इटलीच्या LPE च्या 200mm SiC epitaxial तंत्रज्ञानाची प्रगती

परिचय

उच्च तापमान स्थिरता, रुंद बँडगॅप, उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ आणि उच्च थर्मल चालकता यासारख्या उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांमुळे SiC अनेक ऍप्लिकेशन्समध्ये Si पेक्षा श्रेष्ठ आहे. आज, उच्च स्विचिंग गती, उच्च ऑपरेटिंग तापमान आणि SiC मेटल ऑक्साईड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर (MOSFETs) च्या कमी थर्मल प्रतिकारांमुळे इलेक्ट्रिक वाहन ट्रॅक्शन सिस्टमची उपलब्धता लक्षणीयरीत्या सुधारली जात आहे. गेल्या काही वर्षांत SiC-आधारित पॉवर उपकरणांची बाजारपेठ खूप वेगाने वाढली आहे; त्यामुळे, उच्च-गुणवत्तेच्या, दोषमुक्त आणि एकसमान SiC सामग्रीची मागणी वाढली आहे.

गेल्या काही दशकांमध्ये, 4H-SiC सब्सट्रेट पुरवठादार वेफर व्यास 2 इंच ते 150 मिमी (समान क्रिस्टल गुणवत्ता राखून) पर्यंत वाढविण्यात सक्षम आहेत. आज, SiC उपकरणांसाठी मुख्य प्रवाहातील वेफरचा आकार 150 मिमी आहे आणि प्रति युनिट उपकरण उत्पादन खर्च कमी करण्यासाठी, काही उपकरण निर्माते 200 मिमी फॅब स्थापित करण्याच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात आहेत. हे उद्दिष्ट साध्य करण्यासाठी, व्यावसायिकरित्या उपलब्ध 200 मिमी SiC वेफर्सच्या गरजेव्यतिरिक्त, एकसमान SiC एपिटॅक्सी करण्याची क्षमता देखील अत्यंत इच्छित आहे. त्यामुळे, चांगल्या दर्जाचे 200 मिमी SiC सब्सट्रेट्स प्राप्त केल्यानंतर, या सब्सट्रेट्सवर उच्च-गुणवत्तेची एपिटॅक्सियल वाढ करणे हे पुढील आव्हान असेल. LPE ने एक क्षैतिज सिंगल क्रिस्टल हॉट-वॉल पूर्णतः स्वयंचलित CVD अणुभट्टी (PE1O8 नावाचे) डिझाइन आणि तयार केली आहे जी 200mm SiC सब्सट्रेट्स पर्यंत प्रक्रिया करण्यास सक्षम असलेल्या मल्टी-झोन इम्प्लांटेशन सिस्टमसह सुसज्ज आहे. येथे, आम्ही 150mm 4H-SiC एपिटॅक्सी तसेच 200mm एपिवेफर्सवरील प्राथमिक परिणामांवरील कामगिरीचा अहवाल देतो.

परिणाम आणि चर्चा

PE1O8 ही पूर्णपणे स्वयंचलित कॅसेट-टू-कॅसेट प्रणाली आहे जी 200mm SiC वेफर्सवर प्रक्रिया करण्यासाठी डिझाइन केलेली आहे. फॉर्मेट 150 आणि 200 मिमी दरम्यान स्विच केला जाऊ शकतो, टूल डाउनटाइम कमी करतो. हीटिंग टप्पे कमी केल्याने उत्पादकता वाढते, तर ऑटोमेशन श्रम कमी करते आणि गुणवत्ता आणि पुनरावृत्तीक्षमता सुधारते. एक कार्यक्षम आणि किफायतशीर स्पर्धात्मक एपिटॅक्सी प्रक्रिया सुनिश्चित करण्यासाठी, तीन मुख्य घटक नोंदवले जातात: 1) जलद प्रक्रिया, 2) जाडी आणि डोपिंगची उच्च एकसमानता, 3) एपिटॅक्सी प्रक्रियेदरम्यान कमीत कमी दोष निर्मिती. PE1O8 मध्ये, लहान ग्रेफाइट वस्तुमान आणि स्वयंचलित लोडिंग/अनलोडिंग सिस्टम 75 मिनिटांपेक्षा कमी वेळेत एक मानक रन पूर्ण करण्यास अनुमती देते (एक मानक 10μm Schottky डायोड रेसिपी 30μm/h वाढीचा दर वापरते). स्वयंचलित प्रणाली उच्च तापमानात लोडिंग/अनलोडिंगला परवानगी देते. परिणामी, बेकिंगची पायरी आधीच दाबून ठेवताना, गरम आणि थंड दोन्ही वेळ कमी आहेत. अशा आदर्श परिस्थितीमुळे खरोखरच न भरलेल्या सामग्रीची वाढ होऊ शकते.

