Italiens LPE:s 200 mm SiC epitaxial teknologi framsteg

Introduktion

SiC är överlägset Si i många tillämpningar på grund av dess överlägsna elektroniska egenskaper såsom hög temperaturstabilitet, brett bandgap, hög genombrottsstyrka för elektriskt fält och hög värmeledningsförmåga. Idag förbättras tillgängligheten för dragkraftssystem för elfordon avsevärt på grund av de högre omkopplingshastigheterna, högre driftstemperaturerna och lägre termiska motståndet hos SiC-metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer (MOSFET). Marknaden för SiC-baserade kraftenheter har vuxit mycket snabbt under de senaste åren; därför har efterfrågan på högkvalitativa, defektfria och enhetliga SiC-material ökat.

Under de senaste decennierna har 4H-SIC-underlagsleverantörer kunnat skala upp skivdiametrar från 2 tum till 150 mm (upprätthålla samma kristallkvalitet). Idag är mainstream -skivstorleken för SIC -enheter 150 mm, och för att minska produktionskostnaden per enhetsanordning är vissa enhetstillverkare i de tidiga stadierna för att etablera 200 mm FABS. För att uppnå detta mål, utöver behovet av kommersiellt tillgängligt 200 mm SIC -skivor, är förmågan att utföra enhetlig SIC -epitaxi också mycket önskad. Därför, efter att ha erhållit 200 mm SIC-underlag av god kvalitet, kommer nästa utmaning att vara att utföra högkvalitativ epitaxiell tillväxt på dessa underlag. LPE har designat och byggt ett horisontellt Single Crystal Hot-Wall helautomatiserad CVD-reaktor (benämnd PE1O8) utrustad med ett multi-zonimplantationssystem som kan bearbeta upp till 200 mm SIC-substrat. Här rapporterar vi dess prestanda på 150 mm 4H-Sic Epitaxy samt preliminära resultat på 200 mm epiwafers.

Resultat och diskussion

PE1O8 är ett helt automatiserat kassett-till-kassettsystem som är utformat för att bearbeta upp till 200 mm SIC-skivor. Formatet kan växlas mellan 150 och 200 mm, vilket minimerar driftstopp. Minskningen av värmestegen ökar produktiviteten, medan automatisering minskar arbetskraften och förbättrar kvaliteten och repeterbarheten. För att säkerställa en effektiv och kostnadskonkurrenskraftig epitaxprocess rapporteras tre huvudfaktorer: 1) snabb process, 2) hög enhetlighet av tjocklek och doping, 3) minimerade defektbildning under epitaxiprocessen. I PE1O8 tillåter den lilla grafitmassan och det automatiska belastnings-/lossningssystemet att en standardkörning slutföras på mindre än 75 minuter (ett standard 10μm Schottky Diode -recept använder en tillväxttakt på 30μm/h). Det automatiska systemet möjliggör laddning/lossning vid höga temperaturer. Som ett resultat är både uppvärmning och kylningstider korta, medan de redan undertrycker baksteget. Sådana idealiska förhållanden möjliggör tillväxt av verkligt odopat material.

Utrustningens kompakthet och dess tre-kanals injektionssystem resulterar i ett mångsidigt system med hög prestanda i både doping och tjocklekens enhetlighet. Detta utfördes med hjälp av Computational Fluid Dynamics (CFD) -simuleringar för att säkerställa jämförbar gasflöde och temperaturens enhetlighet för 150 mm och 200 mM substratformat. Såsom visas i figur 1 levererar detta nya injektionssystem gas enhetligt i de centrala och laterala delarna av deponeringskammaren. Gasblandningssystemet möjliggör variationen i den lokalt distribuerade gaskemin, vilket ytterligare utvidgar antalet justerbara processparametrar för att optimera epitaxial tillväxt.

Figur 1 Simulerad gashastighetsstorlek (överst) och gastemperatur (botten) i PE1O8-proceskammaren i ett plan placerat 10 mm ovanför substratet.

