Italiens LPE's 200 mm SiC epitaksiale teknologi fremskridt

Indledning

SIC er overlegen SI i mange applikationer på grund af dets overlegne elektroniske egenskaber, såsom højtemperaturstabilitet, bred båndgap, elektrisk feltstyrke med høj nedbrydning og høj termisk ledningsevne. I dag forbedres tilgængeligheden af ​​elektriske køretøjets trækkraftsystemer signifikant på grund af de højere skifthastigheder, højere driftstemperaturer og lavere termisk resistens af SIC -metaloxid -halvlederfelteffekttransistorer (MOSFETs). Markedet for SIC-baserede strømenheder er vokset meget hurtigt i de sidste par år; Derfor er efterspørgslen efter høj kvalitet, defektfri og ensartede SIC-materialer steget.

I løbet af de sidste par årtier har 4H-SIC-substratleverandører været i stand til at opskalere waferdiametre fra 2 tommer til 150 mm (vedligeholdelse af den samme krystalkvalitet). I dag er mainstream -skivestørrelsen for SIC -enheder 150 mm, og for at reducere produktionsomkostningerne pr. Enhedsenhed er nogle enhedsproducenter i de tidlige stadier af etablering af 200 mm Fabs. For at nå dette mål, ud over behovet for kommercielt tilgængelige 200 mm SIC -skiver, er evnen til at udføre ensartet SIC -epitaxy også meget ønsket. Derfor, efter at have opnået 200 mm SIC-underlag af god kvalitet, vil den næste udfordring være at udføre epitaksial vækst af høj kvalitet på disse underlag. LPE har designet og bygget en vandret enkelt krystal hot-wall fuldautomatisk CVD-reaktor (navngivet PE1O8) udstyret med et multi-zone implantationssystem, der er i stand til at behandle op til 200 mm SIC-underlag. Her rapporterer vi dens ydelse på 150 mm 4H-SIC-epitaxy såvel som foreløbige resultater på 200 mm epiwafere.

Resultater og diskussion

PE1O8 er et fuldautomatiseret kassette-til-kassette-system designet til at behandle op til 200 mm SiC-wafere. Formatet kan skiftes mellem 150 og 200 mm, hvilket minimerer værktøjets nedetid. Reduktionen af ​​opvarmningstrin øger produktiviteten, mens automatisering reducerer arbejdskraft og forbedrer kvalitet og repeterbarhed. For at sikre en effektiv og omkostningskonkurrencedygtig epitaksiproces rapporteres tre hovedfaktorer: 1) hurtig proces, 2) høj ensartethed af tykkelse og doping, 3) minimeret defektdannelse under epitaksiprocessen. I PE1O8 tillader den lille grafitmasse og det automatiserede på-/tømningssystem en standardkørsel på mindre end 75 minutter (en standard 10μm Schottky-diodeopskrift bruger en væksthastighed på 30μm/h). Det automatiserede system tillader lastning/aflæsning ved høje temperaturer. Som et resultat er både opvarmnings- og afkølingstider korte, mens bagetrinnet allerede undertrykkes. Sådanne ideelle forhold tillader vækst af virkelig udopet materiale.

Kompaktheden af ​​udstyret og dets tre-kanals injektionssystem resulterer i et alsidigt system med høj ydeevne i både doping og tykkelsesensartethed. Dette blev udført ved hjælp af computational fluid dynamics (CFD)-simuleringer for at sikre sammenlignelig gasflow og temperaturensartethed for 150 mm og 200 mm substratformater. Som vist i figur 1 leverer dette nye injektionssystem gas ensartet i de centrale og laterale dele af aflejringskammeret. Gasblandingssystemet muliggør variationen af ​​den lokalt fordelte gaskemi, hvilket yderligere udvider antallet af justerbare procesparametre for at optimere epitaksial vækst.

Figur 1 Simuleret gashastighedsstørrelse (øverst) og gastemperatur (bund) i PE1O8 -processkammeret ved et plan placeret 10 mm over underlaget.

