इटालीको LPE को 200mm SiC epitaxial प्रविधि प्रगति

परिचय

उच्च तापक्रम स्थिरता, चौडा ब्यान्डग्याप, उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फिल्ड बल, र उच्च थर्मल चालकता जस्ता उच्च इलेक्ट्रोनिक गुणहरूका कारण SiC धेरै अनुप्रयोगहरूमा Si भन्दा उच्च छ। आज, उच्च स्विचिंग गति, उच्च परिचालन तापमान, र SiC मेटल अक्साइड सेमीकन्डक्टर फिल्ड इफेक्ट ट्रान्जिस्टर (MOSFETs) को कम थर्मल प्रतिरोधका कारण विद्युतीय सवारी साधनको कर्षण प्रणालीको उपलब्धतामा उल्लेखनीय सुधार भइरहेको छ। SiC- आधारित पावर उपकरणहरूको बजार विगत केही वर्षहरूमा धेरै छिटो बढेको छ; तसर्थ, उच्च गुणस्तर, दोष-मुक्त, र समान SiC सामग्रीको माग बढेको छ।

विगतका केही दशकहरूमा, 4H-SiC सब्सट्रेट आपूर्तिकर्ताहरूले वेफर व्यासलाई 2 इन्चबाट 150 मिमी (सही क्रिस्टल गुणस्तर कायम राख्दै) मापन गर्न सक्षम भएका छन्। आज, SiC यन्त्रहरूको लागि मुख्यधाराको वेफर साइज 150 mm छ, र प्रति एकाइ उपकरणको उत्पादन लागत घटाउनको लागि, केही उपकरण निर्माताहरू 200 mm fabs स्थापना गर्ने प्रारम्भिक चरणमा छन्। यो लक्ष्य हासिल गर्न, व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध 200 मिमी SiC वेफरहरूको आवश्यकताको अतिरिक्त, समान SiC epitaxy प्रदर्शन गर्ने क्षमता पनि अत्यधिक वांछनीय छ। तसर्थ, राम्रो गुणस्तर 200 मिमी SiC सब्सट्रेटहरू प्राप्त गरेपछि, अर्को चुनौती यी सब्सट्रेटहरूमा उच्च-गुणस्तरको एपिटेक्सियल वृद्धि प्रदर्शन गर्नु हुनेछ। LPE ले 200mm SiC सब्सट्रेट सम्म प्रशोधन गर्न सक्ने बहु-जोन इम्प्लान्टेसन प्रणालीसँग सुसज्जित एक तेर्सो सिंगल क्रिस्टल हट-वाल पूर्ण रूपमा स्वचालित CVD रिएक्टर (PE1O8 नाम दिइएको) डिजाइन र निर्माण गरेको छ। यहाँ, हामी यसको प्रदर्शन 150mm 4H-SiC epitaxy साथै 200mm epiwafers मा प्रारम्भिक परिणामहरू रिपोर्ट गर्छौं।

परिणाम र छलफल

PE1O8 200mm SiC wafers सम्म प्रशोधन गर्न डिजाइन गरिएको एक पूर्ण स्वचालित क्यासेट-टू-क्यासेट प्रणाली हो। ढाँचा 150 र 200mm बीच स्विच गर्न सकिन्छ, उपकरण डाउनटाइम न्यूनतम। तताउने चरणहरूको कमीले उत्पादकता बढाउँछ, जबकि स्वचालनले श्रम घटाउँछ र गुणस्तर र पुनरावृत्तिमा सुधार गर्दछ। एक कुशल र लागत-प्रतिस्पर्धी एपिटेक्सी प्रक्रिया सुनिश्चित गर्न, तीन मुख्य कारकहरू रिपोर्ट गरिएका छन्: 1) द्रुत प्रक्रिया, 2) मोटाई र डोपिङको उच्च एकरूपता, 3) एपिटेक्सी प्रक्रियाको समयमा कम दोष गठन। PE1O8 मा, सानो ग्रेफाइट मास र स्वचालित लोडिङ/अनलोडिङ प्रणालीले मानक रनलाई ७५ मिनेटभन्दा कममा पूरा गर्न अनुमति दिन्छ (एक मानक १०μm Schottky डायोड रेसिपीले 30μm/h को वृद्धि दर प्रयोग गर्दछ)। स्वचालित प्रणालीले उच्च तापमानमा लोड / अनलोड गर्न अनुमति दिन्छ। नतिजाको रूपमा, दुबै ताप र चिसो समय छोटो छ, जबकि बेकिंग चरणलाई पहिले नै दबाइन्छ। त्यस्ता आदर्श अवस्थाहरूले साँच्चै अनडप गरिएको सामग्रीको वृद्धिलाई अनुमति दिन्छ।

