پیشرفت فناوری اپیتاکسیال 200 میلی متری SiC LPE ایتالیا

مقدمه

SIC به دلیل خاصیت الکترونیکی برتر از جمله پایداری درجه حرارت بالا ، باند گسترده ، استحکام میدان الکتریکی با شکست زیاد و هدایت حرارتی بالا از SI در بسیاری از برنامه ها برتر است. امروزه ، در دسترس بودن سیستم های کششی وسیله نقلیه الکتریکی به دلیل سرعت بالاتر سوئیچینگ ، دمای بالاتر کار و مقاومت حرارتی پایین تر از ترانزیستورهای میدان نیمه هادی اکسید فلزی SIC (MOSFET) به طور قابل توجهی بهبود می یابد. بازار دستگاه های برق مبتنی بر SIC طی چند سال گذشته بسیار سریع رشد کرده است. بنابراین ، تقاضا برای مواد SIC با کیفیت بالا ، بدون نقص و یکنواخت افزایش یافته است.

در چند دهه گذشته، تامین کنندگان بستر 4H-SiC توانسته اند قطر ویفر را از 2 اینچ به 150 میلی متر افزایش دهند (با حفظ همان کیفیت کریستالی). امروزه، اندازه ویفر اصلی برای دستگاه‌های SiC 150 میلی‌متر است و به منظور کاهش هزینه تولید در هر دستگاه، برخی از سازندگان دستگاه‌ها در مراحل اولیه ساخت فاب‌های 200 میلی‌متری هستند. برای دستیابی به این هدف، علاوه بر نیاز به ویفرهای SiC 200 میلی متری موجود در بازار، توانایی انجام اپیتاکسی یکنواخت SiC نیز بسیار مورد نظر است. بنابراین، پس از به دست آوردن بسترهای SiC 200 میلی متری با کیفیت خوب، چالش بعدی انجام رشد اپیتاکسیال با کیفیت بالا بر روی این بسترها خواهد بود. LPE یک راکتور CVD کاملا اتوماتیک تک کریستالی افقی (به نام PE1O8) مجهز به سیستم کاشت چند ناحیه ای با قابلیت پردازش تا 200 میلی متر بسترهای SiC طراحی و ساخته است. در اینجا، عملکرد آن را در اپیتاکسی 150 میلی‌متری 4H-SiC و همچنین نتایج اولیه روی اپی‌وافرهای 200 میلی‌متری گزارش می‌کنیم.

نتایج و بحث

PE1O8 یک سیستم کاست کاملاً خودکار به کاست است که برای پردازش حداکثر ویفرهای SIC 200 میلی متر طراحی شده است. این فرمت را می توان بین 150 تا 200 میلی متر تغییر داد و به حداقل رساندن خرابی ابزار. کاهش مراحل گرمایش باعث افزایش بهره وری می شود ، در حالی که اتوماسیون باعث کاهش نیروی کار و بهبود کیفیت و تکرارپذیری می شود. برای اطمینان از یک فرآیند اپیتاکس کارآمد و مقرون به صرفه ، سه عامل اصلی گزارش شده است: 1) فرآیند سریع ، 2) یکنواختی زیاد ضخامت و دوپینگ ، 3) تشکیل نقص به حداقل در طی فرآیند اپیتاکسی. در PE1O8 ، توده گرافیت کوچک و سیستم بارگیری/تخلیه خودکار اجازه می دهد تا یک اجرای استاندارد در کمتر از 75 دقیقه به پایان برسد (یک دستور العمل دیود 10μm Schottky استاندارد از سرعت رشد 30μm در ساعت استفاده می کند). سیستم خودکار امکان بارگیری/تخلیه در دماهای بالا را فراهم می کند. در نتیجه ، هر دو زمان گرمایش و سرمایش کوتاه است ، در حالی که در حال حاضر مرحله پخت را سرکوب می کند. چنین شرایط ایده آل باعث رشد مواد واقعاً بدون استفاده می شود.

