इटली की LPE की 200 मिमी SiC एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकी प्रगति

परिचय

उच्च तापमान स्थिरता, विस्तृत बैंडगैप, उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र की ताकत और उच्च तापीय चालकता जैसे बेहतर इलेक्ट्रॉनिक गुणों के कारण SiC कई अनुप्रयोगों में Si से बेहतर है। आज, उच्च स्विचिंग गति, उच्च ऑपरेटिंग तापमान और SiC मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFETs) के कम थर्मल प्रतिरोध के कारण इलेक्ट्रिक वाहन ट्रैक्शन सिस्टम की उपलब्धता में काफी सुधार हो रहा है। पिछले कुछ वर्षों में SiC-आधारित बिजली उपकरणों का बाज़ार बहुत तेजी से बढ़ा है; इसलिए, उच्च गुणवत्ता, दोष-मुक्त और समान SiC सामग्रियों की मांग बढ़ गई है।

पिछले कुछ दशकों में, 4H-SiC सब्सट्रेट आपूर्तिकर्ता वेफर व्यास को 2 इंच से 150 मिमी (समान क्रिस्टल गुणवत्ता बनाए रखते हुए) तक बढ़ाने में सक्षम हुए हैं। आज, SiC उपकरणों के लिए मुख्यधारा वेफर का आकार 150 मिमी है, और प्रति यूनिट डिवाइस उत्पादन लागत को कम करने के लिए, कुछ डिवाइस निर्माता 200 मिमी फैब स्थापित करने के शुरुआती चरण में हैं। इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध 200 मिमी SiC वेफर्स की आवश्यकता के अलावा, एक समान SiC एपिटैक्सी प्रदर्शन करने की क्षमता भी अत्यधिक वांछित है। इसलिए, अच्छी गुणवत्ता वाले 200 मिमी SiC सब्सट्रेट प्राप्त करने के बाद, अगली चुनौती इन सब्सट्रेट्स पर उच्च गुणवत्ता वाले एपिटैक्सियल विकास करने की होगी। एलपीई ने एक क्षैतिज सिंगल क्रिस्टल हॉट-वॉल पूरी तरह से स्वचालित सीवीडी रिएक्टर (जिसे पीई1ओ8 नाम दिया गया है) का डिजाइन और निर्माण किया है, जो मल्टी-ज़ोन इम्प्लांटेशन सिस्टम से लैस है जो 200 मिमी सीआईसी सब्सट्रेट तक प्रसंस्करण करने में सक्षम है। यहां, हम 150 मिमी 4H-SiC एपिटैक्सी पर इसके प्रदर्शन के साथ-साथ 200 मिमी एपिवेफर्स पर प्रारंभिक परिणामों की रिपोर्ट करते हैं।

परिणाम और चर्चा

PE1O8 एक पूरी तरह से स्वचालित कैसेट-टू-कैसेट प्रणाली है जिसे 200 मिमी SiC वेफर्स तक संसाधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। टूल डाउनटाइम को कम करते हुए प्रारूप को 150 और 200 मिमी के बीच स्विच किया जा सकता है। हीटिंग चरणों में कमी से उत्पादकता बढ़ती है, जबकि स्वचालन से श्रम कम होता है और गुणवत्ता और दोहराव में सुधार होता है। एक कुशल और लागत-प्रतिस्पर्धी एपिटैक्सी प्रक्रिया सुनिश्चित करने के लिए, तीन मुख्य कारक बताए गए हैं: 1) तेज प्रक्रिया, 2) मोटाई और डोपिंग की उच्च एकरूपता, 3) एपिटैक्सी प्रक्रिया के दौरान न्यूनतम दोष गठन। PE1O8 में, छोटा ग्रेफाइट द्रव्यमान और स्वचालित लोडिंग/अनलोडिंग प्रणाली एक मानक रन को 75 मिनट से कम समय में पूरा करने की अनुमति देती है (एक मानक 10μm शोट्की डायोड रेसिपी 30μm/h की वृद्धि दर का उपयोग करती है)। स्वचालित प्रणाली उच्च तापमान पर लोडिंग/अनलोडिंग की अनुमति देती है। परिणामस्वरूप, गर्म करने और ठंडा करने का समय कम हो जाता है, जबकि बेकिंग चरण पहले से ही दब जाता है। ऐसी आदर्श स्थितियाँ वास्तव में अप्रयुक्त सामग्री के विकास की अनुमति देती हैं।

