Η πρόοδος της επιταξιακής τεχνολογικής επιταξιακής τεχνολογίας της Ιταλίας LPE

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 για συσκευές 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 κασέτας σε κατσέτα που έχει σχεδιαστεί για να επεξεργάζεται έως και 200 ​​χιλιοστά SIC Geafers. Η μορφή μπορεί να μετατραπεί μεταξύ 150 και 200mm, ελαχιστοποιώντας το χρόνο διακοπής 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 διαδικασία επιταξίας, αναφέρονται τρεις κύριοι παράγοντες: 1) γρήγορη διαδικασία, 2) υψηλή ομοιομορφία πάχους και ντόπινγκ, 3) ελαχιστοποιημένο σχηματισμό ελαττωμάτων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιταξίας. Στο PE1O8, η μικρή μάζα γραφίτη και το αυτοματοποιημένο σύστημα φόρτωσης/εκφόρτωσης επιτρέπουν την ολοκλήρωση μιας τυπικής εκτέλεσης σε λιγότερο από 75 λεπτά (μια τυπική συνταγή διόδου Schottky 10 μm χρησιμοποιεί ρυθμό ανάπτυξης 30 μm/h). Το αυτοματοποιημένο σύστημα επιτρέπει τη φόρτωση/εκφόρτωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Ως αποτέλεσμα, τόσο οι χρόνοι θέρμανσης όσο και ψύξης είναι σύντομοι, ενώ ήδη καταστέλλουν το βήμα ψησίματος. Τέτοιες ιδανικές συνθήκες επιτρέπουν την ανάπτυξη πραγματικά μη ανασταλμένου υλικού.

Η συμπαγής εξοπλισμός και το σύστημα έγχυσης τριών καναλιών οδηγούν σε ένα ευπροσάρμοστο σύστημα με υψηλές επιδόσεις τόσο στο ντόπινγκ όσο και στην ομοιομορφία πάχους. Αυτό πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστικής δυναμικής υγρού (CFD) για να εξασφαλιστεί συγκρίσιμη ροή αερίου και ομοιομορφία θερμοκρασίας για μορφές υποστρώματος 150 mm και 200 ​​mm. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, αυτό το νέο σύστημα έγχυσης παραδίδει ομοιόμορφα το αέριο στα κεντρικά και πλευρικά τμήματα του θαλάμου εναπόθεσης. Το σύστημα ανάμειξης αερίου επιτρέπει τη μεταβολή της τοπικά κατανεμημένης χημείας αερίου, 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 επεξεργασίας 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 να εξομαλύνει την απόδοση και να μετρήσει άμεσα την ταχύτητα περιστροφής και μια νέα γενιά PID για τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Παράμετροι διεργασίας επιταξίας. Μια διαδικασία ανάπτυξης επιταξιακής ανάπτυξης τύπου Ν-τύπου N-Type αναπτύχθηκε σε ένα πρωτότυπο θάλαμο. Το τριχλωροσίνιο και το αιθυλένιο χρησιμοποιήθηκαν ως πρόδρομοι για άτομα πυριτίου και άνθρακα. Το H2 χρησιμοποιήθηκε ως αέριο φορέα και το άζωτο χρησιμοποιήθηκε για ντόπινγκ τύπου Ν. Τα εμπορικά υποστρώματα SIC 150mm SIC 150mm και τα υποστρώματα SIC 200mm SIC της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν για να αναπτυχθούν πάχους 6,5 μm 1 × 1016cm-3 N-doped 4H-SIC Epilayers. Η επιφάνεια του υποστρώματος χαραγμένη in situ χρησιμοποιώντας ροή Η2 σε αυξημένη θερμοκρασία. Μετά από αυτό το στάδιο χάραξης, αναπτύχθηκε ένα στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος τύπου Ν, χρησιμοποιώντας χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης και χαμηλή αναλογία C/Si για να παρασκευαστεί ένα στρώμα εξομάλυνσης. Εκτός από αυτό το ρυθμιστικό στρώμα, ένα ενεργό στρώμα με υψηλό ρυθμό ανάπτυξης (30 μm/h) κατατέθηκε χρησιμοποιώντας υψηλότερο λόγο C/Si. Η αναπτυγμένη διαδικασία στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε αντιδραστήρα PE1O8 εγκατεστημένο στη σουηδική εγκατάσταση του ST. Παρόμοιες παραμέτρους διεργασίας και κατανομή αερίου χρησιμοποιήθηκαν για δείγματα 150 mm και 200mm. Ο λεπτός συντονισμός των παραμέτρων ανάπτυξης αναβλήθηκε σε μελλοντικές μελέτες λόγω του περιορισμένου αριθμού των 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 διακυμάνσεις ντόπινγκ (σ-μέση) τόσο χαμηλό 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 τρέξιμου προς τρέξιμο, με αποτέλεσμα μεταβολές πάχους τόσο χαμηλές όσο 0,7% και παραλλαγές ντόπινγκ τόσο χαμηλής όσο 3,1%. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, τα νέα αποτελέσματα της διαδικασίας 200mm είναι συγκρίσιμα με τα αποτελέσματα της τεχνολογίας που προηγουμένως ελήφθησαν σε 150mm από αντιδραστήρα PE1O6.

Εικόνα 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 200mm 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.

Εικόνα 5 Χάρτες ελαττωμάτων Candela πάχους 6 μm 200mm (αριστερά) και 150mm (δεξιά) epiwafers που καλλιεργούνται με PE1O8.

Σύναψη

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.