Andre funktioner inkluderer et forbedret gasrotationssystem, der bruger en feedbackkontrolalgoritme til at udjævne ydelsen og direkte måle rotationshastigheden og en ny generation af PID til temperaturstyring. Epitaxy -procesparametre. En N-type 4H-SIC-epitaksial vækstproces blev udviklet i et prototypekammer. Trichlorosilan og ethylen blev anvendt som forløbere for silicium- og carbonatomer; H2 blev anvendt som bærergas og nitrogen blev anvendt til N-type doping. SI-ansigt kommercielle 150 mm SIC-underlag og forskningskvalitet 200 mm SIC-underlag blev anvendt til at vokse 6,5 μm tykke 1 × 1016 cm-3 N-dopede 4H-SIC-epilag. Substratoverfladen blev ætset in situ under anvendelse af en H2 -strømning ved forhøjet temperatur. Efter dette ætsningstrin blev et N-type bufferlag dyrket ved hjælp af en lav vækstrate og et lavt C/SI-forhold for at fremstille et udjævningslag. Oven på dette pufferlag blev et aktivt lag med en høj vækstrate (30μm/t) deponeret under anvendelse af et højere C/SI -forhold. Den udviklede proces blev derefter overført til en PE1O8 -reaktor installeret på ST's svenske facilitet. Lignende procesparametre og gasfordeling blev anvendt til 150 mm og 200 mm prøver. Finjustering af vækstparametre blev udsat til fremtidige undersøgelser på grund af det begrænsede antal tilgængelige 200 mM -underlag.

Den tilsyneladende tykkelse og dopingydelse af prøverne blev evalueret ved henholdsvis FTIR og CV Mercury Probe. Overflademorfologien blev undersøgt af nomarski differentiel interferenskontrast (NDIC) mikroskopi, og de defektdensiteten af ​​epilagene blev målt ved Candela. Foreløbige resultater. Foreløbige resultater af doping og tykkelse ensartethed på 150 mm og 200 mm epitaksialt dyrkede prøver, der er behandlet i prototypekammeret, er vist i figur 2. Epilagene voksede ens langs overfladen af ​​150 mm og 200 mm underlag, med tykkelsesvariationer (σ/gennemsnit ) så lavt som henholdsvis 0,4% og 1,4% og dopingvariationer (σ-middel) så lavt som 1,1% og 5,6%. Intrinsiske dopingværdier var ca. 1 × 1014 cm-3.

Figur 2 tykkelse og dopingprofiler på 200 mm og 150 mm epiwafere.

Processens gentagelighed blev undersøgt ved at sammenligne run-to-run-variationer, hvilket resulterede i tykkelsesvariationer så lave som 0,7% og dopingvariationer så lave som 3,1%. Som vist i figur 3 er de nye 200 mm procesresultater sammenlignelige med de avancerede resultater, der tidligere er opnået på 150 mm af en PE1O6-reaktor.

Figur 3 Lag-for-lags tykkelse og dopinguniformitet af en 200 mm prøve, der er behandlet af et prototypekammer (øverst) og en avanceret 150 mm prøve fremstillet af PE1O6 (bund).

Med hensyn til overflademorfologien af ​​prøverne bekræftede NDIC -mikroskopi en glat overflade med ruhed under mikroskopets detekterbare interval. PE1O8 -resultater. Processen blev derefter overført til en PE1O8 -reaktor. Tykkelsen og dopinguniformiteten af ​​de 200 mm epiwafere er vist i figur 4. Epilagene vokser ensartet langs substratoverfladen med tykkelse og dopingvariationer (σ/gennemsnit) så lavt som 2,1% og 3,3%.

Figur 4 Tykkelse og dopingprofil af en 200 mm epiwafer i en PE1O8 -reaktor.

For at undersøge defektdensiteten af ​​epitaksialt dyrkede skiver blev candela anvendt. Som vist på figuren. Total defektdensiteter på 5 så lave som 1,43 cm-2 og 3,06 cm-2 blev opnået på henholdsvis 150 mm og 200 mm prøver. Det samlede tilgængelige område (TUA) efter epitaxy blev derfor beregnet til henholdsvis 97% og 92% for henholdsvis 150 mm og 200 mm prøver. Det er værd at nævne, at disse resultater først blev opnået efter et par løb og kan forbedres yderligere ved at finjustere procesparametrene.

Figur 5 Candela Defect Maps af 6μm tykke 200 mm (venstre) og 150 mm (højre) epiwafere dyrket med PE1O8.

Konklusion

Dette papir præsenterer den nyligt designede PE1O8-hot-wall CVD-reaktor og dens evne til at udføre ensartet 4H-SIC-epitaxy på 200 mm substrater. Foreløbige resultater på 200 mm er meget lovende med tykkelsesvariationer så lave som 2,1% på tværs af prøvefladen og doping ydelsesvariationer så lave som 3,3% på tværs af prøvefladen. TUA efter epitaxy blev beregnet til at være henholdsvis 97% og 92% for henholdsvis 150 mm og 200 mm prøver, og TUA for 200 mm forventes at forbedre sig i fremtiden med højere substratkvalitet. I betragtning af at resultaterne på 200 mm underlag, der er rapporteret her, er baseret på et par sæt test, mener vi, at det vil være muligt at forbedre resultaterne yderligere, som allerede er tæt på de avancerede resultater på 150 mm prøver, af Finjustering af vækstparametrene.