksi puhul.

Tulemused ja arutlus

PE1O8 on täielikult automatiseeritud kassett-kassett-süsteem, mis on loodud kuni 200 mm SiC vahvlite töötlemiseks. Vormingut saab vahetada 150 ja 200 mm vahel, minimeerides tööriista seisakuaega. Kütteastmete vähendamine suurendab tootlikkust, automatiseerimine aga vähendab tööjõudu ning parandab kvaliteeti ja korratavust. Tõhusa ja kulutõhusa epitakseerimisprotsessi tagamiseks teatatakse kolmest peamisest tegurist: 1) kiire protsess, 2) paksuse ja dopingu kõrge ühtlus, 3) minimeeritud defektide moodustumine epitakseerimisprotsessi ajal. PE1O8-s võimaldavad väike grafiidimass ja automaatne laadimis-/väljalaadimissüsteem standardkäivitust teha vähem kui 75 minutiga (standardne 10 μm Schottky dioodi retsept kasutab kasvukiirust 30 μm/h). Automatiseeritud süsteem võimaldab peale-/mahalaadimist kõrgetel temperatuuridel. Seetõttu on nii kuumutamis- kui ka jahtumisajad lühikesed, pidurdades samal ajal juba küpsetamisetappi. Sellised ideaalsed tingimused võimaldavad kasvada tõeliselt legeerimata materjalil.

Seadmete kompaktsus ja selle kolme kanaliga sissepritsesüsteem annavad tulemuseks mitmekülgse süsteemi, millel on kõrge jõudlus nii dopingu kui ka paksuse ühtluse osas. See viidi läbi arvutusvedeliku dünaamika (CFD) simulatsioonide abil, et tagada võrreldav gaasivoolu ja temperatuuri ühtlus 150 mm ja 200 mm substraadivormingute jaoks. Nagu on näidatud joonisel 1, edastab see uus sissepritsesüsteem gaasi ühtlaselt sadestuskambri kesk- ja külgmistes osades. Gaasi segamissüsteem võimaldab varieerida lokaalselt jaotunud gaasikeemiat, laiendades veelgi reguleeritavate protsessiparameetrite arvu, et optimeerida epitaksiaalset kasvu.

Joonis 1 Simuleeritud gaasi kiiruse suurusjärk (ülemine) ja gaasi temperatuur (alumine) PE1O8 protsessikambris tasapinnal, mis asub 10 mm kõrgusel substraadist.

Muud funktsioonid hõlmavad täiustatud gaasi pöörlemissüsteemi, mis kasutab tagasiside juhtimisalgoritmi jõudluse sujuvamaks muutmiseks ja pöörlemiskiiruse otse mõõtmiseks, ning uue põlvkonna PID-i temperatuuri reguleerimiseks. Epitaksia protsessi parameetrid. Prototüübi kambris töötati välja n-tüüpi 4H-SiC epitaksiaalne kasvuprotsess. Räni- ja süsinikuaatomite lähteainetena kasutati triklorosilaani ja etüleeni; H2 kasutati kandegaasina ja lämmastikku kasutati n-tüüpi dopinguks. Si-kattega kaubanduslikke 150 mm SiC substraate ja uurimiskvaliteediga 200 mm SiC substraate kasutati 6,5 μm paksuste 1 × 1016 cm-3 n-legeeritud 4H-SiC epikihtide kasvatamiseks. Substraadi pind söövitati in situ, kasutades H2 voolu kõrgendatud temperatuuril. Pärast seda söövitamisetappi kasvatati tasanduskihi valmistamiseks n-tüüpi puhverkiht, kasutades madalat kasvukiirust ja madalat C/Si suhet. Selle puhverkihi peale kanti kõrge kasvukiirusega (30 μm/h) aktiivne kiht, kasutades kõrgemat C/Si suhet. Seejärel viidi väljatöötatud protsess üle ST Rootsi rajatisse paigaldatud PE1O8 reaktorisse. Sarnaseid protsessi parameetreid ja gaasijaotust kasutati 150 mm ja 200 mm proovide puhul. Kasvuparameetrite peenhäälestus lükati tulevastesse uuringutesse, kuna saadaolevate 200 mm substraatide arv oli piiratud.

