이탈리아 LPE의 200mm SiC 에피택셜 기술 진전

소개

SiC는 고온 안정성, 넓은 밴드갭, 높은 항복 전계 강도, 높은 열 전도성과 같은 우수한 전자 특성으로 인해 많은 응용 분야에서 Si보다 우수합니다. 오늘날 전기 자동차 견인 시스템의 가용성은 SiC MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)의 더 높은 스위칭 속도, 더 높은 작동 온도 및 더 낮은 열 저항으로 인해 크게 개선되고 있습니다. SiC 기반 전력 장치 시장은 지난 몇 년 동안 매우 빠르게 성장했습니다. 따라서 고품질, 무결함, 균일한 SiC 재료에 대한 수요가 증가했습니다.

지난 수십 년 동안 4H-SiC 기판 공급업체는 웨이퍼 직경을 2인치에서 150mm로 확장할 수 있었습니다(동일한 결정 품질 유지). 현재 SiC 디바이스의 주류 웨이퍼 크기는 150mm이며, 단위 디바이스당 생산 비용을 줄이기 위해 일부 디바이스 제조업체는 200mm 팹 구축 초기 단계에 있습니다. 이 목표를 달성하려면 상업적으로 이용 가능한 200mm SiC 웨이퍼에 대한 필요성 외에도 균일한 SiC 에피택시를 수행하는 능력도 매우 필요합니다. 따라서 좋은 품질의 200mm SiC 기판을 얻은 후 다음 과제는 이러한 기판에서 고품질 에피택셜 성장을 수행하는 것입니다. LPE는 최대 200mm SiC 기판을 처리할 수 있는 다중 구역 주입 시스템을 갖춘 수평 단결정 열벽 완전 자동화 CVD 반응기(PE1O8)를 설계하고 제작했습니다. 여기에서는 150mm 4H-SiC 에피택시에 대한 성능과 200mm 에피웨이퍼에 대한 예비 결과를 보고합니다.

결과 및 토론

PE1O8은 최대 200mm SiC 웨이퍼를 처리하도록 설계된 완전 자동화된 카세트 간 시스템입니다. 형식을 150mm에서 200mm 사이로 전환할 수 있어 공구 가동 중단 시간이 최소화됩니다. 가열 단계를 줄이면 생산성이 향상되고, 자동화는 노동력을 줄이고 품질과 반복성을 향상시킵니다. 효율적이고 비용 경쟁력 있는 에피택시 공정을 보장하기 위해 세 가지 주요 요소가 보고되었습니다: 1) 빠른 공정, 2) 두께 및 도핑의 높은 균일성, 3) 에피택시 공정 중 결함 형성 최소화. PE1O8에서는 작은 흑연 덩어리와 자동화된 로딩/언로딩 시스템을 통해 표준 실행을 75분 이내에 완료할 수 있습니다(표준 10μm 쇼트키 다이오드 레시피는 30μm/h의 성장률을 사용함). 자동화된 시스템으로 고온에서도 적재/하역이 가능합니다. 결과적으로, 가열 및 냉각 시간이 모두 짧으면서도 베이킹 단계가 이미 억제됩니다. 이러한 이상적인 조건은 실제로 도핑되지 않은 물질의 성장을 가능하게 합니다.

장비의 소형화와 3채널 주입 시스템으로 인해 도핑 및 두께 균일성 모두에서 높은 성능을 갖춘 다용도 시스템이 탄생했습니다. 이는 150mm 및 200mm 기판 형식에 대해 비슷한 가스 흐름과 온도 균일성을 보장하기 위해 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 수행되었습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 이 새로운 주입 시스템은 증착 챔버의 중앙 부분과 측면 부분에 가스를 균일하게 전달합니다. 가스 혼합 시스템은 국부적으로 분산된 가스 화학의 변화를 가능하게 하여 조정 가능한 공정 매개변수의 수를 더욱 확장하여 에피택셜 성장을 최적화합니다.

그림 1 기판 위 10mm에 위치한 평면의 PE1O8 공정 챔버에서 시뮬레이션된 가스 속도 크기(상단) 및 가스 온도(하단).

