ఇటలీ యొక్క LPE యొక్క 200mm SiC ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ పురోగతి

పరిచయం

అధిక ఉష్ణోగ్రత స్థిరత్వం, విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్, అధిక బ్రేక్‌డౌన్ ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ బలం మరియు అధిక ఉష్ణ వాహకత వంటి అత్యుత్తమ ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాల కారణంగా SiC అనేక అనువర్తనాల్లో Si కంటే మెరుగైనది. నేడు, అధిక స్విచింగ్ వేగం, అధిక ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రతలు మరియు SiC మెటల్ ఆక్సైడ్ సెమీకండక్టర్ ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల (MOSFETలు) తక్కువ ఉష్ణ నిరోధకత కారణంగా ఎలక్ట్రిక్ వెహికల్ ట్రాక్షన్ సిస్టమ్‌ల లభ్యత గణనీయంగా మెరుగుపడుతోంది. SiC-ఆధారిత పవర్ పరికరాల మార్కెట్ గత కొన్ని సంవత్సరాలుగా చాలా వేగంగా అభివృద్ధి చెందింది; అందువల్ల, అధిక-నాణ్యత, లోపం లేని మరియు ఏకరీతి SiC పదార్థాలకు డిమాండ్ పెరిగింది.

గత కొన్ని దశాబ్దాలుగా, 4H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్ సరఫరాదారులు పొరల వ్యాసాలను 2 అంగుళాల నుండి 150 mm వరకు పెంచగలిగారు (అదే క్రిస్టల్ నాణ్యతను కొనసాగించడం). నేడు, SiC పరికరాల కోసం ప్రధాన స్రవంతి పొర పరిమాణం 150 mm, మరియు యూనిట్ పరికరానికి ఉత్పత్తి వ్యయాన్ని తగ్గించడానికి, కొంతమంది పరికర తయారీదారులు 200 mm ఫ్యాబ్‌లను స్థాపించే ప్రారంభ దశలో ఉన్నారు. ఈ లక్ష్యాన్ని సాధించడానికి, వాణిజ్యపరంగా అందుబాటులో ఉన్న 200 mm SiC పొరల అవసరంతో పాటు, ఏకరీతి SiC ఎపిటాక్సీని నిర్వహించగల సామర్థ్యం కూడా ఎక్కువగా కోరబడుతుంది. అందువల్ల, మంచి నాణ్యమైన 200 mm SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లను పొందిన తర్వాత, ఈ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై అధిక-నాణ్యత ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధిని చేయడం తదుపరి సవాలు. LPE 200mm SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లను ప్రాసెస్ చేయగల మల్టీ-జోన్ ఇంప్లాంటేషన్ సిస్టమ్‌తో కూడిన క్షితిజ సమాంతర సింగిల్ క్రిస్టల్ హాట్-వాల్ పూర్తిగా ఆటోమేటెడ్ CVD రియాక్టర్ (PE1O8 అని పేరు పెట్టబడింది) రూపొందించబడింది మరియు నిర్మించింది. ఇక్కడ, మేము 150mm 4H-SiC ఎపిటాక్సీపై దాని పనితీరును అలాగే 200mm ఎపివేఫర్‌లపై ప్రాథమిక ఫలితాలను నివేదిస్తాము.

