Πρόοδος τεχνολογίας επιταξιακής τεχνολογίας LPE της Ιταλίας 200 mm SiC

Εισαγωγή

Το SiC είναι ανώτερο από το Si σε πολλές εφαρμογές λόγω των ανώτερων ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του, όπως η σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία, το μεγάλο διάκενο ζώνης, η υψηλή ένταση ηλεκτρικού πεδίου διάσπασης και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Σήμερα, η διαθεσιμότητα συστημάτων έλξης ηλεκτρικών οχημάτων βελτιώνεται σημαντικά λόγω των υψηλότερων ταχυτήτων μεταγωγής, των υψηλότερων θερμοκρασιών λειτουργίας και της χαμηλότερης θερμικής αντίστασης των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου ημιαγωγού οξειδίου μετάλλου SiC (MOSFET). Η αγορά των συσκευών ισχύος που βασίζονται σε SiC έχει αναπτυχθεί πολύ γρήγορα τα τελευταία χρόνια. Ως εκ τούτου, η ζήτηση για υψηλής ποιότητας, χωρίς ελαττώματα και ομοιόμορφα υλικά SiC έχει αυξηθεί.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι προμηθευτές υποστρώματος 4H-SiC μπόρεσαν να αυξήσουν τις διαμέτρους γκοφρέτας από 2 ίντσες σε 150 mm (διατηρώντας την ίδια ποιότητα κρυστάλλου). Σήμερα, το κύριο μέγεθος γκοφρέτας για συσκευές SiC είναι 150 mm και προκειμένου να μειωθεί το κόστος παραγωγής ανά μονάδα συσκευής, ορισμένοι κατασκευαστές συσκευών βρίσκονται στα αρχικά στάδια της δημιουργίας fabs 200 mm. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, εκτός από την ανάγκη για εμπορικά διαθέσιμες γκοφρέτες SiC 200 mm, είναι επίσης ιδιαίτερα επιθυμητή η δυνατότητα εκτέλεσης ομοιόμορφης επιτάξεως SiC. Επομένως, μετά την απόκτηση καλής ποιότητας υποστρωμάτων SiC 200 mm, η επόμενη πρόκληση θα είναι να πραγματοποιηθεί επιταξιακή ανάπτυξη υψηλής ποιότητας σε αυτά τα υποστρώματα. Η LPE έχει σχεδιάσει και κατασκευάσει έναν πλήρως αυτοματοποιημένο αντιδραστήρα CVD με μονοκρυστάλλο θερμού τοιχώματος (με το όνομα PE1O8) εξοπλισμένο με σύστημα εμφύτευσης πολλαπλών ζωνών ικανό να επεξεργάζεται υποστρώματα SiC έως 200 mm. Εδώ, αναφέρουμε την απόδοσή του σε επιταξία 150mm 4H-SiC καθώς και προκαταρκτικά αποτελέσματα σε epiwafers 200mm.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Το PE1O8 είναι ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα από κασέτα σε κασέτα σχεδιασμένο να επεξεργάζεται γκοφρέτες SiC έως 200 mm. Η μορφή μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ 150 και 200 ​​mm, ελαχιστοποιώντας το χρόνο διακοπής λειτουργίας του εργαλείου. Η μείωση των σταδίων θέρμανσης αυξάνει την παραγωγικότητα, ενώ ο αυτοματισμός μειώνει την εργασία και βελτιώνει την ποιότητα και την επαναληψιμότητα. Για να εξασφαλιστεί μια αποτελεσματική και ανταγωνιστική από πλευράς κόστους διαδικασία επιταξίας, αναφέρονται τρεις κύριοι παράγοντες: 1) γρήγορη διαδικασία, 2) υψηλή ομοιομορφία πάχους και ντόπινγκ, 3) ελαχιστοποιημένος σχηματισμός ελαττώματος κατά τη διαδικασία της επιταξίας. Στο PE1O8, η μικρή μάζα γραφίτη και το αυτοματοποιημένο σύστημα φόρτωσης/εκφόρτωσης επιτρέπουν την ολοκλήρωση μιας τυπικής διαδρομής σε λιγότερο από 75 λεπτά (μια τυπική συνταγή διόδου Schottky 10μm χρησιμοποιεί ρυθμό ανάπτυξης 30μm/h). Το αυτοματοποιημένο σύστημα επιτρέπει τη φόρτωση/εκφόρτωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Ως αποτέλεσμα, τόσο οι χρόνοι θέρμανσης όσο και ψύξης είναι σύντομοι, ενώ ήδη καταστέλλεται το βήμα ψησίματος. Τέτοιες ιδανικές συνθήκες επιτρέπουν την ανάπτυξη πραγματικά μη επιστρωμένου υλικού.

