Прогрес у епітаксіальній технології 200 мм SiC італійської LPE

вступ

SiC перевершує Si у багатьох застосуваннях завдяки своїм чудовим електронним властивостям, таким як висока температурна стабільність, широка заборонена зона, висока напруженість електричного поля пробою та висока теплопровідність. Сьогодні доступність тягових систем електромобілів значно покращується завдяки вищим швидкостям перемикання, вищим робочим температурам і нижчому термічному опору польових транзисторів на основі металооксиду SiC (MOSFET). За останні кілька років ринок силових пристроїв на основі SiC дуже швидко зріс; тому зріс попит на високоякісні, бездефектні та однорідні матеріали SiC.

За останні кілька десятиліть постачальникам підкладок 4H-SiC вдалося збільшити діаметр пластин від 2 дюймів до 150 мм (зберігаючи ту саму якість кристалів). Сьогодні основний розмір пластини для пристроїв із SiC становить 150 мм, і для того, щоб знизити виробничу вартість одиниці пристрою, деякі виробники пристроїв знаходяться на ранніх стадіях створення 200-міліметрових фабрик. Для досягнення цієї мети, окрім потреби у комерційно доступних 200-міліметрових пластинах SiC, також дуже бажана можливість виконувати рівномірну епітаксію SiC. Таким чином, після отримання високоякісних підкладок SiC товщиною 200 мм наступним завданням буде виконання високоякісного епітаксійного вирощування на цих підкладках. Компанія LPE розробила та побудувала горизонтальний монокристалічний повністю автоматизований CVD-реактор із гарячими стінками (під назвою PE1O8), оснащений багатозонною системою імплантації, здатною обробляти підкладки SiC розміром до 200 мм. Тут ми повідомляємо про його продуктивність на 150-мм 4H-SiC епітаксії, а також попередні результати на 200-мм епіваферах.

Результати і обговорення

PE1O8 — це повністю автоматизована система від касети до касети, призначена для обробки пластин SiC розміром до 200 мм. Формат можна перемикати між 150 і 200 мм, мінімізуючи час простою інструменту. Зменшення ступенів нагрівання підвищує продуктивність, а автоматизація зменшує трудомісткість і покращує якість і повторюваність. Щоб забезпечити ефективний і економічно конкурентоспроможний процес епітаксії, повідомляється про три основні фактори: 1) швидкий процес, 2) висока однорідність товщини та легування, 3) мінімізоване утворення дефектів під час процесу епітаксії. У PE1O8 невелика маса графіту та автоматизована система завантаження/розвантаження дозволяють виконати стандартний цикл менш ніж за 75 хвилин (стандартний рецепт діода Шотткі 10 мкм використовує швидкість росту 30 мкм/год). Автоматизована система дозволяє здійснювати завантаження/розвантаження при високих температурах. Як наслідок, як нагрівання, так і час охолодження є короткими, при цьому вже пригнічується етап випікання. Такі ідеальні умови дозволяють вирощувати справді нелегований матеріал.

Компактність обладнання та його триканальна система впорскування призводять до створення універсальної системи з високою ефективністю як легування, так і рівномірності товщини. Це було виконано за допомогою моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD), щоб забезпечити порівнянний потік газу та однорідність температури для форматів підкладки 150 мм і 200 мм. Як показано на малюнку 1, ця нова система впорскування рівномірно подає газ у центральну та бічні частини камери осадження. Система змішування газу дозволяє змінювати хімічний склад локально розподіленого газу, додатково розширюючи кількість регульованих параметрів процесу для оптимізації епітаксійного зростання.

Малюнок 1 Змодельована величина швидкості газу (вгорі) і температура газу (внизу) у робочій камері PE1O8 у площині, розташованій на 10 мм над підкладкою.

