Ang 200mm SiC epitaxial na teknolohiya ng LPE ng Italy ay pag-unlad

Panimula

Ang SiC ay higit na mataas kaysa sa Si sa maraming mga aplikasyon dahil sa mga superyor na elektronikong katangian nito tulad ng mataas na temperatura na katatagan, malawak na bandgap, mataas na pagkasira ng lakas ng electric field, at mataas na thermal conductivity. Sa ngayon, ang pagkakaroon ng mga electric vehicle traction system ay makabuluhang napabuti dahil sa mas mataas na bilis ng paglipat, mas mataas na temperatura ng pagpapatakbo, at mas mababang thermal resistance ng SiC metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs). Ang merkado para sa SiC-based na mga power device ay napakabilis na lumago sa nakalipas na ilang taon; samakatuwid, ang pangangailangan para sa mataas na kalidad, walang depekto, at pare-parehong SiC na materyales ay tumaas.

Sa nakalipas na ilang dekada, nagawa ng mga supplier ng substrate ng 4H-SiC na palakihin ang mga diameter ng wafer mula 2 pulgada hanggang 150 mm (pinapanatili ang parehong kalidad ng kristal). Sa ngayon, ang pangunahing laki ng wafer para sa mga SiC device ay 150 mm, at upang mabawasan ang gastos sa produksyon sa bawat unit device, ang ilang mga tagagawa ng device ay nasa mga unang yugto ng pagtatatag ng 200 mm na mga fab. Upang makamit ang layuning ito, bilang karagdagan sa pangangailangan para sa 200 mm SiC wafer na magagamit sa komersyo, ang kakayahang magsagawa ng pare-parehong SiC epitaxy ay lubos na ninanais. Samakatuwid, pagkatapos makakuha ng magandang kalidad na 200 mm SiC substrates, ang susunod na hamon ay ang magsagawa ng mataas na kalidad na paglaki ng epitaxial sa mga substrate na ito. Ang LPE ay nagdisenyo at nagtayo ng isang pahalang na solong kristal na hot-wall na ganap na awtomatiko na CVD reactor (pinangalanang PE1O8) na nilagyan ng multi-zone implantation system na may kakayahang magproseso ng hanggang 200mm SiC substrates. Dito, iniuulat namin ang pagganap nito sa 150mm 4H-SiC epitaxy pati na rin ang mga paunang resulta sa 200mm epiwafers.

Resulta at diskusyon

Ang PE1O8 ay isang ganap na automated na cassette-to-cassette system na idinisenyo upang magproseso ng hanggang 200mm SiC wafers. Maaaring ilipat ang format sa pagitan ng 150 at 200mm, na pinapaliit ang downtime ng tool. Ang pagbabawas ng mga yugto ng pag-init ay nagpapataas ng produktibidad, habang ang automation ay nagpapababa ng paggawa at nagpapabuti ng kalidad at pag-uulit. Upang matiyak ang isang mahusay at cost-competitive na proseso ng epitaxy, tatlong pangunahing salik ang iniuulat: 1) mabilis na proseso, 2) mataas na pagkakapareho ng kapal at doping, 3) pinaliit ang pagbuo ng depekto sa panahon ng proseso ng epitaxy. Sa PE1O8, ang maliit na graphite mass at ang automated loading/unloading system ay nagbibigay-daan sa isang standard run na makumpleto nang wala pang 75 minuto (isang karaniwang 10μm Schottky diode recipe ay gumagamit ng growth rate na 30μm/h). Ang automated system ay nagbibigay-daan sa pag-load/pag-unload sa mataas na temperatura. Bilang resulta, ang parehong oras ng pag-init at paglamig ay maikli, habang pinipigilan na ang hakbang sa pagluluto. Ang ganitong mga perpektong kondisyon ay nagbibigay-daan sa paglaki ng tunay na undoped na materyal.