فشرده بودن تجهیزات و سیستم تزریق سه کاناله آن منجر به یک سیستم همه کاره با عملکرد بالا در دوپینگ و یکنواختی ضخامت می شود. این با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای اطمینان از یکنواختی جریان گاز و دما برای قالب‌های زیرلایه 150 میلی‌متری و 200 میلی‌متری انجام شد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، این سیستم تزریق جدید گاز را به طور یکنواخت در قسمت های مرکزی و جانبی محفظه رسوب دهی می رساند. سیستم اختلاط گاز، تنوع شیمی گاز را به صورت محلی توزیع می‌کند و تعداد پارامترهای فرآیند قابل تنظیم را برای بهینه‌سازی رشد همپایه افزایش می‌دهد.

شکل 1 اندازه سرعت گاز (بالا) و دمای گاز (پایین) در محفظه فرآیند PE1O8 در صفحه ای واقع در 10 میلی متر بالاتر از بستر شبیه سازی شده است.

سایر ویژگی ها شامل سیستم چرخش گاز بهبود یافته است که از الگوریتم کنترل بازخورد برای صاف کردن عملکرد و اندازه گیری مستقیم سرعت چرخش استفاده می کند و نسل جدید PID برای کنترل دما. پارامترهای فرآیند اپیتاکسی یک فرآیند رشد همپایه 4H-SiC نوع n در یک اتاقک نمونه اولیه توسعه داده شد. تری کلروسیلان و اتیلن به عنوان پیش ساز برای اتم های سیلیکون و کربن استفاده شد. H2 به عنوان گاز حامل و نیتروژن برای دوپینگ نوع n استفاده شد. زیرلایه‌های تجاری SiC 150 میلی‌متری Si-faced و زیرلایه‌های SiC 200 میلی‌متری با درجه تحقیقاتی برای رشد لایه‌های لایه‌ای 4H-SiC با ضخامت 6.5 میکرومتر به ضخامت 1 × 1016 سانتی‌متر-3 مورد استفاده قرار گرفتند. سطح زیرلایه در محل با استفاده از جریان H2 در دمای بالا اچ شد. پس از این مرحله اچ، یک لایه بافر نوع n با استفاده از نرخ رشد کم و نسبت C/Si پایین برای تهیه یک لایه صاف کننده رشد داده شد. در بالای این لایه بافر، یک لایه فعال با نرخ رشد بالا (30μm/h) با استفاده از نسبت C/Si بالاتر نهشته شد. فرآیند توسعه یافته سپس به یک راکتور PE1O8 که در تاسیسات ST سوئد نصب شده بود، منتقل شد. پارامترهای فرآیند مشابه و توزیع گاز برای نمونه های 150 میلی متر و 200 میلی متر استفاده شد. تنظیم دقیق پارامترهای رشد به دلیل تعداد محدودی از بسترهای 200 میلی متری در دسترس به مطالعات آینده موکول شد.

ضخامت ظاهری و عملکرد دوپینگ نمونه ها به ترتیب توسط پروب جیوه FTIR و CV مورد بررسی قرار گرفت. مورفولوژی سطح با میکروسکوپ کنتراست تداخل دیفرانسیل NOMARSKI (NDIC) مورد بررسی قرار گرفت و چگالی نقص اپیلارها توسط Candela اندازه گیری شد. نتایج اولیه. نتایج اولیه دوپینگ و یکنواختی ضخامت 150 میلی متر و 200 میلی متر نمونه های رشد یافته اپیتاکس پردازش شده در محفظه نمونه اولیه در شکل 2 نشان داده شده است. اپیلارها به طور یکنواخت در امتداد سطح بسترهای 150 میلی متر و 200 میلی متر رشد کردند ، با تغییرات ضخامت (σ/میانگین ) به ترتیب به ترتیب 0.4 ٪ و 1.4 ٪ ، و تغییرات دوپینگ (σ-میانگین) به حداقل 1.1 ٪ و 5.6 ٪. مقادیر دوپینگ ذاتی تقریباً 1014 سانتی متر -3 بود.

