Kemajuan teknologi epitaksi SiC 200mm LPE Italia

Perkenalan

SiC lebih unggul daripada Si dalam banyak aplikasi karena sifat elektroniknya yang unggul seperti stabilitas suhu tinggi, celah pita lebar, kekuatan medan listrik tembus yang tinggi, dan konduktivitas termal yang tinggi. Saat ini, ketersediaan sistem traksi kendaraan listrik ditingkatkan secara signifikan karena kecepatan peralihan yang lebih tinggi, suhu pengoperasian yang lebih tinggi, dan ketahanan termal yang lebih rendah dari transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) SiC. Pasar perangkat listrik berbasis SiC telah berkembang sangat pesat selama beberapa tahun terakhir; oleh karena itu, permintaan akan material SiC berkualitas tinggi, bebas cacat, dan seragam telah meningkat.

Selama beberapa dekade terakhir, pemasok substrat 4H-SiC telah mampu meningkatkan diameter wafer dari 2 inci menjadi 150 mm (mempertahankan kualitas kristal yang sama). Saat ini, ukuran wafer utama untuk perangkat SiC adalah 150 mm, dan untuk mengurangi biaya produksi per unit perangkat, beberapa produsen perangkat sedang dalam tahap awal membangun pabrik 200 mm. Untuk mencapai tujuan ini, selain kebutuhan wafer SiC 200 mm yang tersedia secara komersial, kemampuan untuk melakukan epitaksi SiC yang seragam juga sangat diinginkan. Oleh karena itu, setelah mendapatkan substrat SiC 200 mm berkualitas baik, tantangan selanjutnya adalah melakukan pertumbuhan epitaksi berkualitas tinggi pada substrat tersebut. LPE telah merancang dan membangun reaktor CVD otomatis berdinding panas kristal tunggal horizontal (bernama PE1O8) yang dilengkapi dengan sistem implantasi multi-zona yang mampu memproses substrat SiC hingga 200 mm. Di sini, kami melaporkan kinerjanya pada epitaksi 4H-SiC 150mm serta hasil awal pada epiwafer 200mm.

Hasil dan Diskusi

PE1O8 adalah sistem kaset-ke-kaset otomatis yang dirancang untuk memproses wafer SiC hingga 200mm. Formatnya dapat diubah antara 150 dan 200mm, sehingga meminimalkan waktu henti alat. Pengurangan tahapan pemanasan meningkatkan produktivitas, sementara otomatisasi mengurangi tenaga kerja dan meningkatkan kualitas dan kemampuan pengulangan. Untuk memastikan proses epitaksi yang efisien dan hemat biaya, tiga faktor utama dilaporkan: 1) proses cepat, 2) keseragaman ketebalan dan doping yang tinggi, 3) pembentukan cacat yang minimal selama proses epitaksi. Dalam PE1O8, massa grafit kecil dan sistem bongkar muat otomatis memungkinkan pengoperasian standar diselesaikan dalam waktu kurang dari 75 menit (resep dioda Schottky 10μm standar menggunakan tingkat pertumbuhan 30μm/jam). Sistem otomatis memungkinkan bongkar/muat pada suhu tinggi. Hasilnya, waktu pemanasan dan pendinginan menjadi singkat, sekaligus menekan langkah pemanggangan. Kondisi ideal seperti itu memungkinkan pertumbuhan material yang benar-benar tidak terlapisi.

Kekompakan peralatan dan sistem injeksi tiga salurannya menghasilkan sistem serbaguna dengan kinerja tinggi dalam doping dan keseragaman ketebalan. Hal ini dilakukan dengan menggunakan simulasi dinamika fluida komputasi (CFD) untuk memastikan aliran gas yang sebanding dan keseragaman suhu untuk format substrat 150 mm dan 200 mm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, sistem injeksi baru ini menyalurkan gas secara merata di bagian tengah dan lateral ruang deposisi. Sistem pencampuran gas memungkinkan variasi kimia gas yang didistribusikan secara lokal, sehingga semakin memperluas jumlah parameter proses yang dapat disesuaikan untuk mengoptimalkan pertumbuhan epitaksi.

Gambar 1 Simulasi besaran kecepatan gas (atas) dan suhu gas (bawah) dalam ruang proses PE1O8 pada bidang yang terletak 10 mm di atas substrat.