उपकरणाची कॉम्पॅक्टनेस आणि तिची तीन-चॅनेल इंजेक्शन प्रणाली यामुळे डोपिंग आणि जाडी एकसमानता या दोन्हीमध्ये उच्च कार्यक्षमता असलेल्या बहुमुखी प्रणालीमध्ये परिणाम होतो. हे 150 मिमी आणि 200 मिमी सब्सट्रेट फॉरमॅटसाठी तुलनात्मक गॅस प्रवाह आणि तापमान एकसमानता सुनिश्चित करण्यासाठी कॉम्प्युटेशनल फ्लुइड डायनॅमिक्स (CFD) सिम्युलेशन वापरून केले गेले. आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ही नवीन इंजेक्शन प्रणाली डिपॉझिशन चेंबरच्या मध्यवर्ती आणि बाजूकडील भागांमध्ये समान रीतीने गॅस वितरीत करते. गॅस मिक्सिंग सिस्टीम स्थानिकरित्या वितरीत केलेल्या गॅस केमिस्ट्रीचा फरक सक्षम करते, एपिटॅक्सियल वाढ ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी समायोज्य प्रक्रिया पॅरामीटर्सची संख्या वाढवते.

आकृती 1 सब्सट्रेटच्या 10 मिमी वर स्थित असलेल्या विमानात PE1O8 प्रक्रिया कक्षातील सिम्युलेटेड गॅस वेग परिमाण (शीर्ष) आणि गॅस तापमान (तळाशी).

इतर वैशिष्ट्यांमध्ये सुधारित गॅस रोटेशन सिस्टम समाविष्ट आहे जी कार्यप्रदर्शन गुळगुळीत करण्यासाठी आणि रोटेशन गती थेट मोजण्यासाठी फीडबॅक नियंत्रण अल्गोरिदम वापरते आणि तापमान नियंत्रणासाठी PID ची नवीन पिढी. एपिटॅक्सी प्रक्रिया पॅरामीटर्स. प्रोटोटाइप चेंबरमध्ये एन-टाइप 4H-SiC एपिटॅक्सियल वाढ प्रक्रिया विकसित केली गेली. ट्रायक्लोरोसिलेन आणि इथिलीनचा वापर सिलिकॉन आणि कार्बन अणूंसाठी अग्रदूत म्हणून केला गेला; H2 चा वापर वाहक वायू म्हणून केला गेला आणि नायट्रोजनचा वापर n-प्रकार डोपिंगसाठी केला गेला. 6.5μm जाडीचे 1×1016cm-3 n-doped 4H-SiC एपिलेअर वाढवण्यासाठी Si-फेस केलेले व्यावसायिक 150mm SiC सबस्ट्रेट्स आणि रिसर्च-ग्रेड 200mm SiC सबस्ट्रेट्स वापरण्यात आले. भारदस्त तपमानावर H2 प्रवाह वापरून सब्सट्रेट पृष्ठभागावर खोदकाम केले गेले. या नक्षीच्या पायरीनंतर, गुळगुळीत थर तयार करण्यासाठी कमी वाढीचा दर आणि कमी C/Si गुणोत्तर वापरून एन-टाइप बफर लेयर वाढवण्यात आला. या बफर लेयरच्या वर, उच्च वाढ दर (30μm/h) असलेला सक्रिय स्तर उच्च C/Si गुणोत्तर वापरून जमा केला गेला. त्यानंतर विकसित प्रक्रिया एसटीच्या स्वीडिश सुविधेवर स्थापित केलेल्या PE1O8 अणुभट्टीमध्ये हस्तांतरित करण्यात आली. 150 मिमी आणि 200 मिमी नमुन्यांसाठी समान प्रक्रिया मापदंड आणि गॅस वितरण वापरले गेले. उपलब्ध 200 मिमी सब्सट्रेट्सच्या मर्यादित संख्येमुळे वाढीच्या पॅरामीटर्सचे सूक्ष्म ट्यूनिंग भविष्यातील अभ्यासासाठी पुढे ढकलण्यात आले.

नमुन्यांची स्पष्ट जाडी आणि डोपिंग कामगिरीचे अनुक्रमे एफटीआयआर आणि सीव्ही पारा प्रोबद्वारे मूल्यांकन केले गेले. नोमार्स्की डिफरेंशियल इंटरफेरन्स कॉन्ट्रास्ट (NDIC) मायक्रोस्कोपीद्वारे पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानाची तपासणी केली गेली आणि एपिलियर्सची दोष घनता कँडेलाद्वारे मोजली गेली. प्राथमिक निकाल. प्रोटोटाइप चेंबरमध्ये प्रक्रिया केलेले 150 मिमी आणि 200 मिमी एपिटॅक्सिअली वाढलेले नमुने डोपिंग आणि जाडीचे एकसारखेपणाचे प्राथमिक परिणाम आकृती 2 मध्ये दर्शविले आहेत. एपिलेयर्स 150 मिमी आणि 200 मिमी सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर एकसमान वाढले आहेत, जाडीच्या फरकांसह ) अनुक्रमे 0.4% आणि 1.4% इतके कमी, आणि डोपिंग फरक (σ-मीन) 1.1% आणि 5.6% इतके कमी. आंतरिक डोपिंग मूल्ये अंदाजे 1×1014 सेमी-3 होती.