ఫలితాలు మరియు చర్చ

PE1O8 అనేది పూర్తిగా ఆటోమేటెడ్ క్యాసెట్-టు-క్యాసెట్ సిస్టమ్, ఇది 200mm SiC పొరలను ప్రాసెస్ చేయడానికి రూపొందించబడింది. ఫార్మాట్‌ను 150 మరియు 200mm మధ్య మార్చవచ్చు, సాధనం పనికిరాని సమయాన్ని తగ్గిస్తుంది. తాపన దశల తగ్గింపు ఉత్పాదకతను పెంచుతుంది, అయితే ఆటోమేషన్ శ్రమను తగ్గిస్తుంది మరియు నాణ్యత మరియు పునరావృతతను మెరుగుపరుస్తుంది. సమర్థవంతమైన మరియు వ్యయ-పోటీతో కూడిన ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియను నిర్ధారించడానికి, మూడు ప్రధాన కారకాలు నివేదించబడ్డాయి: 1) వేగవంతమైన ప్రక్రియ, 2) మందం మరియు డోపింగ్ యొక్క అధిక ఏకరూపత, 3) ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియలో లోపాలను తగ్గించడం. PE1O8లో, చిన్న గ్రాఫైట్ ద్రవ్యరాశి మరియు ఆటోమేటెడ్ లోడింగ్/అన్‌లోడింగ్ సిస్టమ్ ప్రామాణిక పరుగును 75 నిమిషాల కంటే తక్కువ సమయంలో పూర్తి చేయడానికి అనుమతిస్తాయి (ప్రామాణిక 10μm షాట్‌కీ డయోడ్ రెసిపీ 30μm/h వృద్ధి రేటును ఉపయోగిస్తుంది). ఆటోమేటెడ్ సిస్టమ్ అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద లోడ్ / అన్‌లోడ్ చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. ఫలితంగా, తాపన మరియు శీతలీకరణ సమయాలు రెండూ తక్కువగా ఉంటాయి, అయితే బేకింగ్ దశను ఇప్పటికే అణిచివేసాయి. ఇటువంటి ఆదర్శ పరిస్థితులు నిజంగా అన్‌డాప్ చేయని పదార్థం యొక్క పెరుగుదలను అనుమతిస్తాయి.

పరికరాల యొక్క కాంపాక్ట్‌నెస్ మరియు దాని మూడు-ఛానల్ ఇంజెక్షన్ సిస్టమ్ డోపింగ్ మరియు మందం ఏకరూపత రెండింటిలోనూ అధిక పనితీరుతో బహుముఖ వ్యవస్థను కలిగిస్తుంది. 150 మిమీ మరియు 200 మిమీ సబ్‌స్ట్రేట్ ఫార్మాట్‌ల కోసం పోల్చదగిన గ్యాస్ ఫ్లో మరియు ఉష్ణోగ్రత ఏకరూపతను నిర్ధారించడానికి కంప్యూటేషనల్ ఫ్లూయిడ్ డైనమిక్స్ (సిఎఫ్‌డి) అనుకరణలను ఉపయోగించి ఇది నిర్వహించబడింది. మూర్తి 1లో చూపినట్లుగా, ఈ కొత్త ఇంజెక్షన్ సిస్టమ్ డిపాజిషన్ చాంబర్‌లోని సెంట్రల్ మరియు పార్శ్వ భాగాలలో ఏకరీతిలో గ్యాస్‌ను అందిస్తుంది. గ్యాస్ మిక్సింగ్ సిస్టమ్ స్థానికంగా పంపిణీ చేయబడిన గ్యాస్ కెమిస్ట్రీ యొక్క వైవిధ్యాన్ని అనుమతిస్తుంది, ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధిని ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి సర్దుబాటు చేయగల ప్రక్రియ పారామితుల సంఖ్యను మరింత విస్తరిస్తుంది.

మూర్తి 1 ఉపరితలం నుండి 10 మి.మీ ఎత్తులో ఉన్న విమానం వద్ద PE1O8 ప్రాసెస్ చాంబర్‌లో అనుకరణ వాయువు వేగం పరిమాణం (పైభాగం) మరియు గ్యాస్ ఉష్ణోగ్రత (దిగువ).

