Progresso da tecnologia epitaxial SiC de 200 mm da LPE italiana

Introdução

O SiC é superior ao Si em muitas aplicações devido às suas propriedades eletrônicas superiores, como estabilidade em altas temperaturas, amplo bandgap, alta intensidade de campo elétrico de ruptura e alta condutividade térmica. Hoje, a disponibilidade de sistemas de tração de veículos elétricos está sendo significativamente melhorada devido às velocidades de comutação mais altas, temperaturas operacionais mais altas e menor resistência térmica dos transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico de SiC (MOSFETs). O mercado de dispositivos de energia baseados em SiC cresceu muito rapidamente nos últimos anos; portanto, a demanda por materiais de SiC uniformes, de alta qualidade e sem defeitos aumentou.

Nas últimas décadas, os fornecedores de substrato 4H-SiC conseguiram aumentar os diâmetros dos wafers de 2 polegadas para 150 mm (mantendo a mesma qualidade do cristal). Hoje, o tamanho do wafer convencional para dispositivos de SiC é de 150 mm e, para reduzir o custo de produção por unidade de dispositivo, alguns fabricantes de dispositivos estão nos estágios iniciais de estabelecimento de fábricas de 200 mm. Para atingir esse objetivo, além da necessidade de wafers de SiC de 200 mm disponíveis comercialmente, a capacidade de realizar epitaxia de SiC uniforme também é altamente desejada. Portanto, após a obtenção de substratos de SiC de 200 mm de boa qualidade, o próximo desafio será realizar crescimento epitaxial de alta qualidade nesses substratos. A LPE projetou e construiu um reator CVD horizontal de parede quente de cristal único totalmente automatizado (denominado PE1O8) equipado com um sistema de implantação multizona capaz de processar substratos de SiC de até 200 mm. Aqui, relatamos seu desempenho em epitaxia 4H-SiC de 150 mm, bem como resultados preliminares em epiwafers de 200 mm.

Resultados e discussão

PE1O8 é um sistema cassete a cassete totalmente automatizado projetado para processar wafers de SiC de até 200 mm. O formato pode ser alternado entre 150 e 200 mm, minimizando o tempo de inatividade da ferramenta. A redução dos estágios de aquecimento aumenta a produtividade, enquanto a automação reduz a mão de obra e melhora a qualidade e a repetibilidade. Para garantir um processo de epitaxia eficiente e com custo competitivo, três fatores principais são relatados: 1) processo rápido, 2) alta uniformidade de espessura e dopagem, 3) minimização da formação de defeitos durante o processo de epitaxia. No PE1O8, a pequena massa de grafite e o sistema automatizado de carga/descarga permitem que uma execução padrão seja concluída em menos de 75 minutos (uma receita padrão de diodo Schottky de 10 μm usa uma taxa de crescimento de 30 μm/h). O sistema automatizado permite carga/descarga em altas temperaturas. Como resultado, os tempos de aquecimento e resfriamento são curtos, ao mesmo tempo que suprime a etapa de cozimento. Tais condições ideais permitem o crescimento de material verdadeiramente não dopado.

A compacidade do equipamento e seu sistema de injeção de três canais resultam em um sistema versátil com alto desempenho tanto em dopagem quanto em uniformidade de espessura. Isso foi realizado usando simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para garantir fluxo de gás comparável e uniformidade de temperatura para formatos de substrato de 150 mm e 200 mm. Conforme mostrado na Figura 1, este novo sistema de injeção distribui gás uniformemente nas partes central e lateral da câmara de deposição. O sistema de mistura de gases permite a variação da química do gás distribuída localmente, expandindo ainda mais o número de parâmetros de processo ajustáveis ​​para otimizar o crescimento epitaxial.

Figura 1 Magnitude simulada da velocidade do gás (parte superior) e temperatura do gás (parte inferior) na câmara de processo PE1O8 em um plano localizado 10 mm acima do substrato.

