Tehnologia epitaxială de 200 mm SiC a LPE din Italia progresează

Introducere

SiC este superior Si în multe aplicații datorită proprietăților sale electronice superioare, cum ar fi stabilitatea la temperatură ridicată, banda interzisă mare, puterea mare a câmpului electric de defalcare și conductivitate termică ridicată. Astăzi, disponibilitatea sistemelor de tracțiune a vehiculelor electrice este îmbunătățită semnificativ datorită vitezelor de comutare mai mari, a temperaturilor de funcționare mai ridicate și a rezistenței termice mai scăzute a tranzistorilor cu efect de câmp (MOSFET) cu oxid de metal SiC. Piața dispozitivelor de alimentare bazate pe SiC a crescut foarte rapid în ultimii câțiva ani; prin urmare, cererea pentru materiale SiC de înaltă calitate, fără defecte și uniforme a crescut.

În ultimele decenii, furnizorii de substraturi 4H-SiC au reușit să crească diametrele plachetelor de la 2 inci la 150 mm (menținând aceeași calitate a cristalului). Astăzi, dimensiunea wafer-ului principal pentru dispozitivele SiC este de 150 mm și, pentru a reduce costul de producție per unitate de dispozitiv, unii producători de dispozitive sunt în fazele incipiente ale stabilirii fabricilor de 200 mm. Pentru a atinge acest obiectiv, pe lângă nevoia de plachete SiC de 200 mm disponibile comercial, este de asemenea foarte dorită capacitatea de a efectua epitaxie uniformă de SiC. Prin urmare, după obținerea unor substraturi SiC de 200 mm de bună calitate, următoarea provocare va fi realizarea unei creșteri epitaxiale de înaltă calitate pe aceste substraturi. LPE a proiectat și construit un reactor CVD cu perete fierbinte cu un singur cristal orizontal (numit PE1O8) echipat cu un sistem de implantare multi-zonă capabil să proceseze substraturi SiC de până la 200 mm. Aici, raportăm performanța sa pe epitaxia 4H-SiC de 150 mm, precum și rezultatele preliminare pe epiwafer-uri de 200 mm.

Rezultate și discuții

PE1O8 este un sistem complet automat de tip casetă la casetă, conceput pentru a procesa napolitane SiC de până la 200 mm. Formatul poate fi comutat între 150 și 200 mm, minimizând timpul de nefuncționare a sculei. Reducerea treptelor de încălzire crește productivitatea, în timp ce automatizarea reduce forța de muncă și îmbunătățește calitatea și repetabilitatea. Pentru a asigura un proces de epitaxie eficient și competitiv din punct de vedere al costurilor, sunt raportați trei factori principali: 1) proces rapid, 2) uniformitate ridicată a grosimii și dopaj, 3) formarea de defecte minime în timpul procesului de epitaxie. În PE1O8, masa mică de grafit și sistemul automat de încărcare/descărcare permit finalizarea unei rulări standard în mai puțin de 75 de minute (o rețetă standard de diodă Schottky de 10 μm utilizează o rată de creștere de 30 μm/h). Sistemul automatizat permite incarcarea/descarcarea la temperaturi ridicate. Drept urmare, atât timpii de încălzire, cât și cei de răcire sunt scurti, în timp ce se suprimă deja etapa de coacere. Astfel de condiții ideale permit creșterea materialului cu adevărat nedopat.

Compactitatea echipamentului și sistemul său de injecție cu trei canale rezultă într-un sistem versatil cu performanțe ridicate atât în ​​ceea ce privește dopajul, cât și uniformitatea grosimii. Acest lucru a fost realizat folosind simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) pentru a asigura un flux de gaz comparabil și o uniformitate a temperaturii pentru formatele de substrat de 150 mm și 200 mm. După cum se arată în Figura 1, acest nou sistem de injecție furnizează gaz în mod uniform în părțile centrale și laterale ale camerei de depunere. Sistemul de amestecare a gazelor permite variația chimiei gazelor distribuite local, extinzând și mai mult numărul de parametri de proces ajustabili pentru a optimiza creșterea epitaxială.

Figura 1 Mărimea vitezei gazului simulată (sus) și temperatura gazului (jos) în camera de proces PE1O8 la un plan situat la 10 mm deasupra substratului.