ఇతర లక్షణాలలో మెరుగైన గ్యాస్ రొటేషన్ సిస్టమ్ ఉన్నాయి, ఇది పనితీరును సున్నితంగా చేయడానికి మరియు భ్రమణ వేగాన్ని నేరుగా కొలవడానికి ఫీడ్‌బ్యాక్ కంట్రోల్ అల్గారిథమ్‌ను ఉపయోగిస్తుంది మరియు ఉష్ణోగ్రత నియంత్రణ కోసం కొత్త తరం PID. ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియ పారామితులు. ప్రోటోటైప్ చాంబర్‌లో n-రకం 4H-SiC ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ ప్రక్రియ అభివృద్ధి చేయబడింది. ట్రైక్లోరోసిలేన్ మరియు ఇథిలీన్ సిలికాన్ మరియు కార్బన్ పరమాణువులకు పూర్వగాములుగా ఉపయోగించబడ్డాయి; H2 క్యారియర్ గ్యాస్‌గా ఉపయోగించబడింది మరియు n-రకం డోపింగ్ కోసం నైట్రోజన్ ఉపయోగించబడింది. Si-ఫేస్డ్ కమర్షియల్ 150mm SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు మరియు రీసెర్చ్-గ్రేడ్ 200mm SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు 6.5μm మందం 1×1016cm-3 n-డోప్డ్ 4H-SiC ఎపిలేయర్‌లను పెంచడానికి ఉపయోగించబడ్డాయి. ఎత్తైన ఉష్ణోగ్రత వద్ద H2 ప్రవాహాన్ని ఉపయోగించి ఉపరితల ఉపరితలం సిటులో చెక్కబడింది. ఈ ఎచింగ్ దశ తర్వాత, స్మూటింగ్ లేయర్‌ను సిద్ధం చేయడానికి తక్కువ వృద్ధి రేటు మరియు తక్కువ C/Si నిష్పత్తిని ఉపయోగించి n-రకం బఫర్ లేయర్‌ని పెంచారు. ఈ బఫర్ లేయర్ పైన, అధిక వృద్ధి రేటు (30μm/h)తో క్రియాశీల పొర అధిక C/Si నిష్పత్తిని ఉపయోగించి జమ చేయబడింది. అభివృద్ధి చెందిన ప్రక్రియ ST యొక్క స్వీడిష్ సౌకర్యం వద్ద ఇన్స్టాల్ చేయబడిన PE1O8 రియాక్టర్‌కు బదిలీ చేయబడింది. 150mm మరియు 200mm నమూనాల కోసం ఇలాంటి ప్రక్రియ పారామితులు మరియు గ్యాస్ పంపిణీ ఉపయోగించబడ్డాయి. పరిమిత సంఖ్యలో అందుబాటులో ఉన్న 200 మిమీ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కారణంగా వృద్ధి పారామితుల యొక్క ఫైన్ ట్యూనింగ్ భవిష్యత్తు అధ్యయనాలకు వాయిదా వేయబడింది.

నమూనాల స్పష్టమైన మందం మరియు డోపింగ్ పనితీరు వరుసగా FTIR మరియు CV మెర్క్యురీ ప్రోబ్ ద్వారా అంచనా వేయబడ్డాయి. ఉపరితల స్వరూపాన్ని నోమార్స్కీ డిఫరెన్షియల్ ఇంటర్‌ఫరెన్స్ కాంట్రాస్ట్ (NDIC) మైక్రోస్కోపీ ద్వారా పరిశోధించారు మరియు ఎపిలేయర్‌ల లోపం సాంద్రతను కాండెలా కొలుస్తారు. ప్రాథమిక ఫలితాలు. ప్రోటోటైప్ ఛాంబర్‌లో ప్రాసెస్ చేయబడిన 150 మిమీ మరియు 200 మిమీ ఎపిటాక్సియల్‌గా పెరిగిన నమూనాల డోపింగ్ మరియు మందం యొక్క ప్రాథమిక ఫలితాలు మూర్తి 2లో చూపబడ్డాయి. ఎపిలేయర్‌లు 150 మిమీ మరియు 200 మిమీ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉపరితలంపై, మందం వైవిధ్యాలతో (σ/మీన్) ఏకరీతిగా పెరిగాయి. ) వరుసగా 0.4% మరియు 1.4%, మరియు డోపింగ్ వైవిధ్యాలు (σ- సగటు) 1.1% మరియు 5.6% కంటే తక్కువగా ఉన్నాయి. అంతర్గత డోపింగ్ విలువలు సుమారు 1×1014 cm-3.

మూర్తి 2 200 mm మరియు 150 mm ఎపివేఫర్‌ల మందం మరియు డోపింగ్ ప్రొఫైల్‌లు.

రన్-టు-రన్ వైవిధ్యాలను పోల్చడం ద్వారా ప్రక్రియ యొక్క పునరావృతత పరిశోధించబడింది, దీని ఫలితంగా మందం వైవిధ్యాలు 0.7% తక్కువగా మరియు డోపింగ్ వైవిధ్యాలు 3.1% కంటే తక్కువగా ఉన్నాయి. మూర్తి 3లో చూపినట్లుగా, కొత్త 200mm ప్రక్రియ ఫలితాలు గతంలో PE1O6 రియాక్టర్ ద్వారా 150mmలో పొందిన స్టేట్ ఆఫ్ ది ఆర్ట్ ఫలితాలతో పోల్చవచ్చు.

