Италияның LPE 200 мм SiC эпитаксиалды технологиясының прогрессі

Кіріспе

SiC жоғары температура тұрақтылығы, кең жолақ аралығы, ыдырау электр өрісінің жоғары күші және жоғары жылу өткізгіштік сияқты жоғары электрондық қасиеттеріне байланысты көптеген қолданбаларда Si-ден жоғары. Бүгінгі таңда электрлік көліктердің тартқыш жүйелерінің қолжетімділігі жоғары ауысу жылдамдығына, жоғары жұмыс температурасына және SiC металл оксиді жартылай өткізгіш өрістік әсер транзисторларының (MOSFETs) төмен жылу кедергісіне байланысты айтарлықтай жақсаруда. SiC негізіндегі қуат құрылғыларының нарығы соңғы бірнеше жылда өте жылдам өсті; сондықтан жоғары сапалы, ақаусыз және біркелкі SiC материалдарына сұраныс артты.

Соңғы бірнеше онжылдықта 4H-SiC субстрат жеткізушілері пластинаның диаметрін 2 дюймден 150 мм-ге дейін үлкейте алды (бірдей кристалдық сапасын сақтай отырып). Бүгінгі таңда SiC құрылғылары үшін негізгі пластинаның өлшемі 150 мм құрайды және бір құрылғының өндіріс құнын төмендету үшін кейбір құрылғылар өндірушілері 200 мм фабтарды құрудың бастапқы сатысында. Осы мақсатқа жету үшін коммерциялық қол жетімді 200 мм SiC пластинкаларына қажеттіліктен басқа, біркелкі SiC эпитаксисін орындау мүмкіндігі де өте қажет. Сондықтан, жақсы сапалы 200 мм SiC субстраттарын алғаннан кейін, келесі мәселе осы субстраттарда жоғары сапалы эпитаксиалды өсуді орындау болады. LPE 200 мм SiC субстраттарына дейін өңдеуге қабілетті көп аймақты имплантация жүйесімен жабдықталған көлденең монокристалды ыстық қабырғалы толық автоматтандырылған CVD реакторын (PE1O8 деп аталады) жобалады және жасады. Мұнда біз оның 150 мм 4H-SiC эпитаксисіндегі өнімділігін, сондай-ақ 200 мм эпиваферлердегі алдын ала нәтижелерін хабарлаймыз.

Нәтижелер мен пікірталас

PE1O8 - 200 мм SiC пластинкаларын өңдеуге арналған толық автоматтандырылған кассетадан кассетаға дейінгі жүйе. Пішімді 150 және 200 мм арасында ауыстыруға болады, бұл құралдың тоқтап қалуын азайтады. Жылыту кезеңдерін қысқарту өнімділікті арттырады, ал автоматтандыру жұмыс күшін азайтады және сапаны және қайталануды жақсартады. Тиімді және бәсекеге қабілетті эпитаксистік процесті қамтамасыз ету үшін үш негізгі фактор хабарланады: 1) жылдам процесс, 2) қалыңдық пен легирлеудің жоғары біркелкілігі, 3) эпитаксистік процесс кезінде ақаулардың пайда болуын азайту. PE1O8-де шағын графит массасы және автоматтандырылған тиеу/түсіру жүйесі стандартты жұмысты 75 минуттан аз уақыт ішінде аяқтауға мүмкіндік береді (стандартты 10 мкм Шоттки диодының рецепті 30 мкм/сағ өсу жылдамдығын пайдаланады). Автоматтандырылған жүйе жоғары температурада тиеуге/түсіруге мүмкіндік береді. Нәтижесінде қыздыру және салқындату уақыттары қысқа, сонымен бірге пісіру қадамын басады. Мұндай тамаша жағдайлар шынымен қосылмаған материалдың өсуіне мүмкіндік береді.

Жабдықтың жинақылығы және оның үш арналы бүрку жүйесі қоспалау және қалыңдық біркелкілігінде жоғары өнімділігі бар әмбебап жүйені береді. Бұл 150 мм және 200 мм субстрат пішімдері үшін салыстырмалы газ ағыны мен температураның біркелкілігін қамтамасыз ету үшін есептеу сұйықтығының динамикасын (CFD) модельдеу арқылы орындалды. 1-суретте көрсетілгендей, бұл жаңа айдау жүйесі тұндыру камерасының орталық және бүйір бөліктерінде газды біркелкі береді. Газ араластыру жүйесі эпитаксиалды өсуді оңтайландыру үшін реттелетін процесс параметрлерінің санын одан әрі кеңейте отырып, жергілікті таралған газ химиясын өзгертуге мүмкіндік береді.

1-сурет Субстрат үстінде 10 мм орналасқан жазықтықта PE1O8 технологиялық камерасындағы имитациялық газ жылдамдығының шамасы (жоғарғы) және газ температурасы (төменгі).