Інші функції включають покращену систему обертання газу, яка використовує алгоритм керування зворотним зв’язком для згладжування продуктивності та безпосереднього вимірювання швидкості обертання, а також нове покоління PID для контролю температури. Параметри процесу епітаксії. Процес епітаксійного вирощування 4H-SiC n-типу був розроблений у прототипі камери. Трихлорсилан і етилен використовувалися як попередники атомів кремнію і вуглецю; H2 використовувався як газ-носій, а азот використовувався для легування n-типу. Для вирощування епішарів 4H-SiC товщиною 6,5 мкм 1×1016 см-3 n-легованого SiC використовувалися комерційні 150-міліметрові SiC-підкладки з кремнієвим покриттям і дослідницькі 200-міліметрові SiC-підкладки. Поверхня підкладки була протравлена ​​in situ з використанням потоку H2 при підвищеній температурі. Після цього етапу травлення був вирощений буферний шар n-типу з використанням низької швидкості росту та низького співвідношення C/Si для підготовки згладжуючого шару. Поверх цього буферного шару було нанесено активний шар із високою швидкістю росту (30 мкм/год) з використанням більш високого співвідношення C/Si. Розроблений процес потім було передано в реактор PE1O8, встановлений на шведському підприємстві ST. Подібні параметри процесу та розподіл газу використовувалися для зразків 150 мм і 200 мм. Точне налаштування параметрів росту було відкладено до майбутніх досліджень через обмежену кількість доступних 200-міліметрових підкладок.

Уявну товщину та ефективність легування зразків оцінювали за допомогою FTIR та CV ртутного зонда відповідно. Морфологію поверхні досліджували за допомогою диференціально-інтерференційно-контрастної мікроскопії Номарського (NDIC), а щільність дефектів епішарів вимірювали за допомогою Candela. Попередні результати. Попередні результати легування та однорідності товщини епітаксіально вирощених зразків товщиною 150 мм і 200 мм, оброблених у камері прототипу, показані на рисунку 2. Епішари рівномірно росли вздовж поверхні підкладок товщиною 150 мм і 200 мм із змінами товщини (σ/середнє значення). ) лише 0,4% і 1,4% відповідно, а варіації легування (σ-середнє) лише 1,1% і 5,6%. Значення власного легування становили приблизно 1×1014 см-3.

Рисунок 2 Профілі товщини та легування епівафель 200 мм і 150 мм.

Повторюваність процесу досліджували шляхом порівняння варіацій серії до серії, що призвело до варіацій товщини лише на 0,7% і варіацій допування лише на 3,1%. Як показано на малюнку 3, нові результати процесу 200 мм можна порівняти з найсучаснішими результатами, отриманими раніше на 150 мм реактором PE1O6.

Рисунок 3 Товщина шару за шаром і однорідність легування 200-міліметрового зразка, обробленого в прототипній камері (угорі), і найсучаснішого 150-міліметрового зразка, виготовленого PE1O6 (внизу).

Що стосується морфології поверхні зразків, мікроскопія NDIC підтвердила гладку поверхню з шорсткістю, нижчою за діапазон виявлення мікроскопом. Результати PE1O8. Потім процес перенесли в реактор PE1O8. Товщина та рівномірність легування 200-міліметрових епівафель показані на малюнку 4. Епішари ростуть рівномірно вздовж поверхні підкладки з варіаціями товщини та легування (σ/середнє) лише 2,1% і 3,3% відповідно.

Малюнок 4. Товщина та профіль легування 200-мм епіпластини в реакторі PE1O8.

Для дослідження щільності дефектів епітаксіально вирощених пластин використовували канделу. Як показано на малюнку. Загальна щільність дефектів 5 на рівні 1,43 см-2 і 3,06 см-2 була досягнута на зразках 150 мм і 200 мм відповідно. Таким чином, загальна доступна площа (TUA) після епітаксії становила 97% і 92% для зразків 150 мм і 200 мм відповідно. Варто зазначити, що ці результати були досягнуті лише після кількох прогонів і можуть бути покращені шляхом точного налаштування параметрів процесу.

Малюнок 5 Карти дефектів кандели епівафель товщиною 6 мкм 200 мм (ліворуч) і 150 мм (праворуч), вирощених з PE1O8.

Висновок

У цьому документі представлено нещодавно розроблений CVD-реактор PE1O8 з гарячими стінками та його здатність виконувати рівномірну епітаксію 4H-SiC на підкладках товщиною 200 мм. Попередні результати на 200 мм є дуже багатообіцяючими, коли варіації товщини на поверхні зразка становлять лише 2,1%, а ефективність легування становить лише 3,3% на поверхні зразка. TUA після епітаксії було розраховано як 97% і 92% для зразків 150 мм і 200 мм відповідно, і прогнозується, що TUA для 200 мм покращиться в майбутньому з вищою якістю підкладки. Враховуючи, що наведені тут результати на підкладках товщиною 200 мм базуються на кількох наборах тестів, ми вважаємо, що можна буде ще більше покращити результати, які вже близькі до найсучасніших результатів на зразках 150 мм, шляхом точне налаштування параметрів росту.