Η συμπαγής κατασκευή του εξοπλισμού και το σύστημα τριών καναλιών έγχυσης έχουν ως αποτέλεσμα ένα ευέλικτο σύστημα με υψηλή απόδοση τόσο στο ντόπινγκ όσο και στην ομοιομορφία πάχους. Αυτό πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (CFD) για να εξασφαλιστεί συγκρίσιμη ομοιομορφία ροής αερίου και θερμοκρασίας για μορφές υποστρώματος 150 mm και 200 ​​mm. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, αυτό το νέο σύστημα έγχυσης παρέχει αέριο ομοιόμορφα στο κεντρικό και πλευρικό τμήμα του θαλάμου εναπόθεσης. Το σύστημα ανάμιξης αερίων επιτρέπει τη μεταβολή της τοπικά κατανεμημένης χημείας αερίων, επεκτείνοντας περαιτέρω τον αριθμό των ρυθμιζόμενων παραμέτρων διεργασίας για τη βελτιστοποίηση της επιταξιακής ανάπτυξης.

Σχήμα 1 Προσομοίωση του μεγέθους της ταχύτητας του αερίου (πάνω) και της θερμοκρασίας του αερίου (κάτω) στον θάλαμο διεργασίας PE1O8 σε ένα επίπεδο που βρίσκεται 10 mm πάνω από το υπόστρωμα.

Άλλα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν ένα βελτιωμένο σύστημα περιστροφής αερίου που χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο ελέγχου ανάδρασης για την εξομάλυνση της απόδοσης και την άμεση μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής και μια νέα γενιά PID για έλεγχο θερμοκρασίας. Παράμετροι διαδικασίας επιταξίας. Μια διαδικασία επιταξιακής ανάπτυξης n-τύπου 4H-SiC αναπτύχθηκε σε έναν πρωτότυπο θάλαμο. Το τριχλωροσιλάνιο και το αιθυλένιο χρησιμοποιήθηκαν ως πρόδρομες ουσίες για άτομα πυριτίου και άνθρακα. Το Η2 χρησιμοποιήθηκε ως αέριο φορέας και το άζωτο χρησιμοποιήθηκε για ντόπινγκ τύπου n. Εμπορικά υποστρώματα SiC 150 χιλιοστών με όψη Si και υποστρώματα SiC 200 χιλιοστών έρευνας χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη επιστιβάδων 4H-SiC πάχους 6,5 μm 1×1016 cm-3 n-ντοπαρισμένων. Η επιφάνεια του υποστρώματος χαράχθηκε επί τόπου χρησιμοποιώντας ροή Η2 σε υψηλή θερμοκρασία. Μετά από αυτό το στάδιο χάραξης, ένα στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος τύπου η αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης και χαμηλό λόγο C/Si για να παρασκευαστεί ένα στρώμα εξομάλυνσης. Πάνω από αυτό το ρυθμιστικό στρώμα, ένα ενεργό στρώμα με υψηλό ρυθμό ανάπτυξης (30μm/h) εναποτέθηκε χρησιμοποιώντας υψηλότερο λόγο C/Si. Η διαδικασία που αναπτύχθηκε στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε έναν αντιδραστήρα PE1O8 που ήταν εγκατεστημένος στις σουηδικές εγκαταστάσεις της ST. Παρόμοιες παράμετροι διεργασίας και κατανομή αερίου χρησιμοποιήθηκαν για δείγματα 150mm και 200mm. Ο ακριβής συντονισμός των παραμέτρων ανάπτυξης αναβλήθηκε για μελλοντικές μελέτες λόγω του περιορισμένου αριθμού διαθέσιμων υποστρωμάτων 200 mm.

Το φαινομενικό πάχος και η απόδοση ντόπινγκ των δειγμάτων αξιολογήθηκαν με FTIR και CV ανιχνευτή υδραργύρου, αντίστοιχα. Η μορφολογία της επιφάνειας διερευνήθηκε με μικροσκόπιο Nomarski διαφορικής αντίθεσης παρεμβολής (NDIC) και η πυκνότητα ελαττώματος των επιστιβάδων μετρήθηκε με Candela. Προκαταρκτικά αποτελέσματα. Προκαταρκτικά αποτελέσματα ντόπινγκ και ομοιομορφίας πάχους 150 mm και 200 ​​mm επιταξιακά αναπτυγμένων δειγμάτων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία στον πρωτότυπο θάλαμο φαίνονται στο σχήμα 2. Οι επιστρώσεις αναπτύχθηκαν ομοιόμορφα κατά μήκος της επιφάνειας των υποστρωμάτων 150 mm και 200 ​​mm, με διακυμάνσεις πάχους (σ/μέσο ) τόσο χαμηλά όσο 0,4% και 1,4%, αντίστοιχα, και οι διακυμάνσεις ντόπινγκ (σ-μέσος όρος) τόσο χαμηλές όσο 1,1% και 5,6%. Οι εγγενείς τιμές ντόπινγκ ήταν περίπου 1×1014 cm-3.

