イタリアLPEの200mm SiCエピタキシャル技術の進歩

導入

SiC は、高温安定性、広いバンドギャップ、高い破壊電界強度、高い熱伝導率などの優れた電子特性により、多くの用途で Si よりも優れています。現在、SiC 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) のスイッチング速度の高速化、動作温度の上昇、熱抵抗の低下により、電気自動車の牽引システムの可用性が大幅に向上しています。 SiC ベースのパワーデバイスの市場は、過去数年間で非常に急速に成長しました。そのため、高品質で欠陥がなく均一な SiC 材料の需要が高まっています。

過去数十年にわたって、4H-SiC 基板サプライヤーは、(同じ結晶品質を維持しながら) ウェーハ直径を 2 インチから 150 mm にスケールアップすることができました。現在、SiC デバイスのウェハ サイズは 150 mm が主流であり、デバイス単位あたりの生産コストを削減するために、一部のデバイス メーカーは初期段階で 200 mm のファブを設立しています。この目標を達成するには、市販の 200 mm SiC ウェーハの必要性に加えて、均一な SiC エピタキシーを実行する機能も強く求められています。したがって、高品質の 200 mm SiC 基板を入手した後の次の課題は、これらの基板上で高品質のエピタキシャル成長を実行することになります。 LPE は、最大 200 mm の SiC 基板を処理できるマルチゾーン注入システムを備えた、水平型単結晶ホットウォール全自動 CVD リアクター (PE1O8 という名前) を設計および構築しました。ここでは、150mm 4H-SiC エピタキシーでのパフォーマンスと、200mm エピウェーハでの予備結果を報告します。

結果と考察

PE1O8 は、最大 200 mm の SiC ウェーハを処理するように設計された完全自動カセットツーカセット システムです。フォーマットは 150 mm と 200 mm の間で切り替えることができるため、ツールのダウンタイムを最小限に抑えることができます。加熱ステージの削減により生産性が向上し、自動化により労力が軽減され、品質と再現性が向上します。効率的でコスト競争力のあるエピタキシープロセスを保証するための 3 つの主な要因が報告されています: 1) 高速プロセス、2) 厚さとドーピングの高い均一性、3) エピタキシープロセス中の欠陥形成の最小化。 PE1O8 では、小さなグラファイト質量と自動ロード/アンロード システムにより、標準的な実行を 75 分未満で完了できます (標準的な 10μm ショットキー ダイオードのレシピでは、30μm/h の成長速度が使用されます)。自動化システムにより、高温での積み下ろしが可能です。その結果、ベーキングステップをすでに抑制しながら、加熱時間と冷却時間の両方が短くなります。このような理想的な条件により、真にドープされていない材料の成長が可能になります。

装置のコンパクトさとその 3 チャンネル注入システムにより、ドーピングと膜厚均一性の両方において高いパフォーマンスを備えた多用途システムが実現します。これは数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用して実行され、150 mm と 200 mm の基板フォーマットで同等のガス流量と温度の均一性が確保されました。図 1 に示すように、この新しい注入システムは、成膜チャンバーの中央部と側面部にガスを均一に供給します。ガス混合システムにより、局所的に分布するガス化学の変化が可能になり、エピタキシャル成長を最適化するための調整可能なプロセスパラメータの数がさらに拡大します。

図 1 PE1O8 プロセス チャンバー内で基板から 10 mm 上に位置する平面でシミュレートされたガス速度の大きさ (上) とガス温度 (下)。

その他の機能には、フィードバック制御アルゴリズムを使用してパフォーマンスを滑らかにし、回転速度を直接測定する改良されたガス回転システムと、温度制御用の新世代 PID が含まれます。エピタキシープロセスパラメータ。 n型4H-SiCエピタキシャル成長プロセスはプロトタイプチャンバーで開発されました。トリクロロシランとエチレンはシリコンと炭素原子の前駆体として使用されました。 H2 をキャリアガスとして使用し、窒素を n 型ドーピングに使用しました。 Si面を有する市販の150mm SiC基板と研究グレードの200mm SiC基板を使用して、厚さ6.5μmの1×1016cm-3 nドープ4H-SiCエピ層を成長させた。基板表面は、高温でＨ ２ 流を使用してその場でエッチングされた。このエッチングステップの後、低い成長速度および低いＣ／Ｓｉ比を使用してｎ型バッファ層を成長させ、平滑層を準備した。このバッファ層の上に、より高い C/Si 比を使用して、高い成長速度 (30μm/h) で活性層が堆積されました。開発されたプロセスは、ST のスウェーデン施設に設置された PE1O8 反応器に移されました。 150mm と 200mm のサンプルには同様のプロセス パラメーターとガス分布が使用されました。利用可能な 200 mm 基板の数が限られているため、成長パラメータの微調整は将来の研究に延期されました。

