ความก้าวหน้าของเทคโนโลยี epitaxis SiC ขนาด 200 มม. ของอิตาลี

การแนะนำ

SiC นั้นเหนือกว่า Si ในการใช้งานหลายๆ อย่าง เนื่องจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เหนือกว่า เช่น ความเสถียรที่อุณหภูมิสูง แถบความถี่กว้าง ความแรงของสนามไฟฟ้าที่มีการแยกส่วนสูง และการนำความร้อนสูง ปัจจุบัน ความพร้อมใช้งานของระบบฉุดลากรถยนต์ไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากความเร็วในการเปลี่ยนที่สูงขึ้น อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น และความต้านทานความร้อนที่ลดลงของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามเซมิคอนดักเตอร์เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ SiC (MOSFET) ตลาดสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ SiC เติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ดังนั้นความต้องการวัสดุ SiC คุณภาพสูง ปราศจากข้อบกพร่อง และสม่ำเสมอจึงเพิ่มขึ้น

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาซัพพลายเออร์ 4H-SIC สามารถขยายขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของเวเฟอร์จาก 2 นิ้วถึง 150 มม. (รักษาคุณภาพคริสตัลเดียวกัน) วันนี้ขนาดเวเฟอร์กระแสหลักสำหรับอุปกรณ์ SIC คือ 150 มม. และเพื่อลดต้นทุนการผลิตต่ออุปกรณ์อุปกรณ์ผู้ผลิตอุปกรณ์บางรายอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการสร้าง Fabs 200 มม. เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้นอกเหนือจากความต้องการเวเฟอร์ SIC ขนาด 200 มม. ที่มีวางจำหน่ายทั่วไปแล้วความสามารถในการดำเนินการ Epitaxy SIC สม่ำเสมอก็เป็นที่ต้องการอย่างมากเช่นกัน ดังนั้นหลังจากได้รับสารตั้งต้น SIC ที่มีคุณภาพ 200 มม. ความท้าทายต่อไปคือการเติบโตของ epitaxial คุณภาพสูงบนพื้นผิวเหล่านี้ LPE ได้ออกแบบและสร้างเครื่องปฏิกรณ์ CVD แบบอัตโนมัติ Crystal Hot-Wall แบบเดียวในแนวนอน (ชื่อ PE1O8) ที่ติดตั้งระบบการปลูกถ่ายหลายโซนที่สามารถประมวลผลพื้นผิว SIC ได้สูงสุด 200 มม. ที่นี่เรารายงานประสิทธิภาพของมันใน epitaxy ขนาด 150 มม. 4H-SIC รวมถึงผลลัพธ์เบื้องต้นของ epiwafers 200 มม.

ผลลัพธ์และการอภิปราย

PE1O8 เป็นระบบคาสเซ็ตต่อคาสเซ็ตอัตโนมัติเต็มรูปแบบ ออกแบบมาเพื่อประมวลผลเวเฟอร์ SiC สูงสุด 200 มม. สามารถเปลี่ยนรูปแบบได้ระหว่าง 150 ถึง 200 มม. เพื่อลดเวลาหยุดทำงานของเครื่องมือ การลดขั้นตอนการให้ความร้อนจะเพิ่มผลผลิต ในขณะที่ระบบอัตโนมัติช่วยลดแรงงาน และปรับปรุงคุณภาพและความสามารถในการทำซ้ำ เพื่อให้มั่นใจถึงกระบวนการ epitaxy ที่มีประสิทธิภาพและต้นทุนที่แข่งขันได้ มีการรายงานปัจจัยหลักสามประการ: 1) กระบวนการที่รวดเร็ว 2) ความสม่ำเสมอของความหนาและการเติมสูง 3) ลดการเกิดข้อบกพร่องให้เหลือน้อยที่สุดในระหว่างกระบวนการ epitaxy ใน PE1O8 มวลกราไฟท์ขนาดเล็กและระบบการโหลด/ขนถ่ายอัตโนมัติช่วยให้การทำงานแบบมาตรฐานเสร็จสิ้นภายในเวลาไม่ถึง 75 นาที (สูตรไดโอดชอตกีมาตรฐาน 10μm ใช้อัตราการเติบโต 30μm/ชม.) ระบบอัตโนมัติช่วยให้สามารถขนถ่ายสินค้าได้ที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้ทั้งเวลาในการทำความร้อนและความเย็นสั้นลง ขณะเดียวกันก็ระงับขั้นตอนการอบไว้แล้ว สภาวะที่เหมาะสมเช่นนี้ทำให้สามารถเจริญเติบโตของวัสดุที่ไม่มีการเจือปนได้อย่างแท้จริง

