İtaliyanın LPE-nin 200 mm SiC epitaksial texnologiyasında irəliləyiş

Giriş

SiC yüksək temperatur sabitliyi, geniş diapazon, yüksək parçalanma elektrik sahəsinin gücü və yüksək istilik keçiriciliyi kimi üstün elektron xüsusiyyətlərinə görə bir çox tətbiqdə Si-dən üstündür. Bu gün SiC metal oksidi yarımkeçirici sahə effektli tranzistorların (MOSFETs) daha yüksək keçid sürəti, daha yüksək işləmə temperaturu və aşağı istilik müqaviməti sayəsində elektrik nəqliyyat vasitələrinin dartma sistemlərinin mövcudluğu əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırılır. SiC əsaslı güc cihazları bazarı son bir neçə il ərzində çox sürətlə artmışdır; buna görə də yüksək keyfiyyətli, qüsursuz və vahid SiC materiallarına tələbat artmışdır.

Son bir neçə onillikdə 4H-SiC substrat tədarükçüləri vafli diametrlərini 2 düymdən 150 mm-ə qədər genişləndirə bilmişlər (eyni kristal keyfiyyətini saxlamaqla). Bu gün SiC cihazları üçün əsas vafli ölçüsü 150 mm-dir və vahid cihaz üçün istehsal xərclərini azaltmaq üçün bəzi cihaz istehsalçıları 200 mm fabların yaradılmasının ilkin mərhələsindədirlər. Bu məqsədə nail olmaq üçün kommersiyada mövcud olan 200 mm SiC vaflilərə ehtiyacdan əlavə, vahid SiC epitaksiyasını yerinə yetirmək qabiliyyəti də çox arzu edilir. Buna görə də, yaxşı keyfiyyətli 200 mm SiC substratları əldə etdikdən sonra növbəti problem bu substratlarda yüksək keyfiyyətli epitaksial böyüməni həyata keçirmək olacaq. LPE 200 mm-ə qədər SiC substratlarını emal edə bilən çox zonalı implantasiya sistemi ilə təchiz edilmiş üfüqi bir kristal isti divarlı tam avtomatlaşdırılmış CVD reaktorunu (PE1O8 adlanır) layihələndirmiş və inşa etmişdir. Burada biz onun 150 mm 4H-SiC epitaksiyasında performansını, həmçinin 200 mm epivaferlərdə ilkin nəticələri bildiririk.

Nəticələr və Müzakirə

PE1O8 200 mm-ə qədər SiC vafliləri emal etmək üçün nəzərdə tutulmuş tam avtomatlaşdırılmış kasetdən kasetə sistemdir. Format 150 və 200 mm arasında dəyişdirilə bilər, bu da alətin dayanma müddətini minimuma endirir. İstilik mərhələlərinin azaldılması məhsuldarlığı artırır, avtomatlaşdırma isə əməyi azaldır və keyfiyyəti və təkrarlanmağı yaxşılaşdırır. Effektiv və rəqabətədavamlı epitaksiya prosesini təmin etmək üçün üç əsas amil barədə məlumat verilir: 1) sürətli proses, 2) qalınlığın və dopinqin yüksək vahidliyi, 3) epitaksiya prosesi zamanı minimuma endirilmiş qüsur əmələ gəlməsi. PE1O8-də kiçik qrafit kütləsi və avtomatlaşdırılmış yükləmə/boşaltma sistemi standart işləməni 75 dəqiqədən az müddətdə tamamlamağa imkan verir (standart 10μm Schottky diod reseptində 30μm/saat artım sürətindən istifadə olunur). Avtomatlaşdırılmış sistem yüksək temperaturda yükləmə/boşaltma imkanı verir. Nəticədə, həm qızdırma, həm də soyutma müddətləri qısadır, eyni zamanda, artıq bişirmə addımını sıxışdırır. Belə ideal şərait həqiqətən əlavə edilməmiş materialın böyüməsinə imkan verir.

