Tiến bộ công nghệ epiticular SiC 200mm của LPE Ý

Giới thiệu

SiC vượt trội hơn Si trong nhiều ứng dụng nhờ các đặc tính điện tử vượt trội như độ ổn định nhiệt độ cao, vùng cấm rộng, cường độ điện trường đánh thủng cao và độ dẫn nhiệt cao. Ngày nay, sự sẵn có của hệ thống lực kéo xe điện đang được cải thiện đáng kể do tốc độ chuyển mạch cao hơn, nhiệt độ hoạt động cao hơn và khả năng chịu nhiệt thấp hơn của bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại SiC (MOSFET). Thị trường thiết bị điện dựa trên SiC đã phát triển rất nhanh trong vài năm qua; do đó, nhu cầu về vật liệu SiC chất lượng cao, không khuyết tật và đồng nhất ngày càng tăng.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà cung cấp chất nền 4H-SiC đã có thể mở rộng đường kính tấm bán dẫn từ 2 inch lên 150 mm (duy trì cùng chất lượng tinh thể). Ngày nay, kích thước wafer phổ biến cho các thiết bị SiC là 150 mm và để giảm chi phí sản xuất trên mỗi đơn vị thiết bị, một số nhà sản xuất thiết bị đang ở giai đoạn đầu thiết lập các nhà sản xuất 200 mm. Để đạt được mục tiêu này, ngoài nhu cầu về tấm wafer SiC 200 mm có bán trên thị trường, khả năng thực hiện epit Wax SiC đồng nhất cũng rất được mong muốn. Do đó, sau khi thu được chất nền SiC 200 mm chất lượng tốt, thử thách tiếp theo sẽ là thực hiện tăng trưởng epiticular chất lượng cao trên các chất nền này. LPE đã thiết kế và chế tạo một lò phản ứng CVD hoàn toàn tự động trên tường nóng đơn tinh thể (tên là PE1O8) được trang bị hệ thống cấy ghép đa vùng có khả năng xử lý chất nền SiC lên đến 200mm. Ở đây, chúng tôi báo cáo hiệu suất của nó trên epit Wafer 150mm 4H-SiC cũng như kết quả sơ bộ trên epiwafer 200mm.

Kết quả và thảo luận

PE1O8 là hệ thống chuyển từ cassette sang cassette hoàn toàn tự động được thiết kế để xử lý các tấm wafer SiC có đường kính lên đến 200mm. Định dạng có thể được chuyển đổi giữa 150 và 200mm, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của dụng cụ. Việc giảm các giai đoạn gia nhiệt giúp tăng năng suất, đồng thời tự động hóa giúp giảm lao động và cải thiện chất lượng cũng như độ lặp lại. Để đảm bảo quy trình epitaxy hiệu quả và cạnh tranh về chi phí, ba yếu tố chính được báo cáo: 1) quy trình nhanh, 2) độ đồng đều cao về độ dày và pha tạp, 3) giảm thiểu sự hình thành khuyết tật trong quá trình epitaxy. Trong PE1O8, khối lượng than chì nhỏ và hệ thống nạp/dỡ tự động cho phép hoàn thành quá trình chạy tiêu chuẩn trong vòng chưa đầy 75 phút (công thức điốt Schottky 10μm tiêu chuẩn sử dụng tốc độ tăng trưởng 30μm/h). Hệ thống tự động cho phép xếp/dỡ hàng ở nhiệt độ cao. Kết quả là cả thời gian làm nóng và làm mát đều ngắn, đồng thời hạn chế được bước nướng bánh. Những điều kiện lý tưởng như vậy cho phép phát triển vật liệu thực sự không pha tạp.

Sự nhỏ gọn của thiết bị và hệ thống phun ba kênh của nó tạo ra một hệ thống linh hoạt với hiệu suất cao cả về độ đồng nhất doping và độ dày. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để đảm bảo tính đồng nhất về nhiệt độ và lưu lượng khí có thể so sánh được đối với các định dạng chất nền 150 mm và 200 mm. Như được hiển thị trong Hình 1, hệ thống phun mới này cung cấp khí đồng đều ở phần trung tâm và phần bên của buồng lắng đọng. Hệ thống trộn khí cho phép thay đổi thành phần hóa học khí phân bố cục bộ, tiếp tục mở rộng số lượng các thông số quy trình có thể điều chỉnh để tối ưu hóa sự tăng trưởng epiticular.

Hình 1 Mô phỏng cường độ vận tốc khí (trên cùng) và nhiệt độ khí (dưới) trong buồng xử lý PE1O8 ở mặt phẳng nằm cách bề mặt 10 mm.