Fitur lainnya termasuk sistem putaran gas yang ditingkatkan yang menggunakan algoritma kontrol umpan balik untuk memperlancar kinerja dan mengukur kecepatan putaran secara langsung, dan PID generasi baru untuk kontrol suhu. Parameter proses epitaksi. Proses pertumbuhan epitaksi 4H-SiC tipe-n dikembangkan dalam ruang prototipe. Trichlorosilane dan etilen digunakan sebagai prekursor atom silikon dan karbon; H2 digunakan sebagai gas pembawa dan nitrogen digunakan untuk doping tipe-n. Substrat SiC 150mm komersial berwajah Si dan substrat SiC 200mm tingkat penelitian digunakan untuk menumbuhkan epilayer 4H-SiC yang didoping n dengan tebal 6,5μm 1×1016cm-3. Permukaan substrat tergores in situ menggunakan aliran H2 pada suhu tinggi. Setelah langkah etsa ini, lapisan penyangga tipe-n ditumbuhkan menggunakan laju pertumbuhan rendah dan rasio C/Si rendah untuk menyiapkan lapisan penghalus. Di atas lapisan penyangga ini, lapisan aktif dengan tingkat pertumbuhan tinggi (30μm/jam) diendapkan menggunakan rasio C/Si yang lebih tinggi. Proses yang dikembangkan kemudian ditransfer ke reaktor PE1O8 yang dipasang di fasilitas ST di Swedia. Parameter proses dan distribusi gas serupa digunakan untuk sampel 150mm dan 200mm. Penyempurnaan parameter pertumbuhan ditunda untuk penelitian selanjutnya karena terbatasnya jumlah substrat 200 mm yang tersedia.

Ketebalan nyata dan kinerja doping sampel dievaluasi masing-masing dengan probe merkuri FTIR dan CV. Morfologi permukaan diselidiki dengan mikroskop kontras interferensi diferensial (NDIC) Nomarski, dan kepadatan cacat epilayer diukur dengan Candela. Hasil awal. Hasil awal doping dan keseragaman ketebalan sampel yang ditumbuhkan secara epitaksi 150 mm dan 200 mm yang diproses di ruang prototipe ditunjukkan pada Gambar 2. Epilayer tumbuh secara seragam di sepanjang permukaan substrat 150 mm dan 200 mm, dengan variasi ketebalan (σ/mean ) masing-masing serendah 0,4% dan 1,4%, dan variasi doping (σ-mean) serendah 1,1% dan 5,6%. Nilai doping intrinsik sekitar 1×1014 cm-3.

Gambar 2 Profil ketebalan dan doping epiwafer 200 mm dan 150 mm.

Pengulangan proses diselidiki dengan membandingkan variasi run-to-run, menghasilkan variasi ketebalan serendah 0,7% dan variasi doping serendah 3,1%. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, hasil proses 200mm yang baru sebanding dengan hasil canggih yang sebelumnya diperoleh pada 150mm oleh reaktor PE1O6.

Gambar 3 Ketebalan lapis demi lapis dan keseragaman doping dari sampel 200 mm yang diproses dengan ruang prototipe (atas) dan sampel 150 mm canggih yang dibuat dengan PE1O6 (bawah).

Mengenai morfologi permukaan sampel, mikroskop NDIC memastikan permukaan halus dengan kekasaran di bawah jangkauan mikroskop yang dapat dideteksi. Hasil PE1O8. Prosesnya kemudian dipindahkan ke reaktor PE1O8. Ketebalan dan keseragaman doping epiwafer 200mm ditunjukkan pada Gambar 4. Epilayer tumbuh seragam di sepanjang permukaan substrat dengan variasi ketebalan dan doping (σ/mean) masing-masing serendah 2,1% dan 3,3%.

Gambar 4 Ketebalan dan profil doping epiwafer 200mm dalam reaktor PE1O8.

Untuk menyelidiki kepadatan cacat wafer yang tumbuh secara epitaksi, candela digunakan. Seperti yang ditunjukkan pada gambar. Kepadatan total cacat sebesar 5 serendah 1,43 cm-2 dan 3,06 cm-2 dicapai masing-masing pada sampel 150mm dan 200mm. Oleh karena itu, total area tersedia (TUA) setelah epitaksi dihitung menjadi 97% dan 92% untuk sampel 150 mm dan 200 mm. Perlu disebutkan bahwa hasil ini dicapai hanya setelah beberapa kali dijalankan dan dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menyempurnakan parameter proses.

Gambar 5 Peta cacat Candela dari epiwafer setebal 6μm, 200mm (kiri) dan 150mm (kanan) yang ditumbuhkan dengan PE1O8.

Kesimpulan

Makalah ini menyajikan reaktor CVD dinding panas PE1O8 yang baru dirancang dan kemampuannya untuk melakukan epitaksi 4H-SiC yang seragam pada substrat 200mm. Hasil awal pada 200mm sangat menjanjikan, dengan variasi ketebalan serendah 2,1% di seluruh permukaan sampel dan variasi kinerja doping serendah 3,3% di seluruh permukaan sampel. TUA setelah epitaksi dihitung masing-masing sebesar 97% dan 92% untuk sampel 150mm dan 200mm, dan TUA untuk 200mm diperkirakan akan meningkat di masa mendatang dengan kualitas substrat yang lebih tinggi. Mengingat bahwa hasil pada media 200mm yang dilaporkan di sini didasarkan pada beberapa rangkaian pengujian, kami yakin bahwa hasil yang sudah lebih baik, yang sudah mendekati hasil canggih pada sampel 150mm, dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan cara menyempurnakan parameter pertumbuhan.