Italias LPEs 200 mm SIC Epitaxial Technology Progress

Introduksjon

SiC er overlegen Si i mange applikasjoner på grunn av dets overlegne elektroniske egenskaper som høy temperaturstabilitet, bredt båndgap, høy elektrisk nedbrytningsstyrke og høy termisk ledningsevne. I dag forbedres tilgjengeligheten av trekkraftsystemer for elektriske kjøretøy betydelig på grunn av høyere koblingshastigheter, høyere driftstemperaturer og lavere termisk motstand til SiC metalloksid halvlederfelteffekttransistorer (MOSFETs). Markedet for SiC-baserte kraftenheter har vokst veldig raskt de siste årene; derfor har etterspørselen etter høykvalitets, defektfrie og ensartede SiC-materialer økt.

I løpet av de siste tiårene har 4H-SIC underlagsleverandører vært i stand til å skalere opp skive-diametre fra 2 tommer til 150 mm (opprettholde den samme krystallkvaliteten). I dag er mainstream wafer -størrelsen for SIC -enheter 150 mm, og for å redusere produksjonskostnaden per enhetsenhet er noen enhetsprodusenter i de tidlige stadiene av å etablere 200 mm FAB -er. For å oppnå dette målet, i tillegg til behovet for kommersielt tilgjengelige 200 mm SIC -skiver, er muligheten til å utføre ensartet SIC -epitaxy også høyt ønsket. Derfor, etter å ha oppnådd 200 mm SIC-underlag av god kvalitet, vil neste utfordring være å utføre epitaksial vekst av høy kvalitet på disse underlagene. LPE har designet og bygget en horisontal enkeltkrystall varmtvegg helautomatisert CVD-reaktor (kalt PE1O8) utstyrt med et multi-sone implantasjonssystem som er i stand til å behandle opptil 200 mm SIC-underlag. Her rapporterer vi ytelsen på 150 mm 4H-Sic epitaxy samt foreløpige resultater på 200 mm epiwafers.

Resultater og diskusjon

PE1O8 er et helautomatisert kassett-til-kassettsystem designet for å behandle opptil 200 mm SIC-skiver. Formatet kan byttes mellom 150 og 200 mm, og minimerer driftsstans. Reduksjonen av oppvarmingsstadiene øker produktiviteten, mens automatisering reduserer arbeidskraften og forbedrer kvalitet og repeterbarhet. For å sikre en effektiv og kostnadskonkurransedyktig epitaxy-prosess, rapporteres det tre hovedfaktorer: 1) rask prosess, 2) høy ensartethet av tykkelse og doping, 3) minimert defektdannelse under epitaksiprosessen. I PE1O8 tillater den små grafittmassen og det automatiserte lasting/lossesystemet et standardkjøring å fullføres på mindre enn 75 minutter (en standard 10μm Schottky diodeoppskrift bruker en veksthastighet på 30μm/t). Det automatiserte systemet tillater lasting/lossing ved høye temperaturer. Som et resultat er både oppvarming og kjøletidene korte, mens du allerede undertrykker stekstrinnet. Slike ideelle forhold tillater vekst av virkelig udopet materiale.

Utstyrets kompakthet og dets tre-kanals injeksjonssystem resulterer i et allsidig system med høy ytelse i både doping og tykkelseseniformitet. Dette ble utført ved bruk av Computational Fluid Dynamics (CFD) -simuleringer for å sikre sammenlignbar gasstrøm og temperaturenhet for 150 mm og 200 mm substratformater. Som vist i figur 1 leverer dette nye injeksjonssystemet gass jevnt i de sentrale og laterale delene av avsetningskammeret. Gassblandingssystemet muliggjør variasjonen av den lokalt distribuerte gasskjemien, og utvider antallet justerbare prosessparametere ytterligere for å optimalisere epitaksialvekst.

Figur 1 Simulert gasshastighetsstørrelse (øverst) og gasstemperatur (bunn) i PE1O8-prosesskammeret i et plan plassert 10 mm over substratet.

