Kemajuan teknologi epitaxial 200mm SiC LPE Itali

pengenalan

SiC lebih unggul daripada Si dalam banyak aplikasi kerana sifat elektroniknya yang unggul seperti kestabilan suhu tinggi, jurang jalur lebar, kekuatan medan elektrik pecahan tinggi dan kekonduksian terma yang tinggi. Hari ini, ketersediaan sistem daya tarikan kenderaan elektrik sedang dipertingkatkan dengan ketara disebabkan oleh kelajuan pensuisan yang lebih tinggi, suhu operasi yang lebih tinggi dan rintangan haba yang lebih rendah bagi transistor kesan medan semikonduktor logam oksida SiC (MOSFET). Pasaran untuk peranti kuasa berasaskan SiC telah berkembang dengan sangat pesat sejak beberapa tahun kebelakangan ini; oleh itu, permintaan untuk bahan SiC berkualiti tinggi, bebas kecacatan dan seragam telah meningkat.

Sepanjang beberapa dekad yang lalu, pembekal substrat 4H-SiC telah dapat meningkatkan diameter wafer daripada 2 inci kepada 150 mm (mengekalkan kualiti kristal yang sama). Hari ini, saiz wafer arus perdana untuk peranti SiC ialah 150 mm, dan untuk mengurangkan kos pengeluaran seunit peranti, sesetengah pengeluar peranti berada di peringkat awal untuk mewujudkan fab 200 mm. Untuk mencapai matlamat ini, sebagai tambahan kepada keperluan untuk wafer SiC 200 mm yang tersedia secara komersial, keupayaan untuk melakukan epitaksi SiC seragam juga sangat dikehendaki. Oleh itu, selepas memperoleh substrat SiC 200 mm berkualiti baik, cabaran seterusnya adalah untuk melakukan pertumbuhan epitaxial berkualiti tinggi pada substrat ini. LPE telah mereka bentuk dan membina reaktor CVD dinding panas kristal tunggal mendatar automatik sepenuhnya (dinamakan PE1O8) dilengkapi dengan sistem implantasi berbilang zon yang mampu memproses sehingga 200mm substrat SiC. Di sini, kami melaporkan prestasinya pada epitaksi 150mm 4H-SiC serta keputusan awal pada epiwafer 200mm.

Keputusan dan perbincangan

PE1O8 ialah sistem kaset-ke-kaset automatik sepenuhnya yang direka untuk memproses wafer SiC sehingga 200mm. Format boleh ditukar antara 150 dan 200mm, meminimumkan masa henti alat. Pengurangan peringkat pemanasan meningkatkan produktiviti, manakala automasi mengurangkan tenaga kerja dan meningkatkan kualiti dan kebolehulangan. Untuk memastikan proses epitaksi yang cekap dan berdaya saing kos, tiga faktor utama dilaporkan: 1) proses pantas, 2) keseragaman ketebalan dan doping yang tinggi, 3) pembentukan kecacatan yang diminimumkan semasa proses epitaksi. Dalam PE1O8, jisim grafit kecil dan sistem pemunggahan/pemunggahan automatik membolehkan larian standard disiapkan dalam masa kurang daripada 75 minit (resipi diod Schottky 10μm standard menggunakan kadar pertumbuhan 30μm/j). Sistem automatik membenarkan pemuatan/pemunggahan pada suhu tinggi. Akibatnya, kedua-dua masa pemanasan dan penyejukan adalah singkat, sementara sudah menekan langkah pembakar. Keadaan ideal sedemikian membolehkan pertumbuhan bahan yang benar-benar tidak didop.

Kekompakan peralatan dan sistem suntikan tiga salurannya menghasilkan sistem serba boleh dengan prestasi tinggi dalam kedua-dua doping dan keseragaman ketebalan. Ini dilakukan menggunakan simulasi dinamik bendalir pengiraan (CFD) untuk memastikan aliran gas dan keseragaman suhu yang setanding untuk format substrat 150 mm dan 200 mm. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, sistem suntikan baharu ini menyalurkan gas secara seragam di bahagian tengah dan sisi ruang pemendapan. Sistem pencampuran gas membolehkan variasi kimia gas yang diedarkan secara tempatan, mengembangkan lagi bilangan parameter proses boleh laras untuk mengoptimumkan pertumbuhan epitaxial.

Rajah 1 Simulasi magnitud halaju gas (atas) dan suhu gas (bawah) dalam ruang proses PE1O8 pada satah yang terletak 10 mm di atas substrat.