Ang pagiging compact ng kagamitan at ang three-channel injection system nito ay nagreresulta sa isang versatile system na may mataas na performance sa parehong doping at pagkakapareho ng kapal. Ginawa ito gamit ang mga simulation ng computational fluid dynamics (CFD) upang matiyak ang maihahambing na daloy ng gas at pagkakapareho ng temperatura para sa 150 mm at 200 mm na mga format ng substrate. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1, ang bagong sistema ng pag-iniksyon na ito ay naghahatid ng gas nang pantay-pantay sa gitna at gilid na mga bahagi ng silid ng deposition. Ang sistema ng paghahalo ng gas ay nagbibigay-daan sa pagkakaiba-iba ng kimika ng gas na ipinamahagi sa lokal, na higit pang pagpapalawak ng bilang ng mga nababagay na parameter ng proseso upang ma-optimize ang paglaki ng epitaxial.

Figure 1 Simulated gas velocity magnitude (itaas) at gas temperature (ibaba) sa PE1O8 process chamber sa isang eroplanong matatagpuan 10 mm sa itaas ng substrate.

Kasama sa iba pang mga feature ang isang pinahusay na sistema ng pag-ikot ng gas na gumagamit ng feedback control algorithm upang pakinisin ang pagganap at direktang sukatin ang bilis ng pag-ikot, at isang bagong henerasyon ng PID para sa pagkontrol sa temperatura. Mga parameter ng proseso ng epitaxy. Ang isang n-type na 4H-SiC epitaxial growth na proseso ay binuo sa isang prototype chamber. Ginamit ang trichlorosilane at ethylene bilang mga precursor para sa silicon at carbon atoms; Ang H2 ay ginamit bilang carrier gas at nitrogen ay ginamit para sa n-type na doping. Si-faced commercial 150mm SiC substrates at research-grade 200mm SiC substrates ay ginamit para palaguin ang 6.5μm na kapal na 1×1016cm-3 n-doped 4H-SiC epilayers. Ang ibabaw ng substrate ay nakaukit sa lugar gamit ang isang daloy ng H2 sa mataas na temperatura. Pagkatapos ng hakbang na ito ng pag-ukit, ang isang n-type na buffer layer ay pinalago gamit ang isang mababang rate ng paglago at isang mababang C/Si ratio upang maghanda ng isang smoothing layer. Sa ibabaw ng buffer layer na ito, isang aktibong layer na may mataas na rate ng paglago (30μm/h) ay idineposito gamit ang mas mataas na C/Si ratio. Ang nabuong proseso ay inilipat sa isang PE1O8 reactor na naka-install sa pasilidad ng ST's Swedish. Ang mga katulad na parameter ng proseso at pamamahagi ng gas ay ginamit para sa 150mm at 200mm na mga sample. Ang pinong pag-tune ng mga parameter ng paglago ay ipinagpaliban sa mga pag-aaral sa hinaharap dahil sa limitadong bilang ng magagamit na 200 mm na mga substrate.

Ang maliwanag na kapal at pagganap ng doping ng mga sample ay nasuri ng FTIR at CV mercury probe, ayon sa pagkakabanggit. Ang morpolohiya sa ibabaw ay sinisiyasat ng Nomarski differential interference contrast (NDIC) microscopy, at ang depektong density ng mga epilayer ay sinukat ng Candela. Mga paunang resulta. Ang mga paunang resulta ng doping at pagkakapareho ng kapal ng 150 mm at 200 mm na epitaxially grown na mga sample na naproseso sa prototype chamber ay ipinapakita sa Figure 2. Ang mga epilayer ay lumago nang pantay-pantay sa ibabaw ng 150 mm at 200 mm na mga substrate, na may mga pagkakaiba-iba ng kapal (σ/mean). ) kasing baba ng 0.4% at 1.4%, ayon sa pagkakabanggit, at mga pagkakaiba-iba ng doping (σ-mean) na kasingbaba ng 1.1% at 5.6%. Ang mga halaga ng intrinsic doping ay humigit-kumulang 1×1014 cm-3.