उपकरण की सघनता और इसकी तीन-चैनल इंजेक्शन प्रणाली के परिणामस्वरूप डोपिंग और मोटाई एकरूपता दोनों में उच्च प्रदर्शन के साथ एक बहुमुखी प्रणाली बनती है। यह 150 मिमी और 200 मिमी सब्सट्रेट प्रारूपों के लिए तुलनीय गैस प्रवाह और तापमान एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए कम्प्यूटेशनल तरल गतिशीलता (सीएफडी) सिमुलेशन का उपयोग करके किया गया था। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, यह नई इंजेक्शन प्रणाली जमाव कक्ष के मध्य और पार्श्व भागों में समान रूप से गैस वितरित करती है। गैस मिश्रण प्रणाली स्थानीय रूप से वितरित गैस रसायन विज्ञान में बदलाव को सक्षम बनाती है, जिससे एपिटैक्सियल विकास को अनुकूलित करने के लिए समायोज्य प्रक्रिया मापदंडों की संख्या का और विस्तार होता है।

चित्र 1 सब्सट्रेट से 10 मिमी ऊपर स्थित एक विमान पर PE1O8 प्रक्रिया कक्ष में गैस वेग परिमाण (ऊपर) और गैस तापमान (नीचे) का अनुकरण किया गया।

अन्य विशेषताओं में एक बेहतर गैस रोटेशन प्रणाली शामिल है जो प्रदर्शन को सुचारू करने और रोटेशन की गति को सीधे मापने के लिए फीडबैक नियंत्रण एल्गोरिदम का उपयोग करती है, और तापमान नियंत्रण के लिए पीआईडी ​​की एक नई पीढ़ी शामिल है। एपिटैक्सी प्रक्रिया पैरामीटर। एक प्रोटोटाइप कक्ष में एक एन-प्रकार 4H-SiC एपीटैक्सियल विकास प्रक्रिया विकसित की गई थी। ट्राइक्लोरोसिलेन और एथिलीन का उपयोग सिलिकॉन और कार्बन परमाणुओं के अग्रदूत के रूप में किया जाता था; H2 का उपयोग वाहक गैस के रूप में किया गया था और नाइट्रोजन का उपयोग n-प्रकार के डोपिंग के लिए किया गया था। 6.5μm मोटे 1×1016cm-3 एन-डोप्ड 4H-SiC एपिलेयर्स को विकसित करने के लिए Si-फेसेड वाणिज्यिक 150 मिमी SiC सब्सट्रेट और अनुसंधान-ग्रेड 200 मिमी SiC सब्सट्रेट का उपयोग किया गया था। ऊंचे तापमान पर H2 प्रवाह का उपयोग करके सब्सट्रेट सतह को यथास्थान खोदा गया। इस नक़्क़ाशी चरण के बाद, एक स्मूथिंग परत तैयार करने के लिए कम विकास दर और कम सी/सी अनुपात का उपयोग करके एक एन-प्रकार बफर परत विकसित की गई थी। इस बफ़र परत के शीर्ष पर, उच्च C/Si अनुपात का उपयोग करके उच्च विकास दर (30μm/h) वाली एक सक्रिय परत जमा की गई थी। फिर विकसित प्रक्रिया को ST की स्वीडिश सुविधा में स्थापित PE1O8 रिएक्टर में स्थानांतरित कर दिया गया। 150 मिमी और 200 मिमी नमूनों के लिए समान प्रक्रिया पैरामीटर और गैस वितरण का उपयोग किया गया था। उपलब्ध 200 मिमी सबस्ट्रेट्स की सीमित संख्या के कारण विकास मापदंडों की फाइन ट्यूनिंग को भविष्य के अध्ययन के लिए स्थगित कर दिया गया था।

नमूनों की स्पष्ट मोटाई और डोपिंग प्रदर्शन का मूल्यांकन क्रमशः एफटीआईआर और सीवी पारा जांच द्वारा किया गया था। सतह आकारिकी की जांच नोमर्स्की डिफरेंशियल इंटरफेरेंस कंट्रास्ट (एनडीआईसी) माइक्रोस्कोपी द्वारा की गई थी, और एपिलेयर के दोष घनत्व को कैंडेला द्वारा मापा गया था। प्रारंभिक परिणाम। डोपिंग के प्रारंभिक परिणाम और प्रोटोटाइप कक्ष में संसाधित 150 मिमी और 200 मिमी एपिटैक्सियल रूप से विकसित नमूनों की मोटाई एकरूपता चित्र 2 में दिखाई गई है। 150 मिमी और 200 मिमी सबस्ट्रेट्स की सतह पर एपिलेयर्स मोटाई भिन्नता (σ/मीन) के साथ समान रूप से बढ़ीं। ) क्रमशः 0.4% और 1.4% जितना कम, और डोपिंग भिन्नता (σ-मीन) 1.1% और 5.6% जितना कम। आंतरिक डोपिंग मान लगभग 1×1014 सेमी-3 थे।