Ciri-ciri lain termasuk sistem putaran gas yang dipertingkatkan yang menggunakan algoritma kawalan maklum balas untuk melicinkan prestasi dan secara langsung mengukur kelajuan putaran, dan generasi baharu PID untuk kawalan suhu. Parameter proses epitaksi. Proses pertumbuhan epitaxial 4H-SiC jenis n telah dibangunkan dalam ruang prototaip. Trichlorosilane dan etilena digunakan sebagai prekursor untuk atom silikon dan karbon; H2 digunakan sebagai gas pembawa dan nitrogen digunakan untuk doping jenis-n. Substrat SiC komersial 150mm muka Si dan substrat SiC 200mm gred penyelidikan digunakan untuk mengembangkan epilayer 4H-SiC 6.5μm tebal 1×1016cm-3 n-doped. Permukaan substrat telah terukir in situ menggunakan aliran H2 pada suhu tinggi. Selepas langkah etsa ini, lapisan penimbal jenis-n telah ditanam menggunakan kadar pertumbuhan yang rendah dan nisbah C/Si yang rendah untuk menyediakan lapisan pelicin. Di atas lapisan penampan ini, lapisan aktif dengan kadar pertumbuhan tinggi (30μm/j) didepositkan menggunakan nisbah C/Si yang lebih tinggi. Proses yang dibangunkan kemudiannya dipindahkan ke reaktor PE1O8 yang dipasang di kemudahan Sweden ST. Parameter proses dan pengedaran gas yang serupa digunakan untuk sampel 150mm dan 200mm. Penalaan halus parameter pertumbuhan telah ditangguhkan kepada kajian masa depan kerana bilangan substrat 200 mm yang tersedia terhad.

Ketebalan ketara dan prestasi doping sampel telah dinilai oleh probe merkuri FTIR dan CV. Morfologi permukaan telah disiasat oleh Nomarski differential interference contrast (NDIC) mikroskop, dan ketumpatan kecacatan epilayers diukur oleh Candela. Keputusan awal. Keputusan awal doping dan keseragaman ketebalan sampel tumbuh epitaxial 150 mm dan 200 mm yang diproses dalam ruang prototaip ditunjukkan dalam Rajah 2. Epilayers tumbuh secara seragam di sepanjang permukaan substrat 150 mm dan 200 mm, dengan variasi ketebalan (σ/min ) serendah 0.4% dan 1.4%, masing-masing, dan variasi doping (σ-min) serendah 1.1% dan 5.6%. Nilai doping intrinsik adalah lebih kurang 1×1014 cm-3.

Rajah 2 Ketebalan dan profil doping epiwafer 200 mm dan 150 mm.

Kebolehulangan proses telah disiasat dengan membandingkan variasi run-to-run, menghasilkan variasi ketebalan serendah 0.7% dan variasi doping serendah 3.1%. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, hasil proses 200mm baharu adalah setanding dengan keputusan terkini yang diperoleh sebelum ini pada 150mm oleh reaktor PE1O6.

Rajah 3 Ketebalan lapisan demi lapisan dan keseragaman doping bagi sampel 200mm yang diproses oleh ruang prototaip (atas) dan sampel 150mm tercanggih yang direka oleh PE1O6 (bawah).

Mengenai morfologi permukaan sampel, mikroskop NDIC mengesahkan permukaan licin dengan kekasaran di bawah julat mikroskop yang boleh dikesan. keputusan PE1O8. Proses itu kemudiannya dipindahkan ke reaktor PE1O8. Ketebalan dan keseragaman doping bagi epiwafer 200mm ditunjukkan dalam Rajah 4. Epilayer tumbuh secara seragam di sepanjang permukaan substrat dengan variasi ketebalan dan doping (σ/min) serendah 2.1% dan 3.3%, masing-masing.

Rajah 4 Ketebalan dan profil doping bagi epiwafer 200mm dalam reaktor PE1O8.

Untuk menyiasat ketumpatan kecacatan wafer yang ditanam secara epitaksi, candela digunakan. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Jumlah ketumpatan kecacatan 5 serendah 1.43 cm-2 dan 3.06 cm-2 masing-masing dicapai pada sampel 150mm dan 200mm. Oleh itu, jumlah kawasan tersedia (TUA) selepas epitaksi adalah masing-masing 97% dan 92% untuk sampel 150mm dan 200mm. Perlu dinyatakan bahawa keputusan ini dicapai hanya selepas beberapa larian dan boleh dipertingkatkan lagi dengan memperhalusi parameter proses.

Rajah 5 Peta kecacatan Candela 6μm tebal 200mm (kiri) dan 150mm (kanan) epiwafer yang ditanam dengan PE1O8.

Kesimpulan

Kertas kerja ini membentangkan reaktor CVD dinding panas PE1O8 yang baru direka dan keupayaannya untuk melakukan epitaksi 4H-SiC seragam pada substrat 200mm. Keputusan awal pada 200mm sangat menjanjikan, dengan variasi ketebalan serendah 2.1% merentasi permukaan sampel dan variasi prestasi doping serendah 3.3% merentasi permukaan sampel. TUA selepas epitaksi dikira masing-masing 97% dan 92% untuk sampel 150mm dan 200mm, dan TUA untuk 200mm diramalkan akan bertambah baik pada masa hadapan dengan kualiti substrat yang lebih tinggi. Memandangkan keputusan pada substrat 200mm yang dilaporkan di sini adalah berdasarkan beberapa set ujian, kami percaya bahawa adalah mungkin untuk meningkatkan lagi keputusan, yang sudah hampir dengan keputusan terkini pada sampel 150mm, dengan menyempurnakan parameter pertumbuhan.