Proovide näivat paksust ja dopinguvõimet hinnati vastavalt FTIR ja CV elavhõbeda sondiga. Pinna morfoloogiat uuriti Nomarski diferentsiaalse interferentsi kontrasti (NDIC) mikroskoopia abil ja epikihtide defektide tihedust mõõdeti Candela abil. Esialgsed tulemused. Prototüüpkambris töödeldud 150 mm ja 200 mm epitaksiaalselt kasvatatud proovide dopingu ja paksuse ühtluse esialgsed tulemused on näidatud joonisel 2. Epikihid kasvasid ühtlaselt piki 150 mm ja 200 mm substraatide pinda paksuse kõikumisega (σ/keskmine ) vastavalt 0,4% ja 1,4% ning dopingu erinevused (σ-keskmine) nii madalad kui 1,1% ja 5,6%. Sisemised dopinguväärtused olid ligikaudu 1 × 1014 cm-3.

Joonis 2 200 mm ja 150 mm epiwahvlite paksus ja dopingprofiilid.

Protsessi korratavust uuriti, võrreldes jooksvalt käitatavaid variatsioone, mille tulemuseks olid paksuse kõikumised nii madalad kui 0,7% ja dopingu erinevused 3,1%. Nagu on näidatud joonisel 3, on uued 200 mm protsessi tulemused võrreldavad tipptasemel tulemustega, mis varem saadi PE1O6 reaktoriga 150 mm.

Joonis 3 Prototüüpkambriga töödeldud 200 mm proovi (ülemine) ja PE1O6-ga valmistatud tipptasemel 150 mm proovi (alumine) kihtide paksus ja dopingu ühtlus.

Seoses proovide pinnamorfoloogiaga kinnitas NDIC-mikroskoopia sileda pinna, mille karedus on allpool mikroskoobi tuvastatavat vahemikku. PE1O8 tulemused. Seejärel viidi protsess üle PE1O8 reaktorisse. 200 mm epiwahvlite paksus ja dopingu ühtlus on näidatud joonisel 4. Epikihid kasvavad ühtlaselt piki substraadi pinda, kusjuures paksuse ja dopingu erinevused (σ/keskmine) on vastavalt 2,1% ja 3,3%.

Joonis 4 PE1O8 reaktoris oleva 200 mm epiwaferi paksus ja dopinguprofiil.

Epitaksiaalselt kasvatatud vahvlite defektide tiheduse uurimiseks kasutati kandela. Nagu on näidatud joonisel. Defektide kogutihedus 5 kuni 1,43 cm-2 ja 3,06 cm-2 saavutati vastavalt 150 mm ja 200 mm proovidel. Seetõttu arvutati pärast epitakseerimist saadaolev kogupindala (TUA) vastavalt 97% ja 92% 150 mm ja 200 mm proovide puhul. Tasub mainida, et need tulemused saavutati alles pärast paari käitamist ja neid saab protsessi parameetrite peenhäälestusega veelgi parandada.

Joonis 5 PE1O8-ga kasvatatud 6 μm paksuste 200 mm (vasakul) ja 150 mm (paremal) epiwahvlite kandela defektide kaardid.

Järeldus

See artikkel tutvustab äsja disainitud PE1O8 kuumseinaga CVD reaktorit ja selle võimet teostada ühtlast 4H-SiC epitakseerimist 200 mm substraatidel. Esialgsed tulemused 200 mm kohta on väga paljutõotavad, paksuse kõikumine kogu proovi pinnal on nii väike kui 2,1% ja dopingu jõudluse erinevus proovi pinnal on vaid 3,3%. Arvutati, et TUA pärast epitakseerimist oli 150 mm ja 200 mm proovide puhul vastavalt 97% ja 92%, ning prognooside kohaselt paraneb 200 mm TUA tulevikus substraadi kõrgema kvaliteediga. Arvestades, et siin esitatud 200 mm substraatide tulemused põhinevad mõnel katsekomplektil, usume, et tulemusi, mis on juba lähedased 150 mm proovide tipptasemel tulemustele, on võimalik veelgi parandada. kasvuparameetrite peenhäälestus.