మూర్తి 3 ప్రోటోటైప్ చాంబర్ (పైభాగం) ద్వారా ప్రాసెస్ చేయబడిన 200mm నమూనా యొక్క లేయర్-బై-లేయర్ మందం మరియు డోపింగ్ ఏకరూపత మరియు PE1O6 (దిగువ) ద్వారా రూపొందించబడిన స్టేట్ ఆఫ్ ది ఆర్ట్ 150mm నమూనా.

నమూనాల ఉపరితల స్వరూపానికి సంబంధించి, NDIC మైక్రోస్కోపీ సూక్ష్మదర్శిని యొక్క గుర్తించదగిన పరిధి కంటే తక్కువ కరుకుదనంతో మృదువైన ఉపరితలాన్ని నిర్ధారించింది. PE1O8 ఫలితాలు. ప్రక్రియ PE1O8 రియాక్టర్‌కు బదిలీ చేయబడింది. 200mm ఎపివేఫర్‌ల యొక్క మందం మరియు డోపింగ్ ఏకరూపత మూర్తి 4లో చూపబడింది. ఎపిలేయర్‌లు ఉపరితల ఉపరితలం వెంట మందం మరియు డోపింగ్ వైవిధ్యాలు (σ/సగటు) వరుసగా 2.1% మరియు 3.3% కంటే తక్కువగా పెరుగుతాయి.

మూర్తి 4 PE1O8 రియాక్టర్‌లో 200mm ఎపివేఫర్ యొక్క మందం మరియు డోపింగ్ ప్రొఫైల్.

ఎపిటాక్సియల్‌గా పెరిగిన పొరల లోపం సాంద్రతను పరిశోధించడానికి, క్యాండేలా ఉపయోగించబడింది. చిత్రంలో చూపిన విధంగా. 150 మిమీ మరియు 200 మిమీ నమూనాలపై మొత్తం లోపం సాంద్రతలు 5 కంటే తక్కువ 1.43 cm-2 మరియు 3.06 cm-2 సాధించబడ్డాయి. ఎపిటాక్సీ తర్వాత అందుబాటులో ఉన్న మొత్తం ప్రాంతం (TUA) 150mm మరియు 200mm నమూనాల కోసం వరుసగా 97% మరియు 92%గా లెక్కించబడుతుంది. ఈ ఫలితాలు కొన్ని పరుగుల తర్వాత మాత్రమే సాధించబడ్డాయి మరియు ప్రక్రియ పారామితులను చక్కగా ట్యూన్ చేయడం ద్వారా మరింత మెరుగుపరచవచ్చు.

మూర్తి 5 PE1O8తో పెరిగిన 6μm మందం 200mm (ఎడమ) మరియు 150mm (కుడి) ఎపివేఫర్‌ల క్యాండేలా లోపం మ్యాప్‌లు.

తీర్మానం

ఈ పేపర్ కొత్తగా రూపొందించిన PE1O8 హాట్-వాల్ CVD రియాక్టర్ మరియు 200mm సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఏకరీతి 4H-SiC ఎపిటాక్సీని నిర్వహించగల సామర్థ్యాన్ని అందిస్తుంది. 200mmపై ప్రాథమిక ఫలితాలు చాలా ఆశాజనకంగా ఉన్నాయి, నమూనా ఉపరితలం అంతటా 2.1% మందం వైవిధ్యాలు మరియు నమూనా ఉపరితలం అంతటా 3.3% కంటే తక్కువ డోపింగ్ పనితీరు వైవిధ్యాలు ఉన్నాయి. ఎపిటాక్సీ తర్వాత TUA 150mm మరియు 200mm నమూనాలకు వరుసగా 97% మరియు 92%గా లెక్కించబడింది మరియు 200mm కోసం TUA భవిష్యత్తులో అధిక సబ్‌స్ట్రేట్ నాణ్యతతో మెరుగుపడుతుందని అంచనా వేయబడింది. ఇక్కడ నివేదించబడిన 200mm సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఫలితాలు కొన్ని సెట్ల పరీక్షల ఆధారంగా ఉన్నాయని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, ఇప్పటికే 150mm నమూనాలలో అత్యాధునిక ఫలితాలకు దగ్గరగా ఉన్న ఫలితాలను మరింత మెరుగుపరచడం సాధ్యమవుతుందని మేము విశ్వసిస్తున్నాము. వృద్ధి పారామితులను చక్కగా సర్దుబాటు చేస్తుంది.