Напредак италијански ЛПЕ епитаксијалне технологије од 200 мм СиЦ

Увод

СиЦ је супериорнији од Си у многим применама због својих супериорних електронских својстава као што су стабилност на високој температури, широки појас, велика јачина електричног поља при пробоју и висока топлотна проводљивост. Данас се доступност система за вучу електричних возила значајно побољшава захваљујући већим брзинама пребацивања, вишим радним температурама и нижем топлотном отпору СиЦ метал-оксидних полупроводничких транзистора са ефектом поља (МОСФЕТ). Тржиште енергетских уређаја заснованих на СиЦ-у је веома брзо расло у последњих неколико година; стога је повећана потражња за висококвалитетним, без дефекта и уједначеним СиЦ материјалима.

Током последњих неколико деценија, добављачи 4Х-СиЦ супстрата били су у могућности да повећају пречнике плочице са 2 инча на 150 мм (одржавајући исти квалитет кристала). Данас је главна величина плочице за СиЦ уређаје 150 мм, а како би се смањили трошкови производње по јединици уређаја, неки произвођачи уређаја су у раним фазама успостављања фабрика од 200 мм. Да би се постигао овај циљ, поред потребе за комерцијално доступним 200 мм СиЦ плочицама, веома је пожељна и способност да се изврши једнолична СиЦ епитаксија. Стога, након добијања квалитетних 200 мм СиЦ супстрата, следећи изазов ће бити да се изврши висококвалитетни епитаксијални раст на овим подлогама. ЛПЕ је дизајнирао и изградио хоризонтални монокристални потпуно аутоматизовани ЦВД реактор са врућим зидом (назван ПЕ1О8) опремљен вишезонским имплантационим системом који може да обради до 200 мм СиЦ супстрата. Овде извештавамо о његовим перформансама на 150 мм 4Х-СиЦ епитаксији, као и прелиминарне резултате на епиваферима од 200 мм.

Резултати и дискусија

ПЕ1О8 је потпуно аутоматизован систем од касете до касете дизајниран за обраду до 200 мм СиЦ плочица. Формат се може мењати између 150 и 200 мм, што смањује време застоја алата. Смањење степена грејања повећава продуктивност, док аутоматизација смањује рад и побољшава квалитет и поновљивост. Да би се обезбедио ефикасан и економичан процес епитаксије, наводе се три главна фактора: 1) брз процес, 2) висока униформност дебљине и допинга, 3) минимизирано формирање дефеката током процеса епитаксије. У ПЕ1О8, мала графитна маса и аутоматизовани систем за утовар/истовар омогућавају да се стандардни рад заврши за мање од 75 минута (стандардни рецепт Шотки диоде од 10 μм користи стопу раста од 30 μм/х). Аутоматизовани систем омогућава утовар/истовар на високим температурама. Као резултат, време загревања и хлађења је кратко, док се корак печења већ потискује. Такви идеални услови омогућавају раст заиста недопираног материјала.

Компактност опреме и њен троканални систем за убризгавање резултирају разноврсним системом са високим перформансама како у допингу тако и уједначености дебљине. Ово је изведено коришћењем симулација рачунарске динамике флуида (ЦФД) да би се обезбедила упоредива уједначеност протока гаса и температуре за формате супстрата од 150 мм и 200 мм. Као што је приказано на слици 1, овај нови систем за убризгавање равномерно испоручује гас у централним и бочним деловима коморе за таложење. Систем за мешање гаса омогућава варијацију локално дистрибуиране хемије гаса, додатно проширујући број подесивих параметара процеса ради оптимизације епитаксијалног раста.

Слика 1 Симулирана величина брзине гаса (горе) и температура гаса (доле) у процесној комори ПЕ1О8 у равни која се налази 10 мм изнад подлоге.