Avadanlığın yığcamlığı və onun üç kanallı inyeksiya sistemi həm dopinq, həm də qalınlığın vahidliyində yüksək performansa malik universal sistemlə nəticələnir. Bu, 150 mm və 200 mm substrat formatları üçün müqayisə edilə bilən qaz axını və temperatur vahidliyini təmin etmək üçün hesablama maye dinamikası (CFD) simulyasiyalarından istifadə etməklə həyata keçirilmişdir. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, bu yeni vurma sistemi qazı çökmə kamerasının mərkəzi və yan hissələrinə bərabər şəkildə çatdırır. Qaz qarışdırma sistemi epitaksial artımı optimallaşdırmaq üçün tənzimlənən proses parametrlərinin sayını daha da genişləndirərək, yerli olaraq paylanmış qaz kimyasının dəyişməsinə imkan verir.

Şəkil 1 Substratdan 10 mm hündürlükdə yerləşən müstəvidə PE1O8 proses kamerasında qaz sürətinin təqlid edilmiş sürəti (üst) və qaz temperaturu (aşağı).

Digər xüsusiyyətlərə performansı hamarlaşdırmaq və fırlanma sürətini birbaşa ölçmək üçün əks əlaqəyə nəzarət alqoritmindən istifadə edən təkmilləşdirilmiş qaz fırlanma sistemi və temperaturun idarə edilməsi üçün yeni nəsil PID daxildir. Epitaksiya prosesinin parametrləri. Prototip kamerada n-tipli 4H-SiC epitaksial böyümə prosesi hazırlanmışdır. Trichlorosilane və etilen silisium və karbon atomları üçün prekursorlar kimi istifadə edilmişdir; Daşıyıcı qaz kimi H2, n-tipli dopinq üçün isə azot istifadə edilmişdir. Si-üzlü kommersiya 150 mm SiC substratları və tədqiqat dərəcəli 200 mm SiC substratları 6,5 μm qalınlığında 1 × 1016 sm-3 n qatqılı 4H-SiC epilayerləri yetişdirmək üçün istifadə edilmişdir. Substratın səthi yüksək temperaturda H2 axınından istifadə edərək yerində işlənmişdir. Bu aşındırma addımından sonra hamarlaşdırıcı təbəqə hazırlamaq üçün aşağı böyümə sürəti və aşağı C/Si nisbətindən istifadə edərək n tipli bufer təbəqəsi yetişdirildi. Bu bufer təbəqəsinin üzərinə daha yüksək C/Si nisbətindən istifadə etməklə yüksək artım sürətinə (30μm/saat) malik aktiv təbəqə qoyulmuşdur. Hazırlanmış proses daha sonra ST-nin İsveç müəssisəsində quraşdırılmış PE1O8 reaktoruna köçürüldü. Oxşar proses parametrləri və qaz paylanması 150 mm və 200 mm nümunələr üçün istifadə edilmişdir. Mövcud 200 mm substratların məhdud sayda olması səbəbindən böyümə parametrlərinin incə tənzimlənməsi gələcək tədqiqatlara təxirə salındı.

Nümunələrin görünən qalınlığı və dopinq performansı müvafiq olaraq FTIR və CV civə zondu ilə qiymətləndirilmişdir. Səthin morfologiyası Nomarski diferensial müdaxilə kontrast (NDIC) mikroskopiyası ilə araşdırılmış, epilayerlərin qüsur sıxlığı isə Candela ilə ölçülmüşdür. İlkin nəticələr. Prototip kamerasında işlənmiş 150 mm və 200 mm epitaksial böyüdülmüş nümunələrin qatqı və qalınlığının vahidliyinin ilkin nəticələri Şəkil 2-də göstərilmişdir. Epilayerlər qalınlıq dəyişikliyi ilə (σ/orta) 150 mm və 200 mm substratların səthi boyunca bərabər böyüdülər ) müvafiq olaraq 0,4% və 1,4%, dopinq dəyişiklikləri (σ-orta) 1,1% və 5,6% kimi aşağıdır. Daxili dopinq dəyərləri təxminən 1×1014 sm-3 idi.

