Напредокот на епитаксиалната технологија на италијанската LPE од 200 mm SiC

Вовед

SiC е супериорен во однос на Si во многу апликации поради неговите супериорни електронски својства, како што се стабилноста на висока температура, широк опсег, висока јачина на електричното поле на распаѓање и висока топлинска спроводливост. Денес, достапноста на системите за влечење на електрични возила значително се подобрува поради повисоките брзини на префрлување, повисоките работни температури и понискиот термички отпор на транзисторите со ефект на поле со полупроводнички метални оксиди (MOSFET). Пазарот на уреди за напојување базирани на SiC се зголеми многу брзо во текот на изминатите неколку години; затоа, побарувачката за висококвалитетни, без дефекти и униформни SiC материјали е зголемена.

Во текот на изминатите неколку децении, добавувачите на подлогата 4H-SiC беа во можност да ги зголемат дијаметрите на обландата од 2 инчи на 150 mm (задржувајќи го истиот квалитет на кристалот). Денес, главната големина на нафора за SiC уредите е 150 mm, а со цел да се намалат трошоците за производство по единица уред, некои производители на уреди се во раните фази на воспоставување фабрики од 200 mm. За да се постигне оваа цел, покрај потребата од комерцијално достапни наполитанки SiC од 200 mm, многу е посакувана и способноста за изведба на еднообразна епитаксија на SiC. Затоа, по добивањето на квалитетни 200 mm SiC подлоги, следниот предизвик ќе биде да се изврши висококвалитетен епитаксијален раст на овие подлоги. LPE дизајнираше и изгради хоризонтален целосно автоматизиран CVD реактор со еден кристален топол ѕид (наречен PE1O8) опремен со повеќезонски систем за имплантација способен за обработка на подлоги од SiC до 200 mm. Овде, ги известуваме неговите перформанси на епитаксијата 4H-SiC од 150 mm, како и прелиминарните резултати на епиваферите од 200 mm.

Резултати и дискусија

PE1O8 е целосно автоматизиран систем од касета до касета дизајниран да обработува наполитанки SiC до 200 mm. Форматот може да се смени помеѓу 150 и 200 mm, минимизирајќи го времето на работа на алатката. Намалувањето на фазите на загревање ја зголемува продуктивноста, додека автоматизацијата ја намалува работната сила и го подобрува квалитетот и повторливоста. За да се обезбеди ефикасен и економичен процес на епитаксијата, пријавени се три главни фактори: 1) брз процес, 2) висока униформност на дебелината и допингот, 3) минимизирано формирање на дефекти за време на процесот на епитаксијата. Во PE1O8, малата маса на графит и автоматизираниот систем за товарење/растовар овозможуваат стандардното возење да се заврши за помалку од 75 минути (стандардниот рецепт за Шотки диоди од 10 μm користи стапка на раст од 30 μm/h). Автоматизираниот систем овозможува утовар/растовар при високи температури. Како резултат на тоа, времето на загревање и ладење е кратко, додека веќе се потиснува чекорот на печење. Ваквите идеални услови овозможуваат раст на вистински непреработен материјал.

Компактноста на опремата и нејзиниот триканален систем за вбризгување резултираат со разновиден систем со високи перформанси и при допинг и униформност на дебелината. Ова беше изведено со помош на симулации за пресметковна динамика на флуиди (CFD) за да се обезбеди споредлив проток на гас и рамномерност на температурата за формати на подлогата од 150 mm и 200 mm. Како што е прикажано на слика 1, овој нов систем за вбризгување испорачува гас подеднакво во централните и страничните делови на комората за таложење. Системот за мешање гас овозможува варијација на локално дистрибуираната хемија на гасот, дополнително проширувајќи го бројот на прилагодливи параметри на процесот за да се оптимизира епитаксијалниот раст.

Слика 1 Симулирана големина на брзината на гасот (горе) и температура на гасот (долу) во процесната комора PE1O8 на рамнина лоцирана на 10 mm над подлогата.