Остале карактеристике укључују побољшани систем ротације гаса који користи алгоритам за контролу повратне спреге да углади перформансе и директно мери брзину ротације, као и нову генерацију ПИД-а за контролу температуре. Параметри процеса епитаксије. Процес епитаксијалног раста н-типа 4Х-СиЦ развијен је у прототипској комори. Трихлоросилан и етилен су коришћени као прекурсори за атоме силицијума и угљеника; Х2 је коришћен као гас носач, а азот је коришћен за допирање н-типа. Комерцијални 150 мм СиЦ супстрати са СиЦ и истраживачки 200 мм СиЦ супстрати су коришћени за узгој 6,5 μм дебелих 1 × 1016 цм-3 н-допираних 4Х-СиЦ епислојева. Површина супстрата је урезана ин ситу помоћу протока Х2 на повишеној температури. После овог корака јеткања, пуферски слој н-типа је узгајан коришћењем ниске стопе раста и ниског Ц/Си односа да би се припремио слој за изравнавање. На врху овог пуферског слоја, активни слој са високом стопом раста (30 μм/х) је депонован коришћењем већег Ц/Си односа. Развијени процес је затим пребачен у ПЕ1О8 реактор инсталиран у СТ-овом шведском постројењу. Слични параметри процеса и дистрибуција гаса коришћени су за узорке од 150 мм и 200 мм. Фино подешавање параметара раста је одложено за будућа истраживања због ограниченог броја доступних супстрата од 200 мм.

Привидна дебљина и учинак допинга узорака су процењени помоћу ФТИР и ЦВ живине сонде, респективно. Морфологија површине је испитивана микроскопијом Номарског диференцијалног интерференцијалног контраста (НДИЦ), а густина дефекта епислоја мерена је помоћу Цандела. Прелиминарни резултати. Прелиминарни резултати допинга и уједначености дебљине епитаксијално узгојених узорака од 150 мм и 200 мм обрађених у прототипској комори приказани су на слици 2. Епиларни слојеви су равномерно расли дуж површине подлоге од 150 мм и 200 мм, са варијацијама дебљине (σ/средња вредност ) само 0,4% и 1,4%, респективно, а варијације допинга (σ-средња вредност) само 1,1% и 5,6%. Интринзичне вредности допинга су биле приближно 1×1014 цм-3.

Слика 2. Профили дебљине и допинга епивафера од 200 мм и 150 мм.

Поновљивост процеса је испитана упоређивањем варијација од једног до другог, што је резултирало варијацијама дебљине од чак 0,7% и варијацијама допинга од чак 3,1%. Као што је приказано на слици 3, нови резултати процеса од 200 мм су упоредиви са најсавременијим резултатима који су претходно добијени на 150 мм у ПЕ1О6 реактору.

Слика 3 Дебљина слоја по слој и униформност допинга узорка од 200 мм обрађеног у комори за прототип (горе) и најсавременијег узорка од 150 мм произведеног од ПЕ1О6 (доле).

Што се тиче морфологије површине узорака, НДИЦ микроскопија је потврдила глатку површину са храпавостом испод опсега који се може детектовати микроскопом. ПЕ1О8 резултати. Процес је затим пребачен у ПЕ1О8 реактор. Дебљина и уједначеност допинга епивафера од 200 мм приказани су на слици 4. Епислојеви равномерно расту дуж површине супстрата са варијацијама дебљине и допинга (σ/средња вредност) од чак 2,1% и 3,3%, респективно.

Слика 4. Дебљина и профил допинга епивафера од 200 мм у ПЕ1О8 реактору.

За испитивање густине дефекта епитаксијално узгојених плочица коришћена је кандела. Као што је приказано на слици. Укупне густине дефеката од 5 су чак 1,43 цм-2 и 3,06 цм-2 постигнуте на узорцима од 150 мм и 200 мм, респективно. Укупна расположива површина (ТУА) након епитаксије је стога израчуната на 97% и 92% за узорке од 150 мм и 200 мм, респективно. Вреди напоменути да су ови резултати постигнути тек након неколико покретања и да се могу даље побољшати финим подешавањем параметара процеса.

Слика 5 Цандела мапе дефекта епивафера од 6 μм дебљине 200 мм (лево) и 150 мм (десно) узгојених са ПЕ1О8.

Закључак

Овај рад представља новодизајнирани ПЕ1О8 ЦВД реактор са врућим зидом и његову способност да изврши униформну 4Х-СиЦ епитаксију на подлогама од 200 мм. Прелиминарни резултати на 200 мм су веома обећавајући, са варијацијама дебљине од чак 2,1% на површини узорка и варијацијама перформанси допинга од чак 3,3% на површини узорка. Израчунато је да ТУА након епитаксије износи 97% и 92% за узорке од 150 мм и 200 мм, а предвиђа се да ће се ТУА за 200 мм побољшати у будућности са вишим квалитетом подлоге. С обзиром да су резултати на подлогама од 200 мм који су овде наведени засновани на неколико сетова тестова, верујемо да ће бити могуће додатно побољшати резултате, који су већ близу најсавременијих резултата на узорцима од 150 мм, фино подешавање параметара раста.