De Italiaanse LPE's 200 mm SIC epitaxiale technologie voortgang

Invoering

SIC is superieur aan SI in veel toepassingen vanwege zijn superieure elektronische eigenschappen zoals stabiliteit met hoge temperatuur, brede bandgap, elektrische veldsterkte met hoge afbraak en hoge thermische geleidbaarheid. Tegenwoordig is de beschikbaarheid van tractiesystemen voor elektrische voertuigen aanzienlijk verbeterd vanwege de hogere schakelsnelheden, hogere bedrijfstemperaturen en lagere thermische weerstand van SIC metaaloxide halfgeleider veldeffect transistoren (MOSFET's). De markt voor SIC-gebaseerde Power Devices is de afgelopen jaren zeer snel gegroeid; Daarom is de vraag naar hoogwaardige, defectvrije en uniforme SIC-materialen toegenomen.

In de afgelopen decennia hebben leveranciers van 4H-SIC substraat in staat geweest om wafeldiameters op te schalen van 2 inch tot 150 mm (met dezelfde kristalkwaliteit). Tegenwoordig is de reguliere wafergrootte voor SIC -apparaten 150 mm, en om de productiekosten per apparaat te verlagen, bevinden sommige apparaatfabrikanten zich in de vroege stadia van het vaststellen van 200 mm FAB's. Om dit doel te bereiken, is naast de noodzaak van commercieel beschikbare 200 mm SIC -wafels ook de mogelijkheid om uniforme SIC -epitaxie uit te voeren zeer gewenst. Daarom zal na het verkrijgen van 200 mm SiC-substraten van goede kwaliteit zijn de volgende uitdaging om epitaxiale groei van hoge kwaliteit op deze substraten uit te voeren. LPE heeft een horizontale hot-wall met één kristallen volledig geautomatiseerde CVD-reactor ontworpen en gebouwd (genaamd PE1O8) uitgerust met een multi-zone implantatiesysteem dat in staat is tot 200 mm SIC-substraten te verwerken. Hier rapporteren we de prestaties op 150 mm 4H-SIC epitaxie en voorlopige resultaten op EPIWAFers van 200 mm.

Resultaten en discussie

PE1O8 is een volledig geautomatiseerd cassette-tot-cassette dat is ontworpen om maximaal 200 mm SIC-wafels te verwerken. Het formaat kan worden geschakeld tussen 150 en 200 mm, waardoor de downtime van het gereedschap wordt geminimaliseerd. De vermindering van de verwarmingsfasen verhoogt de productiviteit, terwijl automatisering de arbeid vermindert en de kwaliteit en herhaalbaarheid verbetert. Om een ​​efficiënt en kosten-competitief epitaxieproces te garanderen, worden drie hoofdfactoren gerapporteerd: 1) snel proces, 2) hoge uniformiteit van dikte en doping, 3) geminimaliseerde defectvorming tijdens het epitaxy-proces. In PE1O8 kunnen de kleine grafietmassa en het geautomatiseerde laad-/lossysteem een ​​standaardrun in minder dan 75 minuten worden voltooid (een standaard recept van 10μm Schottky diode gebruikt een groeisnelheid van 30 μm/u). Het geautomatiseerde systeem maakt het mogelijk om bij hoge temperaturen te laden/lossen. Als gevolg hiervan zijn zowel verwarmings- als koeltijden kort, terwijl ze de bakstap al onderdrukken. Dergelijke ideale omstandigheden maken de groei van echt ongedoteerd materiaal mogelijk.

De compactheid van de apparatuur en het driekanaals injectiesysteem resulteert in een veelzijdig systeem met hoge prestaties in zowel doping- als dikte-uniformiteit. Dit werd uitgevoerd met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD) simulaties om een ​​vergelijkbare gasstroom en temperatuuruniformiteit te garanderen voor 150 mm en 200 mm substraatformaten. Zoals getoond in figuur 1, levert dit nieuwe injectiesysteem gas uniform in de centrale en laterale delen van de depositiekamer. Het gasmengingssysteem maakt de variatie van de lokaal gedistribueerde gaschemie mogelijk, waardoor het aantal instelbare procesparameters verder wordt uitgebreid om de epitaxiale groei te optimaliseren.

Figuur 1 Gesimuleerde gassnelheidsgrootte (boven) en gastemperatuur (onder) in de PE1O8 -proceskamer bij een vlak op 10 mm boven het substraat.