Figure 2 Mga profile ng kapal at doping ng 200 mm at 150 mm na mga epiwafer.

Ang pag-uulit ng proseso ay sinisiyasat sa pamamagitan ng paghahambing ng mga run-to-run na variation, na nagreresulta sa mga variation ng kapal na kasing baba ng 0.7% at mga variation ng doping na kasing baba ng 3.1%. Gaya ng ipinapakita sa Figure 3, ang mga bagong 200mm na resulta ng proseso ay maihahambing sa mga makabagong resulta na dating nakuha sa 150mm ng isang PE1O6 reactor.

Figure 3 Layer-by-layer na kapal at pagkakapareho ng doping ng isang 200mm sample na naproseso ng isang prototype chamber (itaas) at isang makabagong 150mm na sample na gawa ng PE1O6 (ibaba).

Tungkol sa morpolohiya sa ibabaw ng mga sample, kinumpirma ng NDIC microscopy ang isang makinis na ibabaw na may pagkamagaspang sa ibaba ng nakikitang saklaw ng mikroskopyo. Mga resulta ng PE1O8. Ang proseso ay pagkatapos ay inilipat sa isang PE1O8 reactor. Ang kapal at pagkakapareho ng doping ng 200mm epiwafers ay ipinapakita sa Figure 4. Ang mga epilayer ay pantay na lumalaki sa ibabaw ng substrate na may kapal at mga pagkakaiba-iba ng doping (σ/mean) na kasingbaba ng 2.1% at 3.3%, ayon sa pagkakabanggit.

Figure 4 Kapal at doping profile ng isang 200mm epiwafer sa isang PE1O8 reactor.

Upang siyasatin ang depekto ng density ng epitaxially grown wafers, ginamit ang candela. Gaya ng ipinapakita sa figure. Ang kabuuang densidad ng depekto na 5 kasingbaba ng 1.43 cm-2 at 3.06 cm-2 ay nakamit sa 150mm at 200mm na mga sample, ayon sa pagkakabanggit. Ang kabuuang magagamit na lugar (TUA) pagkatapos ng epitaxy ay samakatuwid ay kinakalkula na 97% at 92% para sa 150mm at 200mm na mga sample, ayon sa pagkakabanggit. Ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit na ang mga resultang ito ay nakamit lamang pagkatapos ng ilang mga pagtakbo at maaari pang mapabuti sa pamamagitan ng pagpino sa mga parameter ng proseso.

Figure 5 Mga mapa ng depekto ng Candela na may kapal na 6μm na 200mm (kaliwa) at 150mm (kanan) na mga epiwafer na lumaki gamit ang PE1O8.

Konklusyon

Inilalahad ng papel na ito ang bagong idinisenyong PE1O8 hot-wall CVD reactor at ang kakayahan nitong magsagawa ng pare-parehong 4H-SiC epitaxy sa 200mm na mga substrate. Ang mga paunang resulta sa 200mm ay napaka-promising, na may mga variation sa kapal na kasing baba ng 2.1% sa sample surface at doping performance variation na kasingbaba ng 3.3% sa sample surface. Ang TUA pagkatapos ng epitaxy ay kinakalkula na 97% at 92% para sa 150mm at 200mm na mga sample, ayon sa pagkakabanggit, at ang TUA para sa 200mm ay hinuhulaan na mapabuti sa hinaharap na may mas mataas na kalidad ng substrate. Isinasaalang-alang na ang mga resulta sa 200mm na mga substrate na iniulat dito ay batay sa ilang hanay ng mga pagsubok, naniniwala kami na posibleng higit pang mapabuti ang mga resulta, na malapit na sa mga makabagong resulta sa 150mm na mga sample, sa pamamagitan ng fine-tune ang mga parameter ng paglago.