Şəkil 2 200 mm və 150 ​​mm epiwaferlərin qalınlığı və dopinq profilləri.

Prosesin təkrarolunma qabiliyyəti qaçışdan-çalışmaya dəyişikliklərin müqayisəsi yolu ilə tədqiq edilmişdir, nəticədə qalınlıq dəyişkənliyi 0,7%-ə qədər və dopinq dəyişikliyi 3,1%-ə qədər aşağı olmuşdur. Şəkil 3-də göstərildiyi kimi, 200 mm-lik yeni proses nəticələri əvvəllər PE1O6 reaktoru tərəfindən 150 mm-də əldə edilmiş ən müasir nəticələrlə müqayisə edilə bilər.

Şəkil 3 Prototip kamerası (üst) tərəfindən işlənmiş 200 mm nümunə və PE1O6 (aşağı) tərəfindən hazırlanmış ən müasir 150 mm nümunənin qat-qat qalınlığı və qatqı vahidliyi.

Nümunələrin səth morfologiyasına gəldikdə, NDIC mikroskopiyası mikroskopun aşkar edilə bilən diapazonundan aşağı pürüzlülüklə hamar səthi təsdiqlədi. PE1O8 nəticələri. Daha sonra proses PE1O8 reaktoruna köçürüldü. 200 mm-lik epivaferlərin qalınlığı və qatqı vahidliyi Şəkil 4-də göstərilmişdir. Epilayerlər müvafiq olaraq 2,1% və 3,3% kimi qalınlıq və qatqı dəyişiklikləri (σ/orta) ilə substrat səthi boyunca bərabər böyüyür.

Şəkil 4 PE1O8 reaktorunda 200 mm epiwaferin qalınlığı və dopinq profili.

Epitaksial şəkildə böyüdülmüş vaflilərin qüsur sıxlığını araşdırmaq üçün kandela istifadə edilmişdir. Şəkildə göstərildiyi kimi. 150 mm və 200 mm nümunələrdə müvafiq olaraq 1,43 sm-2 və 3,06 sm-2 kimi aşağı 5 qüsur sıxlığı əldə edilmişdir. Beləliklə, epitaksiyadan sonra ümumi mövcud sahə (TUA) 150 mm və 200 mm nümunələr üçün müvafiq olaraq 97% və 92% olaraq hesablanmışdır. Qeyd etmək lazımdır ki, bu nəticələr yalnız bir neçə qaçışdan sonra əldə edilmişdir və proses parametrlərinin dəqiq tənzimlənməsi ilə daha da yaxşılaşdırıla bilər.

Şəkil 5 PE1O8 ilə böyüdülmüş 6μm qalınlığında 200mm (solda) və 150mm (sağda) epiwaferlərin Candela qüsur xəritələri.

Nəticə

Bu yazı yeni dizayn edilmiş PE1O8 isti divarlı CVD reaktorunu və onun 200 mm-lik substratlarda vahid 4H-SiC epitaksiyasını yerinə yetirmək qabiliyyətini təqdim edir. 200 mm-lik ilkin nəticələr çox ümidvericidir, qalınlığın nümunə səthində 2,1%-ə qədər dəyişməsi və nümunə səthində 3,3%-ə qədər aşağı dopinq performansı variasiyaları ilə. Epitaksiyadan sonra TUA 150mm və 200mm nümunələr üçün müvafiq olaraq 97% və 92% olaraq hesablanmışdır və 200mm üçün TUA-nın gələcəkdə daha yüksək substrat keyfiyyəti ilə yaxşılaşacağı proqnozlaşdırılır. Burada bildirilən 200 mm-lik substratlar üzrə nəticələrin bir neçə sınaq dəstinə əsaslandığını nəzərə alsaq, inanırıq ki, 150 mm-lik nümunələr üzrə ən müasir nəticələrə yaxın olan nəticələri daha da yaxşılaşdırmaq mümkün olacaq. böyümə parametrlərinin dəqiq tənzimlənməsi.