다른 기능으로는 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 성능을 원활하게 하고 회전 속도를 직접 측정하는 향상된 가스 회전 시스템과 온도 제어를 위한 차세대 PID가 있습니다. 에피택시 공정 매개변수. n형 4H-SiC 에피택셜 성장 프로세스는 프로토타입 챔버에서 개발되었습니다. 트리클로로실란과 에틸렌은 실리콘과 탄소 원자의 전구체로 사용되었습니다. H2는 운반 가스로 사용되었으며 질소는 n형 도핑에 사용되었습니다. Si 표면 상업용 150mm SiC 기판과 연구 등급 200mm SiC 기판을 사용하여 6.5μm 두께의 1×1016cm-3 n 도핑된 4H-SiC 에피층을 성장시켰습니다. 기판 표면은 상승된 온도에서 H2 흐름을 사용하여 현장에서 에칭되었습니다. 이러한 식각 단계 이후에 낮은 성장률과 낮은 C/Si 비율을 이용하여 n형 버퍼층을 성장시켜 평활화층을 제조하였다. 이 버퍼층 위에는 더 높은 C/Si 비율을 사용하여 높은 성장률(30μm/h)을 갖는 활성층을 증착했습니다. 개발된 공정은 ST의 스웨덴 시설에 설치된 PE1O8 반응기로 옮겨졌습니다. 유사한 공정 매개변수와 가스 분포가 150mm 및 200mm 샘플에 사용되었습니다. 사용 가능한 200mm 기판의 수가 제한되어 성장 매개변수의 미세 조정이 향후 연구로 연기되었습니다.

샘플의 겉보기 두께와 도핑 성능은 각각 FTIR과 CV 수은 프로브로 평가되었습니다. 표면 형태는 Nomarski 미분 간섭 대비(NDIC) 현미경으로 조사하였고, 에피층의 결함 밀도는 Candela로 측정했습니다. 예비 결과. 프로토타입 챔버에서 처리된 150mm 및 200mm 에피택셜 성장 샘플의 도핑 및 두께 균일성에 대한 예비 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 에피층은 두께 변화(σ/평균)와 함께 150mm 및 200mm 기판의 표면을 따라 균일하게 성장했습니다. )는 각각 0.4%와 1.4%로 낮고, 도핑 변동(σ-평균)은 1.1%와 5.6%로 낮습니다. 고유 도핑 값은 대략 1×1014cm-3였습니다.

그림 2 200mm 및 150mm 에피웨이퍼의 두께 및 도핑 프로파일.

공정의 반복성은 실행 간 변화를 비교하여 조사되었으며 그 결과 두께 변화는 0.7%로 낮고 도핑 변화는 3.1%로 낮았습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 새로운 200mm 공정 결과는 이전에 PE1O6 반응기로 150mm에서 얻은 최첨단 결과와 유사합니다.

그림 3 프로토타입 챔버로 처리된 200mm 샘플(상단)과 PE1O6로 제작된 최첨단 150mm 샘플(하단)의 층별 두께와 도핑 균일성.

샘플의 표면 형태와 관련하여 NDIC 현미경은 현미경의 감지 가능한 범위보다 낮은 거칠기를 갖는 매끄러운 표면을 확인했습니다. PE1O8 결과. 그런 다음 공정을 PE1O8 반응기로 옮겼습니다. 200mm 에피웨이퍼의 두께와 도핑 균일성은 그림 4에 나와 있습니다. 에피층은 기판 표면을 따라 균일하게 성장하며 두께와 도핑 변화(σ/평균)는 각각 2.1%와 3.3%로 낮습니다.

그림 4 PE1O8 반응기의 200mm 에피웨이퍼의 두께 및 도핑 프로파일.

에피택셜 성장 웨이퍼의 결함 밀도를 조사하기 위해 칸델라가 사용되었습니다. 그림과 같습니다. 150mm 및 200mm 샘플에서 각각 1.43cm-2 및 3.06cm-2만큼 낮은 총 결함 밀도 5가 달성되었습니다. 따라서 에피택시 후 총 사용 가능 면적(TUA)은 150mm 및 200mm 샘플에 대해 각각 97% 및 92%로 계산되었습니다. 이러한 결과는 몇 번의 실행 후에만 달성되었으며 프로세스 매개변수를 미세 조정하여 더욱 개선할 수 있다는 점은 언급할 가치가 있습니다.

그림 5 PE1O8로 성장한 6μm 두께 200mm(왼쪽) 및 150mm(오른쪽) 에피웨이퍼의 칸델라 결함 맵.

결론

본 논문에서는 새롭게 설계된 PE1O8 열벽 CVD 반응기와 200mm 기판에서 균일한 4H-SiC 에피택시를 수행하는 능력을 제시합니다. 200mm에서의 예비 결과는 매우 유망하며, 샘플 표면 전체에 걸쳐 두께 변화가 2.1%로 낮고, 도핑 성능 변화가 샘플 표면 전체에서 3.3%로 낮습니다. 에피택시 후 TUA는 150mm와 200mm 샘플에 대해 각각 97%와 92%로 계산되었으며, 200mm에 대한 TUA는 향후 더 높은 기판 품질로 개선될 것으로 예측됩니다. 여기에 보고된 200mm 기판에 대한 결과가 몇 가지 테스트 세트를 기반으로 한다는 점을 고려하면, 이미 150mm 샘플에 대한 최첨단 결과에 가까운 결과를 다음과 같이 더욱 개선할 수 있을 것이라고 믿습니다. 성장 매개변수를 미세 조정합니다.