Alte caracteristici includ un sistem îmbunătățit de rotație a gazului care utilizează un algoritm de control cu ​​feedback pentru a netezi performanța și pentru a măsura direct viteza de rotație și o nouă generație de PID pentru controlul temperaturii. Parametrii procesului de epitaxie. Un proces de creștere epitaxială 4H-SiC de tip n a fost dezvoltat într-o cameră prototip. Triclorosilanul și etilena au fost folosite ca precursori pentru atomii de siliciu și carbon; H2 a fost utilizat ca gaz purtător și azotul a fost utilizat pentru dopajul de tip n. Substraturi SiC comerciale de 150 mm cu fața de Si și substraturi SiC de 200 mm de calitate pentru cercetare au fost folosite pentru a crește epistraturi 4H-SiC dopate n-dopate cu 6,5 μm grosime 1 × 1016 cm-3. Suprafața substratului a fost gravată in situ folosind un flux de H2 la temperatură ridicată. După această etapă de gravare, un strat tampon de tip n a fost crescut folosind o rată de creștere scăzută și un raport C/Si scăzut pentru a prepara un strat de netezire. Pe deasupra acestui strat tampon, a fost depus un strat activ cu o rată de creștere ridicată (30μm/h) folosind un raport C/Si mai mare. Procesul dezvoltat a fost apoi transferat într-un reactor PE1O8 instalat la instalația din Suedia ST. Parametrii de proces și distribuția gazului similari au fost utilizați pentru probe de 150 mm și 200 mm. Reglarea fină a parametrilor de creștere a fost amânată pentru studii viitoare din cauza numărului limitat de substraturi disponibile de 200 mm.

Grosimea aparentă și performanța de dopare a probelor au fost evaluate prin sonda de mercur FTIR și, respectiv, CV. Morfologia suprafeței a fost investigată prin microscopie Nomarski cu contrast de interferență diferențială (NDIC), iar densitatea defectelor epistratelor a fost măsurată de Candela. Rezultate preliminare. Rezultatele preliminare ale dopajului și uniformității grosimii a probelor crescute epitaxial de 150 mm și 200 mm procesate în camera prototipului sunt prezentate în Figura 2. Epistraturile au crescut uniform de-a lungul suprafeței substraturilor de 150 mm și 200 mm, cu variații de grosime (σ/medie). ) până la 0,4% și, respectiv, 1,4% și variații de dopaj (σ-medie) până la 1,1% și 5,6%. Valorile de dopaj intrinseci au fost de aproximativ 1×1014 cm-3.

Figura 2 Grosimea și profilele de dopaj ale epiwaferelor de 200 mm și 150 mm.

Repetabilitatea procesului a fost investigată prin compararea variațiilor de la un ciclu la altul, rezultând variații de grosime de până la 0,7% și variații de dopaj de până la 3,1%. După cum se arată în Figura 3, noile rezultate ale procesului de 200 mm sunt comparabile cu rezultatele de ultimă generație obținute anterior pe 150 mm de către un reactor PE1O6.

Figura 3 Grosimea stratului cu strat și uniformitatea dopajului unei probe de 200 mm procesate de o cameră prototip (sus) și o probă de ultimă generație de 150 mm fabricată cu PE1O6 (jos).

În ceea ce privește morfologia suprafeței probelor, microscopia NDIC a confirmat o suprafață netedă cu rugozitate sub intervalul detectabil al microscopului. Rezultate PE1O8. Procesul a fost apoi transferat într-un reactor PE1O8. Grosimea și uniformitatea dopajelor epiwaferelor de 200 mm sunt prezentate în Figura 4. Epistraturile cresc uniform de-a lungul suprafeței substratului cu variații de grosime și dopaj (σ/medie) de până la 2,1% și, respectiv, 3,3%.

Figura 4 Grosimea și profilul de dopaj al unei epiwafer de 200 mm într-un reactor PE1O8.

Pentru a investiga densitatea defectelor napolitanelor crescute epitaxial, a fost folosită candela. După cum se arată în figură. Au fost atinse densități totale de defect de 5 până la 1,43 cm-2 și 3,06 cm-2 pe probele de 150 mm și, respectiv, 200 mm. Suprafața totală disponibilă (TUA) după epitaxie a fost, prin urmare, calculată a fi 97% și 92% pentru probele de 150 mm și, respectiv, 200 mm. Este de menționat că aceste rezultate au fost obținute numai după câteva rulări și pot fi îmbunătățite în continuare prin reglarea fină a parametrilor procesului.

Figura 5 Hărți de defect Candela de 6 μm grosime 200 mm (stânga) și 150 mm (dreapta) epiwafer cultivate cu PE1O8.

Concluzie

Această lucrare prezintă reactorul CVD cu perete fierbinte PE1O8 nou proiectat și capacitatea sa de a efectua epitaxie uniformă 4H-SiC pe substraturi de 200 mm. Rezultatele preliminare pe 200 mm sunt foarte promițătoare, cu variații de grosime de până la 2,1% pe suprafața probei și variații de performanță de dopaj de până la 3,3% pe suprafața probei. TUA după epitaxie a fost calculată a fi de 97% și 92% pentru probele de 150 mm și, respectiv, 200 mm, iar TUA pentru 200 mm se preconizează că se va îmbunătăți în viitor cu o calitate mai mare a substratului. Având în vedere că rezultatele pe substraturi de 200 mm raportate aici se bazează pe câteva seturi de teste, credem că va fi posibilă îmbunătățirea în continuare a rezultatelor, care sunt deja apropiate de rezultatele de ultimă generație pe probe de 150 mm, prin reglarea fină a parametrilor de creștere.