Басқа мүмкіндіктерге өнімділікті тегістеу және айналу жылдамдығын тікелей өлшеу үшін кері байланысты басқару алгоритмін пайдаланатын жақсартылған газды айналдыру жүйесі және температураны бақылауға арналған PID жаңа буыны кіреді. Эпитаксия процесінің параметрлері. Прототиптік камерада n-типті 4H-SiC эпитаксиалды өсу процесі әзірленді. Трихлоросилан және этилен кремний мен көміртек атомдарының прекурсорлары ретінде пайдаланылды; Тасымалдаушы газ ретінде Н2, ал азот n-типті қоспалау үшін пайдаланылды. 6,5 мкм қалыңдықтағы 1×1016 см-3 n-қосылмалы 4H-SiC эпилайерлерін өсіру үшін Si беті бар коммерциялық 150 мм SiC субстраттары және зерттеуге арналған 200 мм SiC субстраттары пайдаланылды. Субстрат беті жоғары температурада H2 ағыны арқылы in situ өңделген. Осы өңдеу қадамынан кейін тегістеу қабатын дайындау үшін төмен өсу жылдамдығы мен төмен C/Si қатынасын пайдаланып n-типті буферлік қабат өсірілді. Осы буферлік қабаттың үстіне жоғары өсу жылдамдығы (30 мкм/сағ) бар белсенді қабат жоғарырақ C/Si қатынасы арқылы қойылды. Содан кейін әзірленген процесс ST шведтік қондырғысында орнатылған PE1O8 реакторына ауыстырылды. Ұқсас процесс параметрлері мен газды бөлу 150 мм және 200 мм үлгілер үшін қолданылды. Өсу параметрлерін дәл баптау қол жетімді 200 мм субстраттардың шектеулі санына байланысты болашақ зерттеулерге кейінге қалдырылды.

Үлгілердің көрінетін қалыңдығы мен қоспалау өнімділігі сәйкесінше FTIR және CV сынап зондымен бағаланды. Бетінің морфологиясы Номарски дифференциалды интерференциялық контраст (NDIC) микроскопиясы арқылы зерттелді, ал эпилайрлардың ақаулық тығыздығы Кандела арқылы өлшенді. Алдын ала нәтижелер. Тәжірибелік камерада өңделген 150 мм және 200 мм эпитаксистік өсірілген үлгілердің қоспалау және қалыңдығының біркелкілігінің алдын ала нәтижелері 2-суретте көрсетілген. Эпилайерлер 150 мм және 200 мм астарлардың бетінде біркелкі өсті, қалыңдығының ауытқулары (σ/орташа) ) тиісінше 0,4% және 1,4%, ал допингтік ауытқулар (σ-орташа) 1,1% және 5,6% дейін төмен. Ішкі допинг мәндері шамамен 1×1014 см-3 болды.

2-сурет 200 мм және 150 мм эпиваферлердің қалыңдығы мен қоспа профильдері.

Процестің қайталану мүмкіндігі жүгіруден-жүруге дейінгі вариацияларды салыстыру арқылы зерттелді, нәтижесінде қалыңдығы 0,7%-ға дейін аз және 3,1%-ға дейін легирленген вариациялар болды. 3-суретте көрсетілгендей, 200 мм жаңа технологиялық нәтижелер бұрын PE1O6 реакторы арқылы 150 мм-де алынған заманауи нәтижелермен салыстыруға болады.

3-сурет Прототиптік камерамен (жоғарғы) өңделген 200 мм үлгінің қабат-қабат қалыңдығы және қоспалау біркелкілігі және PE1O6 (төменгі) арқылы жасалған соңғы үлгідегі 150 мм үлгі.

Үлгілердің беткі морфологиясына келетін болсақ, NDIC микроскопиясы микроскоптың анықталатын диапазонынан төмен кедір-бұдыры бар тегіс бетті растады. PE1O8 нәтижелері. Содан кейін процесс PE1O8 реакторына ауыстырылды. 200 мм эпиваферлердің қалыңдығы мен қоспалау біркелкілігі 4-суретте көрсетілген. Эпилайерлер қалыңдығы мен қоспалау өзгерістерімен (σ/орташа) сәйкесінше 2,1% және 3,3% төмен болатын субстрат беті бойымен біркелкі өседі.

4-сурет PE1O8 реакторындағы 200 мм эпивафердің қалыңдығы мен қоспалау профилі.

Эпитаксистік өсірілген пластинаның ақау тығыздығын зерттеу үшін кандела қолданылды. Суретте көрсетілгендей. 150 мм және 200 мм үлгілерде сәйкесінше кем дегенде 5 кем 1,43 см-2 және 3,06 см-2 ақаулардың жалпы тығыздығына қол жеткізілді. Демек, эпитаксиядан кейінгі жалпы қолжетімді аумақ (TUA) 150 мм және 200 мм үлгілер үшін сәйкесінше 97% және 92% болып есептелді. Айта кету керек, бұл нәтижелерге бірнеше жүгіруден кейін ғана қол жеткізілді және оларды процесс параметрлерін дәл баптау арқылы одан әрі жақсартуға болады.

5-сурет PE1O8 көмегімен өсірілген қалыңдығы 6 мкм 200 мм (сол жақта) және 150 мм (оң жақта) эпиваферлердің Candela ақауларының карталары.

Қорытынды

Бұл мақалада жаңадан жасалған PE1O8 ыстық қабырғалы CVD реакторы және оның 200 мм субстраттарда біркелкі 4H-SiC эпитаксисін орындау мүмкіндігі берілген. 200 мм бойынша алдын ала нәтижелер өте перспективалы, қалыңдығының ауытқулары үлгі бетінде 2,1%-ға дейін, ал қоспалау өнімділігі үлгі бетінде 3,3%-ға дейін төмен. Эпитаксиядан кейінгі TUA сәйкесінше 150 мм және 200 мм үлгілер үшін 97% және 92% деп есептелді, ал 200 мм үшін TUA болашақта субстрат сапасы жоғарырақ жақсарады деп болжануда. Мұнда келтірілген 200 мм субстраттардағы нәтижелер бірнеше сынақ жиынына негізделгенін ескере отырып, біз 150 мм үлгілердегі соңғы нәтижелерге жақын нәтижелерді одан әрі жақсартуға болады деп сенеміз. өсу параметрлерін дәл баптау.