Andra funktioner inkluderar ett förbättrat gasrotationssystem som använder en feedbackkontrollalgoritm för att jämna ut prestandan och direkt mäta rotationshastigheten, och en ny generation av PID för temperaturkontroll. Epitaxiprocessparametrar. En epitaxiell tillväxtprocess av n-typ 4H-SiC utvecklades i en prototypkammare. Triklorsilan och eten användes som prekursorer för kisel- och kolatomer; H2 användes som bärargas och kväve användes för dopning av n-typ. Si-faced kommersiella 150 mm SiC-substrat och forskningskvalitet 200 mm SiC-substrat användes för att odla 6,5 ​​μm tjocka 1 × 1016 cm-3 n-dopade 4H-SiC epilager. Substratytan etsades in situ med användning av ett H2-flöde vid förhöjd temperatur. Efter detta etsningssteg odlades ett buffertskikt av n-typ med användning av en låg tillväxthastighet och ett lågt C/Si-förhållande för att framställa ett utjämningsskikt. Ovanpå detta buffertskikt avsattes ett aktivt lager med hög tillväxthastighet (30μm/h) med ett högre C/Si-förhållande. Den utvecklade processen överfördes sedan till en PE1O8-reaktor installerad på ST:s svenska anläggning. Liknande processparametrar och gasfördelning användes för 150 mm och 200 mm prover. Finjustering av tillväxtparametrar sköts upp till framtida studier på grund av det begränsade antalet tillgängliga 200 mm substrat.

Provernas uppenbara tjocklek och dopning utvärderades med FTIR respektive CV Mercury -sond. Ytmorfologin undersöktes med nomarski -differentiell interferenskontrast (NDIC) mikroskopi, och defektdensiteten för epilayers mättes med Candela. Preliminära resultat. Preliminära resultat av doping och tjocklekens enhetlighet på 150 mm och 200 mM epitaxiellt odlade prover bearbetade i prototypkammaren visas i figur 2. Epilagarna växte enhetligt längs ytan på 150 mm och 200 mm -substrat, med tjockleksvariationer (σ/medelvärde ) så låga som 0,4% respektive 1,4% respektive dopingvariationer (σ-medel) så låga som 1,1% och 5,6%. Intrinsiska dopningsvärden var ungefär 1 × 1014 cm-3.

Figur 2 Tjocklek och dopningsprofiler på 200 mm och 150 mm epiwafers.

Processens repeterbarhet undersöktes genom att jämföra variationer i körning, vilket resulterade i tjockleksvariationer så låga som 0,7% och dopningsvariationer så låga som 3,1%. Såsom visas i figur 3 är de nya 200 mm-processresultaten jämförbara med de senaste resultaten som tidigare erhållits på 150 mm av en PE1O6-reaktor.

Figur 3 Lager-för-lager-tjocklek och dopningslikformighet av ett 200 mm prov bearbetat av en prototypkammare (överst) och ett toppmodernt 150 mm prov tillverkat av PE1O6 (nederst).

När det gäller ytmorfologin hos proverna, bekräftade NDIC-mikroskopi en slät yta med grovhet under mikroskopets detekterbara intervall. PE1O8 resultat. Processen överfördes sedan till en PE108-reaktor. Tjockleken och dopningslikformigheten för 200 mm epiwafers visas i figur 4. Epilagren växer jämnt längs substratytan med tjocklek och dopningsvariationer (σ/medelvärde) så låga som 2,1 % respektive 3,3 %.

Figur 4 Tjocklek och dopningsprofil för en 200 mm epiwafer i en PE1O8 -reaktor.

För att undersöka defektdensiteten hos epitaxiellt odlade wafers användes candela. Som visas i figuren. Totala defektdensiteter på 5 så låga som 1,43 cm-2 och 3,06 cm-2 uppnåddes på 150 mm respektive 200 mm proverna. Den totala tillgängliga arean (TUA) efter epitaxi beräknades därför till 97 % och 92 % för 150 mm respektive 200 mm proverna. Det är värt att nämna att dessa resultat uppnåddes först efter några körningar och kan förbättras ytterligare genom att finjustera processparametrarna.

Figur 5 Candela -defektkartor på 6 μm tjock 200 mm (vänster) och 150 mm (höger) epiwafers odlade med PE1O8.

Slutsats

Detta dokument presenterar den nyligen utformade PE1O8 Hot-Wall CVD-reaktorn och dess förmåga att utföra enhetlig 4H-SIC-epitaxi på 200 mm-underlag. Preliminära resultat på 200 mm är mycket lovande, med tjockleksvariationer så låga som 2,1% över provytan och dopningsprestanda variationer så låga som 3,3% över provytan. TUA efter epitaxi beräknades till 97% och 92% för 150 mm respektive 200 mm -prover, och TUA för 200 mm förutspås förbättras i framtiden med högre underlagskvalitet. Med tanke på att resultaten på 200 mm-underlag som rapporteras här är baserade på några uppsättningar av tester, tror vi att det kommer att vara möjligt att ytterligare förbättra resultaten, som redan är nära de senaste resultaten på 150 mm-prover, av finjustera tillväxtparametrarna.