आकृती 2 200 मिमी आणि 150 मिमी एपिवेफर्सची जाडी आणि डोपिंग प्रोफाइल.

रन-टू-रन फरकांची तुलना करून प्रक्रियेच्या पुनरावृत्तीक्षमतेची तपासणी केली गेली, परिणामी जाडीचे फरक 0.7% आणि डोपिंग भिन्नता 3.1% इतकी कमी झाली. आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, नवीन 200mm प्रक्रियेचे परिणाम PE1O6 अणुभट्टीद्वारे 150mm वर पूर्वी मिळालेल्या अत्याधुनिक परिणामांशी तुलना करता येतील.

आकृती 3 प्रोटोटाइप चेंबर (शीर्ष) आणि PE1O6 (तळाशी) द्वारे तयार केलेला अत्याधुनिक 150 मिमी नमुना द्वारे प्रक्रिया केलेल्या 200 मिमी नमुन्याची थर-दर-लेयर जाडी आणि डोपिंग एकसमानता.

नमुन्यांच्या पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानाच्या संदर्भात, NDIC मायक्रोस्कोपीने सूक्ष्मदर्शकाच्या शोधण्यायोग्य श्रेणीच्या खाली उग्रपणासह गुळगुळीत पृष्ठभागाची पुष्टी केली. PE1O8 परिणाम. त्यानंतर ही प्रक्रिया PE1O8 अणुभट्टीवर हस्तांतरित करण्यात आली. 200 मिमी एपिवेफर्सची जाडी आणि डोपिंग एकसमानता आकृती 4 मध्ये दर्शविली आहे. एपिलेअर्स अनुक्रमे 2.1% आणि 3.3% इतकी कमी जाडी आणि डोपिंग भिन्नता (σ/mean) सह थर पृष्ठभागावर एकसमान वाढतात.

आकृती 4 PE1O8 अणुभट्टीमध्ये 200mm epiwafer ची जाडी आणि डोपिंग प्रोफाइल.

एपिटॅक्सली वाढलेल्या वेफर्सच्या दोष घनतेची तपासणी करण्यासाठी, कॅन्डेला वापरला गेला. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे. अनुक्रमे 150 मिमी आणि 200 मिमी नमुन्यांवर 1.43 सेमी-2 आणि 3.06 सेमी-2 इतकी कमी 5 ची दोष घनता प्राप्त झाली. एपिटॅक्सी नंतर एकूण उपलब्ध क्षेत्र (TUA) म्हणून 150 मिमी आणि 200 मिमी नमुन्यांसाठी अनुक्रमे 97% आणि 92% मोजले गेले. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की हे परिणाम काही धावांनंतरच प्राप्त झाले आहेत आणि प्रक्रियेच्या पॅरामीटर्सचे बारीक-ट्यूनिंग करून ते आणखी सुधारले जाऊ शकतात.

आकृती 5 PE1O8 सह उगवलेल्या 6μm जाडीच्या 200mm (डावीकडे) आणि 150mm (उजवीकडे) एपिवेफर्सचे कँडेला दोष नकाशे.

निष्कर्ष

हा पेपर नवीन डिझाइन केलेला PE1O8 हॉट-वॉल CVD अणुभट्टी आणि 200 मिमी सब्सट्रेट्सवर एकसमान 4H-SiC एपिटॅक्सी करण्याची क्षमता सादर करतो. 200mm वरील प्राथमिक परिणाम खूपच आशादायक आहेत, संपूर्ण नमुना पृष्ठभागावर जाडीची भिन्नता 2.1% इतकी कमी आहे आणि डोपिंग कार्यप्रदर्शन भिन्नता 3.3% इतकी कमी आहे. एपिटॅक्सी नंतर TUA 150mm आणि 200mm नमुन्यांसाठी अनुक्रमे 97% आणि 92% असे मोजले गेले आणि 200mm साठी TUA भविष्यात उच्च सब्सट्रेट गुणवत्तेसह सुधारेल असा अंदाज आहे. येथे नोंदवलेले 200 मिमी सब्सट्रेट्सवरील परिणाम काही चाचण्यांच्या सेटवर आधारित आहेत हे लक्षात घेऊन, आम्हाला विश्वास आहे की 150 मिमी नमुन्यांवरील अत्याधुनिक निकालांच्या जवळ असलेल्या निकालांमध्ये आणखी सुधारणा करणे शक्य होईल. वाढीचे मापदंड बारीक करणे.