شکل 2 ضخامت و پروفایل دوپینگ 200 میلی متر و 150 میلی متر اپیزوفر.

تکرارپذیری فرآیند با مقایسه تغییرات اجرا به اجرا مورد بررسی قرار گرفت که منجر به تغییرات ضخامت کمتر از 0.7٪ و تغییرات دوپینگ به اندازه 3.1٪ شد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، نتایج فرآیند 200 میلی متری جدید با نتایج پیشرفته ای که قبلا در 150 میلی متر توسط راکتور PE1O6 به دست آمده بود، قابل مقایسه است.

شکل 3 ضخامت لایه به لایه و یکنواختی دوپینگ یک نمونه 200 میلی متری پردازش شده توسط یک محفظه نمونه اولیه (بالا) و یک نمونه پیشرفته 150 میلی متری ساخته شده توسط PE1O6 (پایین).

با توجه به مورفولوژی سطح نمونه ها ، میکروسکوپ NDIC یک سطح صاف با زبری زیر دامنه قابل تشخیص میکروسکوپ را تأیید کرد. نتایج PE1O8. سپس این روند به یک راکتور PE1O8 منتقل شد. ضخامت و یکنواختی دوپینگ اپیفر 200 میلی متر در شکل 4 نشان داده شده است. اپیلارها به ترتیب در امتداد سطح بستر با ضخامت و تغییرات دوپینگ (σ/میانگین) به ترتیب 2.1 ٪ و 3.3 ٪ رشد می کنند.

شکل 4 ضخامت و مشخصات دوپینگ یک epiwafer 200mm در یک راکتور PE1O8.

برای بررسی تراکم نقص ویفرهای رشد یافته همپای از کندلا استفاده شد. همانطور که در شکل نشان داده شده است. تراکم کل عیب 5 تا کمتر از 1.43 cm-2 و 3.06 cm-2 به ترتیب در نمونه های 150 میلی متر و 200 میلی متر به دست آمد. بنابراین، کل مساحت موجود (TUA) پس از اپیتاکسی برای نمونه های 150 میلی متری و 200 میلی متری به ترتیب 97 و 92 درصد محاسبه شد. شایان ذکر است که این نتایج تنها پس از چند بار اجرا به دست آمد و با تنظیم دقیق پارامترهای فرآیند می توان آن را بیشتر بهبود بخشید.

شکل 5 نقشه های نقص Candela از ضخامت 6μm 200 میلی متر (سمت چپ) و 150 میلی متر (سمت راست) اپیزوفرهای رشد یافته با PE1O8.

پایان

در این مقاله ، راکتور CVD با دیوار داغ PE1O8 به تازگی طراحی شده و توانایی آن در انجام اپیتاکس 4H-SIC یکنواخت در بسترهای 200 میلی متر ارائه شده است. نتایج اولیه در 200 میلی متر بسیار امیدوار کننده است ، با تغییرات ضخامت به میزان 2.1 ٪ در سطح نمونه و تغییرات عملکرد دوپینگ به میزان کم 3.3 ٪ در سطح نمونه. TUA پس از اپیتاکسی به ترتیب 97 ٪ و 92 ٪ برای نمونه های 150 میلی متر و 200 میلی متر محاسبه شد و پیش بینی می شود که TUA برای 200 میلی متر در آینده با کیفیت بستر بالاتر بهبود یابد. با توجه به اینکه نتایج روی بسترهای 200 میلی متری گزارش شده در اینجا براساس چند مجموعه آزمایش است ، ما معتقدیم که می توان نتایج را که در حال حاضر نزدیک به نتایج پیشرفته در نمونه های 150 میلی متر است ، بهبود بخشید تنظیم دقیق پارامترهای رشد.