Outros recursos incluem um sistema aprimorado de rotação de gás que usa um algoritmo de controle de feedback para suavizar o desempenho e medir diretamente a velocidade de rotação, e uma nova geração de PID para controle de temperatura. Parâmetros do processo epitaxia. Um processo de crescimento epitaxial 4H-SiC tipo n foi desenvolvido em uma câmara protótipo. Triclorosilano e etileno foram utilizados como precursores de átomos de silício e carbono; H2 foi usado como gás de arraste e nitrogênio foi usado para dopagem do tipo n. Substratos comerciais de SiC de 150 mm com face de Si e substratos de SiC de 200 mm de nível de pesquisa foram usados ​​para cultivar epicamadas 4H-SiC dopadas com n de 6,5 μm de espessura 1 × 1016cm-3. A superfície do substrato foi gravada in situ usando um fluxo de H2 a temperatura elevada. Após esta etapa de ataque, uma camada tampão tipo n foi cultivada usando uma baixa taxa de crescimento e uma baixa relação C/Si para preparar uma camada de alisamento. No topo desta camada tampão, uma camada ativa com alta taxa de crescimento (30 μm/h) foi depositada usando uma relação C/Si mais alta. O processo desenvolvido foi então transferido para um reator PE1O8 instalado nas instalações suecas da ST. Parâmetros de processo e distribuição de gás semelhantes foram usados ​​para amostras de 150 mm e 200 mm. O ajuste fino dos parâmetros de crescimento foi adiado para estudos futuros devido ao número limitado de substratos disponíveis de 200 mm.

A espessura aparente e o desempenho de dopagem das amostras foram avaliados por sonda de mercúrio FTIR e CV, respectivamente. A morfologia da superfície foi investigada por microscopia de contraste de interferência diferencial Nomarski (NDIC), e a densidade do defeito das epicamadas foi medida por Candela. Resultados preliminares. Resultados preliminares de dopagem e uniformidade de espessura de amostras cultivadas epitaxialmente de 150 mm e 200 mm processadas na câmara protótipo são mostrados na Figura 2. As epicamadas cresceram uniformemente ao longo da superfície dos substratos de 150 mm e 200 mm, com variações de espessura (σ/média ) tão baixas quanto 0,4% e 1,4%, respectivamente, e variações de doping (média σ) tão baixas quanto 1,1% e 5,6%. Os valores de dopagem intrínseca foram de aproximadamente 1×1014 cm-3.

Figura 2 Espessura e perfis de dopagem de epiwafers de 200 mm e 150 mm.

A repetibilidade do processo foi investigada comparando variações entre corridas, resultando em variações de espessura tão baixas quanto 0,7% e variações de dopagem tão baixas quanto 3,1%. Conforme mostrado na Figura 3, os novos resultados do processo de 200 mm são comparáveis ​​aos resultados de última geração obtidos anteriormente em 150 mm por um reator PE1O6.

Figura 3 Espessura camada por camada e uniformidade de dopagem de uma amostra de 200 mm processada por uma câmara protótipo (parte superior) e uma amostra de 150 mm de última geração fabricada por PE1O6 (parte inferior).

Em relação à morfologia superficial das amostras, a microscopia NDIC confirmou uma superfície lisa com rugosidade abaixo da faixa detectável do microscópio. Resultados PE1O8. O processo foi então transferido para um reator PE1O8. A espessura e a uniformidade de dopagem dos epiwafers de 200 mm são mostradas na Figura 4. As epicamadas crescem uniformemente ao longo da superfície do substrato com variações de espessura e dopagem (σ/média) tão baixas quanto 2,1% e 3,3%, respectivamente.

Figura 4 Espessura e perfil de dopagem de um epiwafer de 200 mm em um reator PE1O8.

Para investigar a densidade de defeitos de wafers cultivados epitaxialmente, utilizou-se candela. Conforme mostrado na figura. Densidades totais de defeitos de 5 a 1,43 cm-2 e 3,06 cm-2 foram alcançadas nas amostras de 150 mm e 200 mm, respectivamente. A área total disponível (TUA) após a epitaxia foi, portanto, calculada em 97% e 92% para as amostras de 150 mm e 200 mm, respectivamente. Vale ressaltar que esses resultados foram alcançados somente após algumas execuções e podem ser melhorados através do ajuste fino dos parâmetros do processo.

Figura 5 Mapas de defeitos Candela de epiwafers de 6 μm de espessura de 200 mm (esquerda) e 150 mm (direita) cultivados com PE1O8.

Conclusão

Este artigo apresenta o recém-projetado reator CVD de parede quente PE1O8 e sua capacidade de realizar epitaxia 4H-SiC uniforme em substratos de 200 mm. Os resultados preliminares em 200 mm são muito promissores, com variações de espessura tão baixas quanto 2,1% em toda a superfície da amostra e variações de desempenho de dopagem tão baixas quanto 3,3% em toda a superfície da amostra. A TUA após a epitaxia foi calculada em 97% e 92% para as amostras de 150 mm e 200 mm, respectivamente, e prevê-se que a TUA para 200 mm melhore no futuro com maior qualidade do substrato. Considerando que os resultados em substratos de 200mm aqui relatados são baseados em alguns conjuntos de testes, acreditamos que será possível melhorar ainda mais os resultados, que já estão próximos dos resultados do estado da arte em amostras de 150mm, através de ajustar os parâmetros de crescimento.