Các tính năng khác bao gồm hệ thống xoay khí cải tiến sử dụng thuật toán điều khiển phản hồi để làm trơn tru hiệu suất và đo trực tiếp tốc độ quay và thế hệ PID mới để kiểm soát nhiệt độ. Các thông số của quá trình epitaxy Một quy trình tăng trưởng epiticular 4H-SiC loại n đã được phát triển trong buồng nguyên mẫu. Trichlorosilane và ethylene được sử dụng làm tiền chất cho các nguyên tử silicon và carbon; H2 được sử dụng làm khí mang và nitơ được sử dụng để pha tạp loại n. Các chất nền SiC 150mm thương mại có bề mặt Si và các chất nền SiC 200mm cấp nghiên cứu được sử dụng để phát triển các lớp epilayer 4H-SiC pha tạp n dày 6,5μm dày 6,5μm. Bề mặt chất nền được khắc tại chỗ bằng dòng H2 ở nhiệt độ cao. Sau bước ăn mòn này, lớp đệm loại n được tạo ra bằng cách sử dụng tốc độ tăng trưởng thấp và tỷ lệ C/Si thấp để chuẩn bị lớp làm mịn. Trên lớp đệm này, một lớp hoạt động có tốc độ tăng trưởng cao (30μm/h) được lắng đọng bằng tỷ lệ C/Si cao hơn. Quy trình đã phát triển sau đó được chuyển sang lò phản ứng PE1O8 được lắp đặt tại cơ sở của ST ở Thụy Điển. Các thông số quy trình và phân phối khí tương tự được sử dụng cho các mẫu 150mm và 200mm. Việc tinh chỉnh các thông số tăng trưởng đã bị hoãn lại cho các nghiên cứu trong tương lai do số lượng chất nền 200 mm có sẵn có hạn.

Độ dày biểu kiến ​​và hiệu suất pha tạp của các mẫu được đánh giá tương ứng bằng đầu dò thủy ngân FTIR và CV. Hình thái bề mặt được nghiên cứu bằng kính hiển vi tương phản giao thoa vi sai (NDIC) Nomarski và mật độ khuyết tật của các lớp biểu bì được đo bằng Candela. Kết quả kỳ thi vào trường. Kết quả sơ bộ về pha tạp và độ đồng đều của độ dày của các mẫu được nuôi cấy epitaxy 150 mm và 200 mm được xử lý trong buồng nguyên mẫu được thể hiện trong Hình 2. Các lớp epilayer phát triển đồng đều dọc theo bề mặt của chất nền 150 mm và 200 mm, với sự thay đổi độ dày (σ/trung bình ) thấp tương ứng là 0,4% và 1,4% và các biến thể doping (σ-trung bình) thấp tương ứng là 1,1% và 5,6%. Giá trị pha tạp nội tại xấp xỉ 1×1014 cm-3.

Hình 2 Độ dày và độ pha tạp của tấm epiwafer 200 mm và 150 mm.

Độ lặp lại của quy trình đã được nghiên cứu bằng cách so sánh các biến thể từ lần chạy này đến lần chạy khác, dẫn đến chênh lệch độ dày thấp tới 0,7% và biến thể doping thấp tới 3,1%. Như được hiển thị trong Hình 3, các kết quả của quy trình 200mm mới có thể so sánh với các kết quả tiên tiến nhất thu được trước đây trên lò phản ứng PE1O6 trên quy trình 150mm.

Hình 3 Độ dày từng lớp và độ đồng đều pha tạp của mẫu 200mm được xử lý bằng buồng nguyên mẫu (trên cùng) và mẫu 150mm hiện đại được chế tạo bằng PE1O6 (phía dưới).

Về hình thái bề mặt của các mẫu, kính hiển vi NDIC đã xác nhận bề mặt nhẵn với độ nhám dưới phạm vi có thể phát hiện được của kính hiển vi. Kết quả PE1O8. Quá trình này sau đó được chuyển sang lò phản ứng PE1O8. Độ dày và độ đồng đều pha tạp của các tấm epiwafer 200mm được thể hiện trong Hình 4. Các lớp epilayer phát triển đồng đều dọc theo bề mặt đế với độ dày và độ biến thiên pha tạp (σ/trung bình) thấp lần lượt là 2,1% và 3,3%.

Hình 4 Độ dày và đặc tính pha tạp của epiwafer 200mm trong lò phản ứng PE1O8.

Để nghiên cứu mật độ khuyết tật của các tấm bán dẫn được nuôi cấy bằng phương pháp epitaxy, candela đã được sử dụng. Như thể hiện trong hình. Mật độ khuyết tật tổng cộng là 5, thấp tới 1,43 cm-2 và 3,06 cm-2 lần lượt đạt được trên các mẫu 150mm và 200mm. Do đó, tổng diện tích khả dụng (TUA) sau khi epit Wax được tính toán lần lượt là 97% và 92% cho các mẫu 150mm và 200mm. Điều đáng nói là những kết quả này chỉ đạt được sau một vài lần chạy và có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách tinh chỉnh các thông số quy trình.

Hình 5 Bản đồ khuyết tật Candela của tấm epiwafer dày 6μm dày 200mm (trái) và 150mm (phải) được trồng bằng PE1O8.

Phần kết luận

Bài báo này trình bày về lò phản ứng CVD tường nóng PE1O8 được thiết kế mới và khả năng thực hiện epitaxy 4H-SiC đồng nhất trên đế 200mm. Các kết quả sơ bộ trên 200mm rất hứa hẹn, với sự thay đổi độ dày thấp tới 2,1% trên bề mặt mẫu và sự thay đổi hiệu suất pha tạp thấp tới 3,3% trên bề mặt mẫu. TUA sau khi epit Wax được tính toán lần lượt là 97% và 92% đối với mẫu 150mm và 200mm, và TUA cho 200mm được dự đoán sẽ cải thiện trong tương lai với chất lượng bề mặt cao hơn. Xem xét rằng kết quả trên chất nền 200mm được báo cáo ở đây dựa trên một số bộ thử nghiệm, chúng tôi tin rằng có thể cải thiện hơn nữa kết quả vốn đã gần với kết quả hiện đại trên mẫu 150mm, bằng cách Tinh chỉnh các thông số tăng trưởng.