サンプルの見かけの厚さとドーピング性能は、それぞれ FTIR と CV 水銀プローブによって評価されました。表面形態はノマルスキー微分干渉コントラスト (NDIC) 顕微鏡法によって調査され、エピ層の欠陥密度は Candela によって測定されました。暫定結果。プロトタイプチャンバーで処理された 150 mm および 200 mm のエピタキシャル成長サンプルのドーピングと厚さの均一性の予備結果を図 2 に示します。エピ層は、厚さのばらつき (σ/平均) を伴いながら、150 mm および 200 mm の基板の表面に沿って均一に成長しました。 ) はそれぞれ 0.4% および 1.4% と低く、ドーピング変動 (σ 平均) は 1.1% および 5.6% と低い。真性ドーピング値は約 1×1014 cm-3 でした。

図 2 200 mm および 150 mm エピウェーハの厚さとドーピング プロファイル。

プロセスの再現性は、実行ごとの変動を比較することによって調査され、その結果、厚さの変動は 0.7% 程度、ドーピングの変動は 3.1% 程度でした。図 3 に示すように、新しい 200 mm プロセスの結果は、以前に PE1O6 リアクターによって 150 mm で得られた最先端の結果と同等です。

図 3 プロトタイプチャンバーで処理した 200mm サンプル（上）と PE1O6 で製造した最先端の 150mm サンプル（下）の層ごとの厚さとドーピングの均一性。

サンプルの表面形態に関しては、NDIC 顕微鏡検査により、顕微鏡の検出範囲未満の粗さを持つ滑らかな表面が確認されました。 PE1O8の結果。次いで、プロセスをPE1O8反応器に移した。 200mm エピウェーハの厚さとドーピングの均一性を図 4 に示します。エピ層は基板表面に沿って均一に成長し、厚さとドーピングのばらつき (σ/平均) はそれぞれ 2.1% と 3.3% と低くなります。

図 4 PE1O8 リアクター内の 200 mm エピウェーハの厚さとドーピング プロファイル。

エピタキシャル成長させたウェーハの欠陥密度を調べるためにカンデラを使用しました。図に示すように。 150mm および 200mm のサンプルでは、​​それぞれ 1.43 cm-2 および 3.06 cm-2 という低い総欠陥密度 5 が達成されました。したがって、エピタキシー後の総有効面積 (TUA) は、150 mm および 200 mm のサンプルでそれぞれ 97% と 92% と計算されました。これらの結果は数回の実行後にのみ達成されたものであり、プロセス パラメーターを微調整することでさらに改善できることは言及する価値があります。

図 5 PE1O8 で成長させた厚さ 6μm、200mm (左) および 150mm (右) のエピウェーハのカンデラ欠陥マップ。

結論

この論文では、新しく設計された PE1O8 ホットウォール CVD リアクターと、200 mm 基板上で均一な 4H-SiC エピタキシーを実行するその能力について説明します。 200mm での予備結果は非常に有望で、厚さのばらつきはサンプル表面全体で 2.1% と低く、ドーピング性能のばらつきはサンプル表面全体で 3.3% と低くなっていました。エピタキシー後の TUA は、150mm サンプルと 200mm サンプルでそれぞれ 97% と 92% と計算され、200mm の TUA は基板の品質が高くなるにつれて将来改善されると予測されています。ここで報告される 200mm 基板の結果が数セットのテストに基づいていることを考慮すると、既に 150mm サンプルでの最先端の結果に近づいている結果を、次の方法でさらに改善することが可能であると考えています。成長パラメータを微調整します。