Σχήμα 2 Προφίλ πάχους και ντόπινγκ 200 mm και 150 mm epiwafers.

Η επαναληψιμότητα της διαδικασίας διερευνήθηκε συγκρίνοντας τις παραλλαγές run-to-run, με αποτέλεσμα διακυμάνσεις πάχους έως και 0,7% και διακυμάνσεις ντόπινγκ έως και 3,1%. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, τα νέα αποτελέσματα της διεργασίας 200 mm είναι συγκρίσιμα με τα αποτελέσματα τελευταίας τεχνολογίας που είχαν προηγουμένως ληφθεί σε 150 mm από έναν αντιδραστήρα PE1O6.

Σχήμα 3 Πάχος στρώμα προς στρώμα και ομοιομορφία ντόπινγκ δείγματος 200 mm που έχει υποστεί επεξεργασία από πρωτότυπο θάλαμο (πάνω) και δείγμα τελευταίας τεχνολογίας 150 mm κατασκευασμένο από PE1O6 (κάτω).

Όσον αφορά τη μορφολογία της επιφάνειας των δειγμάτων, η μικροσκοπία NDIC επιβεβαίωσε μια λεία επιφάνεια με τραχύτητα κάτω από το ανιχνεύσιμο εύρος του μικροσκοπίου. Αποτελέσματα PE1O8. Η διεργασία στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε έναν αντιδραστήρα ΡΕ1Ο8. Το πάχος και η ομοιομορφία ντόπινγκ των 200mm epiwafers φαίνονται στο Σχήμα 4. Οι επιστρώσεις αναπτύσσονται ομοιόμορφα κατά μήκος της επιφάνειας του υποστρώματος με διακυμάνσεις πάχους και ντόπινγκ (σ/μέση) έως 2,1% και 3,3%, αντίστοιχα.

Εικόνα 4 Πάχος και προφίλ ντόπινγκ ενός epiwafer 200 mm σε αντιδραστήρα PE1O8.

Για τη διερεύνηση της πυκνότητας ελαττώματος των επιταξιακά αναπτυσσόμενων γκοφρετών, χρησιμοποιήθηκε candela. Όπως φαίνεται στο σχήμα. Συνολικές πυκνότητες ελαττώματος 5 τόσο χαμηλές όσο 1,43 cm-2 και 3,06 cm-2 επιτεύχθηκαν στα δείγματα 150 mm και 200 ​​mm, αντίστοιχα. Η συνολική διαθέσιμη επιφάνεια (TUA) μετά την επιταξία υπολογίστηκε επομένως σε 97% και 92% για τα δείγματα 150mm και 200mm, αντίστοιχα. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτά τα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν μόνο μετά από μερικές εκτελέσεις και μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω με την ακριβή ρύθμιση των παραμέτρων της διαδικασίας.

Σχήμα 5 Χάρτες ελαττωμάτων Candela με 6μm πάχους 200mm (αριστερά) και 150mm (δεξιά) epiwafer που έχουν αναπτυχθεί με PE1O8.

συμπέρασμα

Αυτή η εργασία παρουσιάζει τον πρόσφατα σχεδιασμένο αντιδραστήρα CVD θερμού τοιχώματος PE1O8 και την ικανότητά του να εκτελεί ομοιόμορφη επιταξία 4H-SiC σε υποστρώματα 200 mm. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα στα 200 mm είναι πολλά υποσχόμενα, με διακυμάνσεις πάχους έως 2,1% σε όλη την επιφάνεια του δείγματος και διακυμάνσεις απόδοσης ντόπινγκ έως 3,3% σε όλη την επιφάνεια του δείγματος. Η TUA μετά την επιταξία υπολογίστηκε ότι είναι 97% και 92% για τα δείγματα 150mm και 200mm, αντίστοιχα, και η TUA για 200mm προβλέπεται να βελτιωθεί στο μέλλον με υψηλότερη ποιότητα υποστρώματος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα αποτελέσματα σε υποστρώματα 200 mm που αναφέρονται εδώ βασίζονται σε μερικά σετ δοκιμών, πιστεύουμε ότι θα είναι δυνατό να βελτιωθούν περαιτέρω τα αποτελέσματα, τα οποία είναι ήδη κοντά στα τελευταίας τεχνολογίας αποτελέσματα σε δείγματα 150 mm, με τελειοποιώντας τις παραμέτρους ανάπτυξης.