उपकरणको कम्प्याक्टनेस र यसको तीन-च्यानल इन्जेक्शन प्रणालीले डोपिङ र मोटाई एकरूपता दुवैमा उच्च प्रदर्शनको साथ बहुमुखी प्रणालीमा परिणाम दिन्छ। यो 150 मिमी र 200 मिमी सब्सट्रेट ढाँचाहरूको लागि तुलनात्मक ग्यास प्रवाह र तापमान एकरूपता सुनिश्चित गर्न कम्प्युटेशनल फ्लुइड डाइनामिक्स (CFD) सिमुलेशनहरू प्रयोग गरी प्रदर्शन गरिएको थियो। चित्र 1 मा देखाइएको रूपमा, यो नयाँ इंजेक्शन प्रणालीले डिपोजिसन चेम्बरको केन्द्रीय र पार्श्व भागहरूमा समान रूपमा ग्यास प्रदान गर्दछ। ग्यास मिश्रण प्रणालीले स्थानीय रूपमा वितरित ग्यास रसायनको भिन्नतालाई सक्षम बनाउँछ, थप समायोज्य प्रक्रिया प्यारामिटरहरूको संख्या विस्तार गर्दै एपिटेक्सियल वृद्धिलाई अनुकूलन गर्न।

चित्र 1 PE1O8 प्रक्रिया कक्षमा सब्सट्रेट भन्दा 10 मिमी माथि अवस्थित प्लेनमा सिमुलेटेड ग्यास वेग परिमाण (शीर्ष) र ग्यास तापक्रम (तल)।

अन्य सुविधाहरूमा सुधारिएको ग्यास रोटेशन प्रणाली समावेश छ जसले कार्यसम्पादनलाई सहज बनाउन प्रतिक्रिया नियन्त्रण एल्गोरिदम प्रयोग गर्दछ र सीधा रोटेशन गति मापन गर्दछ, र तापमान नियन्त्रणको लागि PID को नयाँ पुस्ता। Epitaxy प्रक्रिया प्यारामिटरहरू। एक n-प्रकार 4H-SiC epitaxial वृद्धि प्रक्रिया प्रोटोटाइप च्याम्बरमा विकसित गरिएको थियो। Trichlorosilane र ethylene सिलिकन र कार्बन परमाणुहरूको लागि अग्रगामी रूपमा प्रयोग गरियो; H2 वाहक ग्यासको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो र नाइट्रोजन एन-टाइप डोपिङको लागि प्रयोग गरिएको थियो। Si-faceed कमर्शियल 150mm SiC सब्सट्रेटहरू र अनुसन्धान-ग्रेड 200mm SiC सब्सट्रेटहरू 6.5μm बाक्लो 1×1016cm-3 n-doped 4H-SiC एपिलेयरहरू बढाउन प्रयोग गरियो। सब्सट्रेट सतह उच्च तापक्रममा H2 प्रवाह प्रयोग गरेर स्थितिमा नक्काशी गरिएको थियो। यस नक्कली चरण पछि, एक n-प्रकारको बफर तह कम वृद्धि दर र कम C/Si अनुपात प्रयोग गरी एक चिकनी तह तयार गर्न को लागी हुर्कियो। यस बफर तहको शीर्षमा, उच्च वृद्धि दर (30μm/h) भएको सक्रिय तह उच्च C/Si अनुपात प्रयोग गरी जम्मा गरिएको थियो। त्यसपछि विकसित प्रक्रियालाई ST को स्वीडिश सुविधामा स्थापित PE1O8 रिएक्टरमा स्थानान्तरण गरियो। समान प्रक्रिया प्यारामिटरहरू र ग्यास वितरण 150mm र 200mm नमूनाहरूको लागि प्रयोग गरियो। उपलब्ध 200 मिमी सब्सट्रेटहरूको सीमित संख्याको कारणले गर्दा वृद्धि प्यारामिटरहरूको राम्रो ट्युनिङ भविष्यका अध्ययनहरूमा स्थगित गरियो।

नमूनाहरूको स्पष्ट मोटाई र डोपिङ प्रदर्शन क्रमशः FTIR र CV पारा जाँच द्वारा मूल्याङ्कन गरिएको थियो। सतह मोर्फोलोजी नोमार्स्की डिफरेंशियल इन्टरफेरेन्स कन्ट्रास्ट (NDIC) माइक्रोस्कोपी द्वारा अनुसन्धान गरिएको थियो, र एपिलेयरहरूको दोष घनत्व क्यान्डेला द्वारा मापन गरिएको थियो। प्रारम्भिक परिणामहरू। प्रोटोटाइप च्याम्बरमा प्रशोधन गरिएको 150 मिमी र 200 मिमी एपिटेक्सली रूपमा बढेको नमूनाहरूको डोपिङ र मोटाई एकरूपताको प्रारम्भिक नतिजाहरू चित्र 2 मा देखाइएको छ। एपिलेयरहरू 150 मिमी र 200 मिमी सब्सट्रेटहरूको सतहमा समान रूपमा बढेका छन्, मोटाईमा भिन्नताहरू ) क्रमशः 0.4% र 1.4% को रूपमा कम, र डोपिङ भिन्नताहरू (σ-mean) 1.1% र 5.6% को रूपमा कम। आन्तरिक डोपिङ मानहरू लगभग 1 × 1014 सेमी-3 थिए।