Други карактеристики вклучуваат подобрен систем за ротација на гас кој користи алгоритам за контрола на повратни информации за да ги изедначи перформансите и директно да ја мери брзината на ротација, како и нова генерација на PID за контрола на температурата. Параметри на процесот на епитаксијата. Процесот на епитаксијален раст од n-тип 4H-SiC беше развиен во прототип комора. Трихлоросилан и етилен биле користени како прекурсори за атоми на силициум и јаглерод; H2 се користеше како носечки гас, а азот се користеше за допинг од n-тип. Комерцијални подлоги од 150 мм SiC со површина од Si и подлоги за SiC од 200 мм за истражувачка класа беа користени за одгледување на 4H-SiC епислој со дебелина од 6,5 μm 1×1016 cm-3 n-допирани. Површината на подлогата беше гравирана на самото место со користење на проток H2 на покачена температура. По овој чекор на офорт, се одгледуваше тампон слој од n-тип со користење на ниска стапка на раст и низок сооднос C/Si за да се подготви слој за измазнување. На врвот на овој тампон слој, активен слој со висока стапка на раст (30μm/h) беше депониран со користење на повисок сооднос C/Si. Развиениот процес потоа беше префрлен во реактор PE1O8 инсталиран во шведскиот објект на ST. Слични параметри на процесот и дистрибуција на гас беа користени за примероци од 150 mm и 200 mm. Финото прилагодување на параметрите за раст беше одложено за идни студии поради ограничениот број на достапни подлоги од 200 mm.

Очигледната дебелина и допинг перформансите на примероците беа оценети со FTIR и CV жива сонда, соодветно. Површинската морфологија беше испитана со микроскопија на Номарски диференцијална интерференцијална контраст (NDIC), а густината на дефектот на епислојите беше измерена со Candela. Прелиминарните резултати. Прелиминарните резултати од допингот и униформноста на дебелината од 150 mm и 200 mm епитаксијално израснати примероци обработени во комората за прототип се прикажани на слика 2. Епислоевите растеа рамномерно по површината на подлогите од 150 mm и 200 mm, со варијации на дебелината (σ/средна ) дури 0,4% и 1,4%, соодветно, и допинг варијации (σ-средно) дури 1,1% и 5,6%. Внатрешните вредности на допинг беа приближно 1×1014 cm-3.

Слика 2 Дебелина и допинг профили од 200 mm и 150 mm епивафери.

Повторливоста на процесот беше испитана со споредување на варијации од трчање до трчање, што резултираше со варијации во дебелината на ниско ниво од 0,7% и варијации на допинг до 3,1%. Како што е прикажано на слика 3, новите резултати од процесот од 200 mm се споредливи со најсовремените резултати претходно добиени на 150 mm од реактор PE1O6.

Слика 3.

Во однос на површинската морфологија на примероците, NDIC микроскопијата потврди мазна површина со грубост под опсегот на микроскопот што може да се открие. Резултати од PE1O8. Процесот потоа беше префрлен во реактор PE1O8. Дебелината и униформноста на допингот на епиваферите од 200 mm се прикажани на Слика 4. Епислоевите растат рамномерно долж површината на подлогата со дебелина и допинг варијации (σ/средно) до 2,1% и 3,3%, соодветно.

Слика 4 Дебелина и допинг профил на епивафер од 200 mm во реактор PE1O8.

За да се испита густината на дефектот на епитаксијално одгледуваните наполитанки, користена е кандела. Како што е прикажано на сликата. Вкупните густини на дефекти од 5, дури 1,43 cm-2 и 3,06 cm-2 беа постигнати на примероците од 150 mm и 200 mm, соодветно. Затоа, вкупната достапна површина (TUA) по епитаксијата беше пресметана да биде 97% и 92% за примероците од 150mm и 200mm, соодветно. Вреди да се спомене дека овие резултати беа постигнати само по неколку трки и може дополнително да се подобрат со фино прилагодување на параметрите на процесот.

Слика 5 Карти на дефекти на Кандела од 6μm дебели 200mm (лево) и 150mm (десно) епивафери одгледувани со PE1O8.

Заклучок

Овој труд го претставува новодизајнираниот CVD реактор со топол ѕид PE1O8 и неговата способност да врши униформа 4H-SiC епитаксија на подлоги од 200 mm. Прелиминарните резултати на 200 mm се многу ветувачки, со варијации во дебелината од 2,1% низ површината на примерокот и варијации на перформансите на допинг до 3,3% низ површината на примерокот. TUA по епитаксијата беше пресметано да биде 97% и 92% за примероците од 150mm и 200mm, соодветно, а TUA за 200mm се предвидува да се подобри во иднина со повисок квалитет на подлогата. Имајќи предвид дека резултатите на подлогите од 200 mm пријавени овде се засноваат на неколку групи тестови, веруваме дека ќе биде можно дополнително да се подобрат резултатите, кои се веќе блиску до најсовремените резултати на примероците од 150 mm, со фино подесување на параметрите за раст.