Andere kenmerken zijn onder meer een verbeterd gasrotatiesysteem dat gebruikmaakt van een feedbackcontrolealgoritme om de prestaties te verbeteren en de rotatiesnelheid direct te meten, en een nieuwe generatie PID voor temperatuurregeling. Epitaxie procesparameters. Een n-type 4H-SiC epitaxiaal groeiproces werd ontwikkeld in een prototypekamer. Trichloorsilaan en ethyleen werden gebruikt als voorlopers voor silicium- en koolstofatomen; H2 werd gebruikt als draaggas en stikstof werd gebruikt voor dotering van het n-type. Si-faced commerciële 150 mm SiC-substraten en 200 mm SiC-substraten van onderzoekskwaliteit werden gebruikt om 6,5 μm dikke 1 x 1016 cm-3 n-gedoteerde 4H-SiC-epilagen te laten groeien. Het substraatoppervlak werd in situ geëtst met behulp van een H2-stroom bij verhoogde temperatuur. Na deze etsstap werd een n-type bufferlaag gegroeid met behulp van een lage groeisnelheid en een lage C/Si-verhouding om een ​​gladmakende laag te bereiden. Bovenop deze bufferlaag werd een actieve laag met een hoge groeisnelheid (30 μm/uur) afgezet met behulp van een hogere C/Si-verhouding. Het ontwikkelde proces werd vervolgens overgebracht naar een PE1O8-reactor die in de Zweedse fabriek van ST was geïnstalleerd. Soortgelijke procesparameters en gasverdeling werden gebruikt voor monsters van 150 mm en 200 mm. Het afstemmen van de groeiparameters werd uitgesteld naar toekomstige studies vanwege het beperkte aantal beschikbare 200 mm-substraten.

De schijnbare dikte en dopingprestaties van de monsters werden geëvalueerd met respectievelijk FTIR en CV-kwiksonde. De oppervlaktemorfologie werd onderzocht met behulp van Nomarski differentiële interferentiecontrast (NDIC) microscopie, en de defectdichtheid van de epilagen werd gemeten door Candela. Voorlopige resultaten. Voorlopige resultaten van dotering en dikte-uniformiteit van epitaxiaal gegroeide monsters van 150 mm en 200 mm, verwerkt in de prototypekamer, worden weergegeven in Figuur 2. De epilagen groeiden gelijkmatig langs het oppervlak van de substraten van 150 mm en 200 mm, met diktevariaties (σ/mean ) zo laag als respectievelijk 0,4% en 1,4%, en dopingvariaties (σ-gemiddelde) zo laag als 1,1% en 5,6%. De intrinsieke dopingwaarden waren ongeveer 1×1014 cm-3.

Figuur 2 dikte en dopingprofielen van 200 mm en 150 mm epiwafers.

De herhaalbaarheid van het proces werd onderzocht door run-to-run variaties te vergelijken, wat resulteerde in diktevariaties zo laag als 0,7% en dopingvariaties vanaf 3,1%. Zoals getoond in figuur 3, zijn de nieuwe 200m-procesresultaten vergelijkbaar met de state-of-the-art resultaten die eerder op 150 mm werden verkregen door een PE1O6-reactor.

Figuur 3 Laag-voor-laag dikte en doteringsuniformiteit van een monster van 200 mm verwerkt door een prototypekamer (boven) en een ultramodern monster van 150 mm vervaardigd door PE1O6 (onder).

Wat betreft de oppervlaktemorfologie van de monsters, bevestigde NDIC -microscopie een glad oppervlak met ruwheid onder het detecteerbare bereik van de microscoop. PE1O8 -resultaten. Het proces werd vervolgens overgebracht naar een PE1O8 -reactor. De dikte en doping -uniformiteit van de 200 mm Epiwafers worden getoond in figuur 4. De epilaags groeien uniform langs het substraatoppervlak met dikte en dopingvariaties (σ/gemiddelde) zo laag als respectievelijk 2,1% en 3,3%.

Figuur 4 dikte en dopingprofiel van een 200 mm epiwafer in een PE1O8 -reactor.

Om de defectdichtheid van epitaxiaal gekweekte wafels te onderzoeken, werd Candela gebruikt. Zoals getoond in de figuur. De totale defectdichtheden van 5 zo laag als 1,43 cm-2 en 3,06 cm-2 werden bereikt op respectievelijk de 150 mm en 200 mm monsters. Het totale beschikbare gebied (TUA) na epitaxie werd daarom berekend als 97% en 92% voor respectievelijk de 150 mm en 200 mm monsters. Het is vermeldenswaard dat deze resultaten pas na een paar runs zijn bereikt en verder kunnen worden verbeterd door de procesparameters te verfijnen.

Figuur 5 Candela-defectkaarten van 6 μm dikke epiwafers van 200 mm (links) en 150 mm (rechts) gegroeid met PE1O8.

Conclusie

Dit artikel presenteert de nieuw ontworpen PE1O8 CVD-reactor met warme wand en zijn vermogen om uniforme 4H-SiC-epitaxie uit te voeren op substraten van 200 mm. Voorlopige resultaten op 200 mm zijn veelbelovend, met diktevariaties van slechts 2,1% over het monsteroppervlak en dopingprestatievariaties van slechts 3,3% over het monsteroppervlak. De TUA na epitaxie werd berekend op 97% en 92% voor respectievelijk de monsters van 150 mm en 200 mm, en er wordt voorspeld dat de TUA voor 200 mm in de toekomst zal verbeteren met een hogere substraatkwaliteit. Gezien het feit dat de hier gerapporteerde resultaten op 200 mm-substraten gebaseerd zijn op een paar reeksen tests, denken wij dat het mogelijk zal zijn om de resultaten, die al dicht bij de state-of-the-art resultaten op 150 mm-monsters liggen, verder te verbeteren door het verfijnen van de groeiparameters.