चित्र 2 200 mm र 150 mm epiwafers को मोटाई र डोपिङ प्रोफाइलहरू।

प्रक्रियाको दोहोरिने योग्यता रन-टु-रन भिन्नताहरू तुलना गरेर अनुसन्धान गरिएको थियो, परिणामस्वरूप मोटाई भिन्नताहरू 0.7% र डोपिङ भिन्नताहरू 3.1% को रूपमा कम। चित्र 3 मा देखाइए अनुसार, नयाँ 200mm प्रक्रिया परिणामहरू पहिले PE1O6 रिएक्टर द्वारा 150mm मा प्राप्त अत्याधुनिक परिणामहरूसँग तुलना गर्न सकिन्छ।

चित्र 3 लेयर-दर-लेयर मोटाई र 200mm नमूनाको डोपिङ एकरूपता प्रोटोटाइप चेम्बर (शीर्ष) र PE1O6 (तल) द्वारा निर्मित अत्याधुनिक 150mm नमूना द्वारा प्रशोधन गरिएको।

नमूनाहरूको सतह आकारविज्ञानको सन्दर्भमा, NDIC माइक्रोस्कोपीले माइक्रोस्कोपको पत्ता लगाउन सकिने दायरा मुनि खुरदराको साथ चिल्लो सतह पुष्टि गर्‍यो। PE1O8 परिणामहरू। त्यसपछि प्रक्रिया PE1O8 रिएक्टरमा हस्तान्तरण गरियो। 200mm epiwafers को मोटाई र डोपिङ एकरूपता चित्र 4 मा देखाइएको छ। एपिलेयरहरू क्रमशः 2.1% र 3.3% को रूपमा कम मोटाई र डोपिङ भिन्नताहरू (σ/mean) संग सब्सट्रेट सतहमा समान रूपमा बढ्छन्।

चित्र 4 PE1O8 रिएक्टरमा 200mm epiwafer को मोटाई र डोपिङ प्रोफाइल।

epitaxially बढेको वेफर्स को दोष घनत्व अनुसन्धान गर्न, candela प्रयोग गरिएको थियो। चित्रमा देखाइएको रूपमा। 1.43 cm-2 र 3.06 cm-2 को रूपमा 5 को कुल दोष घनत्व क्रमशः 150mm र 200mm नमूनाहरूमा प्राप्त गरियो। epitaxy पछि कुल उपलब्ध क्षेत्र (TUA) त्यसैले 150mm र 200mm नमूनाहरूको लागि क्रमशः 97% र 92% गणना गरिएको थियो। यो उल्लेख गर्न लायक छ कि यी नतिजाहरू केहि रन पछि मात्र प्राप्त भएका थिए र प्रक्रिया प्यारामिटरहरू फाइन-ट्यून गरेर थप सुधार गर्न सकिन्छ।

चित्र 5 PE1O8 सँग हुर्किएको 6μm बाक्लो 200mm (बायाँ) र 150mm (दायाँ) एपिवेफरहरूको क्यान्डेला दोष नक्सा।

निष्कर्ष

यस पेपरले नयाँ डिजाइन गरिएको PE1O8 हट-वाल CVD रिएक्टर र 200mm सब्सट्रेटहरूमा एकसमान 4H-SiC epitaxy प्रदर्शन गर्ने क्षमता प्रस्तुत गर्दछ। 200mm मा प्रारम्भिक नतिजाहरू धेरै आशाजनक छन्, नमूना सतहमा 2.1% जति कम मोटाई भिन्नताहरू र नमूना सतहमा 3.3% को रूपमा डोपिङ प्रदर्शन भिन्नताहरू कम छन्। एपिटेक्सी पछि TUA 150mm र 200mm नमूनाहरूको लागि क्रमशः 97% र 92% गणना गरिएको थियो, र 200mm को लागि TUA उच्च सब्सट्रेट गुणस्तरको साथ भविष्यमा सुधार हुने भविष्यवाणी गरिएको छ। यहाँ रिपोर्ट गरिएको 200mm सब्सट्रेटहरूमा नतिजाहरू परीक्षणका केही सेटहरूमा आधारित छन् भन्ने कुरालाई ध्यानमा राख्दै, हामी विश्वास गर्छौं कि नतिजाहरूलाई अझ सुधार गर्न सम्भव हुनेछ, जुन पहिले नै 150mm नमूनाहरूमा अत्याधुनिक परिणामहरूको नजिक छ। वृद्धि मापदण्डहरू ठीक-ट्युनिङ।