चित्र 2 200 मिमी और 150 मिमी एपिवेफर्स की मोटाई और डोपिंग प्रोफाइल।

प्रक्रिया की पुनरावृत्ति की जांच रन-टू-रन विविधताओं की तुलना करके की गई, जिसके परिणामस्वरूप मोटाई में भिन्नता 0.7% और डोपिंग भिन्नता 3.1% जितनी कम थी। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, नई 200 मिमी प्रक्रिया के परिणाम पहले PE1O6 रिएक्टर द्वारा 150 मिमी पर प्राप्त किए गए अत्याधुनिक परिणामों के बराबर हैं।

चित्र 3 एक प्रोटोटाइप कक्ष (शीर्ष) द्वारा संसाधित 200 मिमी नमूने की परत-दर-परत मोटाई और डोपिंग एकरूपता और PE1O6 (नीचे) द्वारा निर्मित एक अत्याधुनिक 150 मिमी नमूना।

नमूनों की सतह आकृति विज्ञान के संबंध में, एनडीआईसी माइक्रोस्कोपी ने माइक्रोस्कोप की पता लगाने योग्य सीमा के नीचे खुरदरापन के साथ एक चिकनी सतह की पुष्टि की। PE1O8 परिणाम. फिर इस प्रक्रिया को PE1O8 रिएक्टर में स्थानांतरित कर दिया गया। 200 मिमी एपिवेफर्स की मोटाई और डोपिंग एकरूपता चित्र 4 में दिखाई गई है। एपिलेयर्स सब्सट्रेट सतह के साथ मोटाई और डोपिंग भिन्नता (σ/मीन) के साथ समान रूप से क्रमशः 2.1% और 3.3% तक बढ़ती हैं।

चित्र 4 PE1O8 रिएक्टर में 200 मिमी एपिवेफ़र की मोटाई और डोपिंग प्रोफ़ाइल।

एपिटैक्सियल रूप से विकसित वेफर्स के दोष घनत्व की जांच करने के लिए, कैंडेला का उपयोग किया गया था। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 150 मिमी और 200 मिमी नमूनों पर क्रमशः 5 की कुल दोष घनत्व 1.43 सेमी-2 और 3.06 सेमी-2 प्राप्त की गई। इसलिए एपिटैक्सी के बाद कुल उपलब्ध क्षेत्र (टीयूए) की गणना 150 मिमी और 200 मिमी नमूनों के लिए क्रमशः 97% और 92% की गई थी। यह उल्लेखनीय है कि ये परिणाम कुछ रन के बाद ही प्राप्त किए गए थे और प्रक्रिया मापदंडों को ठीक करके इसे और बेहतर बनाया जा सकता है।

चित्र 5 PE1O8 के साथ उगाए गए 6μm मोटे 200 मिमी (बाएं) और 150 मिमी (दाएं) एपिवेफर्स के कैंडेला दोष मानचित्र।

निष्कर्ष

यह पेपर नए डिजाइन किए गए PE1O8 हॉट-वॉल सीवीडी रिएक्टर और 200 मिमी सब्सट्रेट्स पर एक समान 4H-SiC एपिटैक्सी प्रदर्शन करने की क्षमता प्रस्तुत करता है। 200 मिमी पर प्रारंभिक परिणाम बहुत आशाजनक हैं, नमूना सतह पर मोटाई भिन्नता 2.1% जितनी कम है और नमूना सतह पर डोपिंग प्रदर्शन भिन्नता 3.3% जितनी कम है। एपिटैक्सी के बाद टीयूए की गणना 150 मिमी और 200 मिमी नमूनों के लिए क्रमशः 97% और 92% की गई थी, और भविष्य में उच्च सब्सट्रेट गुणवत्ता के साथ 200 मिमी के लिए टीयूए में सुधार होने की भविष्यवाणी की गई है। यह ध्यान में रखते हुए कि यहां बताए गए 200 मिमी सबस्ट्रेट्स पर परिणाम परीक्षणों के कुछ सेटों पर आधारित हैं, हमारा मानना ​​है कि परिणामों को और बेहतर बनाना संभव होगा, जो पहले से ही 150 मिमी नमूनों पर अत्याधुनिक परिणामों के करीब हैं। विकास मापदंडों को ठीक करना।