ความกะทัดรัดของอุปกรณ์และระบบหัวฉีดสามช่องส่งผลให้เป็นระบบอเนกประสงค์ที่มีประสิทธิภาพสูงทั้งในด้านสารต้องห้ามและความสม่ำเสมอของความหนา สิ่งนี้ดำเนินการโดยใช้การจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) เพื่อให้แน่ใจว่าการไหลของก๊าซและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิที่เทียบเคียงได้สำหรับรูปแบบซับสเตรต 150 มม. และ 200 มม. ดังแสดงในรูปที่ 1 ระบบหัวฉีดใหม่นี้ส่งก๊าซอย่างสม่ำเสมอในส่วนกลางและด้านข้างของห้องสะสม ระบบผสมก๊าซช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเคมีของก๊าซที่กระจายอยู่ในท้องถิ่น ซึ่งขยายจำนวนพารามิเตอร์กระบวนการที่ปรับได้เพิ่มเติม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเติบโตของอีพิแทกเซียล

รูปที่ 1 ขนาดความเร็วของก๊าซจำลอง (ด้านบน) และอุณหภูมิของก๊าซ (ด้านล่าง) ในห้องกระบวนการ PE1O8 ที่ระนาบซึ่งอยู่เหนือพื้นผิว 10 มม.

คุณสมบัติอื่น ๆ รวมถึงระบบการหมุนก๊าซที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งใช้อัลกอริทึมการควบคุมความคิดเห็นเพื่อให้ประสิทธิภาพราบรื่นและวัดความเร็วในการหมุนโดยตรงและ PID รุ่นใหม่สำหรับการควบคุมอุณหภูมิ พารามิเตอร์กระบวนการ epitaxy กระบวนการเติบโต epitaxial แบบ N-type 4H-SIC ได้รับการพัฒนาในห้องต้นแบบ Trichlorosilane และ Ethylene ถูกนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับอะตอมซิลิกอนและคาร์บอน H2 ถูกใช้เป็นก๊าซพาหะและไนโตรเจนใช้สำหรับยาสลบ N-type พื้นผิว SIC ขนาด 150 มม. Si-faced และพื้นผิว SIC ขนาด 200 มม. การวิจัยถูกใช้เพื่อเติบโตหนา6.5μm 1 × 1016cm-3 N-doped 4H-SIC epilayers พื้นผิวพื้นผิวถูกแกะสลักในแหล่งกำเนิดโดยใช้การไหลของ H2 ที่อุณหภูมิสูง หลังจากขั้นตอนการแกะสลักนี้ชั้นบัฟเฟอร์ N-type ได้รับการเติบโตโดยใช้อัตราการเจริญเติบโตต่ำและอัตราส่วน C/Si ต่ำเพื่อเตรียมเลเยอร์ให้เรียบ ด้านบนของชั้นบัฟเฟอร์นี้ชั้นที่ใช้งานที่มีอัตราการเติบโตสูง (30μm/h) ถูกวางโดยใช้อัตราส่วน C/Si ที่สูงขึ้น กระบวนการที่พัฒนาแล้วจะถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องปฏิกรณ์ PE1O8 ที่ติดตั้งที่โรงงานสวีเดนของ ST พารามิเตอร์กระบวนการที่คล้ายกันและการกระจายก๊าซใช้สำหรับตัวอย่าง 150 มม. และ 200 มม. การปรับค่าพารามิเตอร์การเจริญเติบโตอย่างละเอียดถูกเลื่อนออกไปสู่การศึกษาในอนาคตเนื่องจากมีสารตั้งต้น 200 มม. ที่มีอยู่จำนวน จำกัด

ความหนาที่ชัดเจนและประสิทธิภาพยาสลบของตัวอย่างได้รับการประเมินโดย FTIR และ CV Mercury Probe ตามลำดับ สัณฐานวิทยาของพื้นผิวถูกตรวจสอบโดยกล้องจุลทรรศน์การรบกวนเชิงอนุพันธ์ Nomarski (NDIC) และความหนาแน่นของข้อบกพร่องของ epilayers ถูกวัดโดย Candela ผลลัพธ์เบื้องต้น ผลลัพธ์เบื้องต้นของการเติมและความหนาสม่ำเสมอที่ 150 มม. และ 200 มม. ตัวอย่างที่ปลูก epitaxially ประมวลผลในห้องต้นแบบแสดงในรูปที่ 2 epilayers เติบโตอย่างสม่ำเสมอตามพื้นผิวของพื้นผิว 150 มม. และ 200 มม. ) ต่ำถึง 0.4% และ 1.4% ตามลำดับและการเปลี่ยนแปลงของยาสลบ (σ-mean) ต่ำสุดที่ 1.1% และ 5.6% ค่ายาสลบภายในประมาณ 1 × 1014 ซม. -3

รูปที่ 2 โปรไฟล์ความหนาและการเติมของเอพิเวเฟอร์ 200 มม. และ 150 มม.

ความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการได้รับการตรวจสอบโดยการเปรียบเทียบความแปรปรวนแบบวิ่งต่อการวิ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความหนาต่ำถึง 0.7% และการเปลี่ยนแปลงของยาสลบต่ำสุดที่ 3.1% ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ผลลัพธ์กระบวนการ 200 มม. ใหม่นั้นเทียบได้กับผลลัพธ์ที่ทันสมัยที่ได้รับก่อนหน้านี้ใน 150 มม. โดยเครื่องปฏิกรณ์ PE1O6

รูปที่ 3 ความหนาแบบเลเยอร์โดยเลเยอร์และความสม่ำเสมอในการเติมของตัวอย่าง 200 มม. ที่ประมวลผลโดยห้องต้นแบบ (บนสุด) และตัวอย่างที่ทันสมัย ​​150 มม. ที่ประดิษฐ์โดย PE1O6 (ด้านล่าง)

เกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของตัวอย่างกล้องจุลทรรศน์ NDIC ยืนยันพื้นผิวที่เรียบด้วยความหยาบต่ำกว่าช่วงที่ตรวจพบได้ของกล้องจุลทรรศน์ ผลลัพธ์ PE1O8 กระบวนการนี้ถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องปฏิกรณ์ PE1O8 ความหนาและความสม่ำเสมอของยาสลบของ epiwafers ขนาด 200 มม. แสดงในรูปที่ 4 epilayers เติบโตอย่างสม่ำเสมอตามพื้นผิวพื้นผิวที่มีความหนาและการแปรผันของยาสลบ (σ/ค่าเฉลี่ย) ต่ำสุดที่ 2.1% และ 3.3% ตามลำดับ

รูปที่ 4 ความหนาและโปรไฟล์ยาสลบของ epiwafer ขนาด 200 มม. ในเครื่องปฏิกรณ์ PE1O8

เพื่อตรวจสอบความหนาแน่นของข้อบกพร่องของเวเฟอร์ที่ปลูกโดยเอพิแทกเซียล จะใช้แคนเดลา ดังแสดงในรูป. ความหนาแน่นของข้อบกพร่องทั้งหมดอยู่ที่ 5 ซึ่งต่ำเพียง 1.43 ซม.-2 และ 3.06 ซม.-2 บนตัวอย่างขนาด 150 มม. และ 200 มม. ตามลำดับ ดังนั้น พื้นที่ว่างทั้งหมด (TUA) หลังจากเยื่อบุผิวจึงคำนวณเป็น 97% และ 92% สำหรับตัวอย่างขนาด 150 มม. และ 200 มม. ตามลำดับ เป็นที่น่าสังเกตว่าผลลัพธ์เหล่านี้เกิดขึ้นได้หลังจากการรันเพียงไม่กี่ครั้งเท่านั้น และสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้อีกโดยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการอย่างละเอียด

รูปที่ 5 แผนที่ข้อบกพร่องของ Candela หนา6μmหนา 200 มม. (ซ้าย) และ 150 มม. (ขวา) epiwafers ที่ปลูกด้วย PE1O8

บทสรุป

บทความนี้นำเสนอเครื่องปฏิกรณ์ CVD ผนังร้อน PE1O8 ที่ออกแบบใหม่และความสามารถในการดำเนินการเอพิแทกซี 4H-SiC ที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวขนาด 200 มม. ผลลัพธ์เบื้องต้นของวัสดุ 200 มม. มีความเป็นไปได้สูง โดยการเปลี่ยนแปลงของความหนาต่ำเพียง 2.1% ทั่วทั้งพื้นผิวตัวอย่าง และประสิทธิภาพการใช้สารต้องห้ามต่ำเพียง 3.3% ทั่วทั้งพื้นผิวตัวอย่าง TUA หลังเยื่อบุผิวถูกคำนวณเป็น 97% และ 92% สำหรับตัวอย่างขนาด 150 มม. และ 200 มม. ตามลำดับ และ TUA สำหรับ 200 มม. คาดว่าจะปรับปรุงในอนาคตด้วยคุณภาพของซับสเตรตที่สูงขึ้น เมื่อพิจารณาว่าผลลัพธ์บนพื้นผิว 200 มม. ที่รายงานในที่นี้อิงจากการทดสอบบางชุด เราเชื่อว่าจะเป็นไปได้ที่จะปรับปรุงผลลัพธ์เพิ่มเติม ซึ่งใกล้เคียงกับผลลัพธ์ที่ล้ำสมัยของตัวอย่าง 150 มม. อยู่แล้ว โดย ปรับพารามิเตอร์การเติบโตอย่างละเอียด