Andre funksjoner inkluderer et forbedret gassrotasjonssystem som bruker en tilbakemeldingskontrollalgoritme for å jevne ytelsen og direkte måle rotasjonshastigheten, og en ny generasjon PID for temperaturkontroll. Epitaxy prosessparametere. En 4H-Sic-epitaksial vekstprosess av N-type ble utviklet i et prototypekammer. Triklorosilan og etylen ble brukt som forløpere for silisium- og karbonatomer; H2 ble brukt som bærergass og nitrogen ble brukt til doping av N-type. SI-ansikt kommersielle 150 mm SIC-underlag og 200 mm SIC-underlag ble brukt til å vokse 6,5μm tykk 1 × 1016cm-3 N-dopede 4H-SIC-epilag. Substratoverflaten ble etset in situ ved bruk av en H2 -strøm ved forhøyet temperatur. Etter dette etsetrinnet ble et bufferlag av N-type dyrket ved bruk av en lav veksthastighet og et lavt C/Si-forhold for å fremstille et utjevningslag. På toppen av dette buffersjiktet ble et aktivt lag med høy veksthastighet (30μm/t) avsatt ved bruk av et høyere C/Si -forhold. Den utviklede prosessen ble deretter overført til en PE1O8 -reaktor installert på STs svenske anlegg. Lignende prosessparametere og gassfordeling ble brukt for 150 mm og 200 mm prøver. Finjustering av vekstparametere ble utsatt til fremtidige studier på grunn av det begrensede antallet tilgjengelige 200 mm underlag.

Den tilsynelatende tykkelsen og dopingytelsen til prøvene ble evaluert med henholdsvis FTIR og CV Mercury -sonde. Overflatemorfologien ble undersøkt ved nomarski differensial interferenskontrast (NDIC) mikroskopi, og defekttettheten til epilayerne ble målt med Candela. Foreløpige resultater. Foreløpige resultater av doping og tykkelse ensartethet på 150 mm og 200 mM epitaksialt dyrkede prøver behandlet i prototypekammer ) så lavt som henholdsvis 0,4% og 1,4%, og dopingvariasjoner (σ-Mean) så lavt som 1,1% og 5,6%. Intrinsiske dopingverdier var omtrent 1 × 1014 cm-3.

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

Prosessenes repeterbarhet ble undersøkt ved å sammenligne run-to-run-variasjoner, noe som resulterte i tykkelsesvariasjoner så lave som 0,7% og dopingvariasjoner så lave som 3,1%. Som vist i figur 3, er de nye 200 mm prosessresultatene sammenlignbare med de moderne resultatene som tidligere er oppnådd på 150 mm av en PE1O6-reaktor.

Figur 3-lag-for-lag-tykkelse og doping ensartethet av en 200 mm prøve behandlet av et prototypekammer (øverst) og en topp moderne 150 mm prøve produsert av PE1O6 (bunn).

Når det gjelder overflatemorfologien til prøvene, bekreftet NDIC -mikroskopi en glatt overflate med ruhet under det påviselige området til mikroskopet. PE1O8 Resultater. Prosessen ble deretter overført til en PE1O8 -reaktor. Tykkelsen og doping -enhetligheten til 200 mm epiwafaers er vist i figur 4. Epilayerne vokser jevnt langs underlagsoverflaten med tykkelse og dopingvariasjoner (σ/gjennomsnitt) så lav som henholdsvis 2,1% og 3,3%.

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

For å undersøke defekttettheten til epitaksialt dyrkede skiver, ble Candela brukt. Som vist på figuren. Total defekttetthet på 5 så lave som 1,43 cm-2 og 3,06 cm-2 ble oppnådd på henholdsvis 150 mm og 200 mm prøvene. Det totale tilgjengelige arealet (TUA) etter epitaxy ble derfor beregnet til å være henholdsvis 97% og 92% for 150 mm og 200 mm prøver. Det er verdt å nevne at disse resultatene ble oppnådd først etter noen få løp og kan forbedres ytterligere ved å finjustere prosessparametrene.

Figur 5 Candela-defektkart av 6μm tykke 200 mm (venstre) og 150 mm (høyre) epiwafere dyrket med PE1O8.

Konklusjon

Denne artikkelen presenterer den nyutviklede PE1O8 varmvegg CVD-reaktoren og dens evne til å utføre ensartet 4H-SiC-epitaksi på 200 mm substrater. Foreløpige resultater på 200 mm er svært lovende, med tykkelsesvariasjoner så lave som 2,1 % over prøveoverflaten og variasjoner i dopingytelse så lave som 3,3 % over prøveoverflaten. TUA etter epitaksi ble beregnet til å være 97 % og 92 % for henholdsvis 150 mm og 200 mm prøvene, og TUA for 200 mm er spådd å bli bedre i fremtiden med høyere substratkvalitet. Tatt i betraktning at resultatene på 200 mm substrater som er rapportert her er basert på noen få sett med tester, tror vi at det vil være mulig å forbedre resultatene ytterligere, som allerede er nær de nyeste resultatene på 150 mm prøver, ved å finjustering av vekstparametrene.